汽油机停缸技术发展现状与趋势分析

颜伟，陈龙华，王锦艳，郜昊强

（安徽江淮汽车集团股份有限公司，安徽 合肥 230601）

汽油机停缸技术发展现状与趋势分析

颜伟，陈龙华，王锦艳，郜昊强

（安徽江淮汽车集团股份有限公司，安徽 合肥 230601）

发动机停缸技术（CDA)对汽车的节能减排有重要作用，是改善汽车燃油经济性的重要技术之一。文章从理论上分析了停缸技术在汽车上应用的必要性以及技术发展的现状及存在的问题，总结了停缸技术的实施方案，并阐述了停缸技术未来的发展趋势。

发动机；停缸；节油

Abstract:Engine cylinder deactivating technology (CDA) plays an important role in automobile energy saving and emission reduction. It is one of the important technologies to improve the fuel economy of automobile. This paper analyzes the necessity of the application of cylinder deactivation technology in automobile theoretically, technology development status and existing problems, and sums up the implementation plan of cylinder deactivation technology. Finally it expounds the development trend of the future cylinder deactivating technology.

Keywords: engine; Stop cylinder; fuel-efficient

CLC NO.: U463.5 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)18-242-03

概述

车用发动机工作的范围广，大负荷时燃油经济性较好，中小负荷时燃油经济性较差。固定排量的发动机很难同时兼顾车辆高速动力性和低速燃油经济性。一般情况为了保证车辆动力性和环境适应性，发动机的排量会适当选大一点；然而日常生活中，车辆经常在低速行驶（市区、红灯等），此时发动机运行在低负荷状态，燃油经济性恶化。停缸技术可有效解决这一矛盾问题。停缸技术也称可变气缸排量技术，是指发动机处在部分负荷运行时，通过相关机构、策略控制或切断部分气缸的燃油供给、点火和进排气，停止其工作，使剩余工作缸运行在效率较高的高负荷率区域，达到节油的目的；当急加速或爬坡需要加大动力时，又会启动所有气缸，快速提升发动机的动力输出。停缸技术作为发动机节油的有效技术手段之一，早在20世纪初就已有应用，但并未大批量推广。随着电控技术的发展以及油耗法规的持续加严，此项技术重新获得汽车公司的重视。

1 停缸技术的节油原理

对比停缸前后发动机的能量平衡关系，可以详细分析出停缸节油的理论根据：

（1）为了得到相同的扭矩输出，停缸后发动机节气门开度会增加，这将大幅减小发动机泵气损失，从而改善发动机的油耗。

（2）停掉的气缸由于由于没有燃烧膨胀做功冲程，因而也没有由燃烧引起的摩擦损失。

（3）由于停缸后节气门开度增大，进气节流效应减弱，缸内气流运动强度增加，这将提高缸内混合气的燃烧效率。

（4）停缸后参与燃烧的气缸数减少，则混合气燃烧过程与气缸壁相接触的传热面积会减少，相应传热损失也会减小。

综合来讲停缸节油效果主要由两方面带来的：发动机泵气损失的减小，表面传热损失的降低。泵气损失示功图如下。

图1 发动机停缸前后泵气损失

根据福特的研究，发动机泵气损失的节油效果在随着发动机负荷的增大逐渐减小。在低负荷通过降低泵气损失可节油高达15%。在中低负荷停缸时，表面传热损失会减小，在高负荷停缸时，由于爆震的影响，传热损失会增大。

图2 某发动机1500rpm停缸的节油效果

由图2可知，在低负荷时停缸节油效果较好，这时泵气损失节油效果显著，同时表面传热损失降低也带来一定节油效果；高负荷时停缸的节油效果明显下降，一方面泵气损失的节油效果减弱，另一方面由于燃烧的恶化，表面传热损失大大增加，油耗增加。另外停缸的节油效果主要取决于发动机的负荷，与发动机转速关系不大。

2 停缸技术的应用难点

2.1 停缸的实现机构

停缸技术应用的一大难点就是停阀机构的设计、布置空间以及由此带来的其他零部件的改动。目前停缸技术的研究和应用主要基于液压挺柱阀系结构，基于机械挺柱阀系结构的停缸技术报道较少。下面的技术方案也主要是针对液压挺柱结构。目前主流的停缸机构原理上主要有两种，一种是液压摇臂式停缸机构，一种是凸轮移位式停缸机构。

伊顿公司采用的就是典型的液压摇臂式停缸机构。其核心部件包括停缸摇臂、多油路的液压挺柱以及油压控制阀。停缸系统零部件构成如下图3所示。停缸摇臂结构如下图4所示。

图3 停缸系统零部件布置图

图4 停缸摇臂结构图

正常工作情况下，外摇臂里的锁止销在弹簧作用下自然伸出，将内摇臂和外摇臂连为一体，液压摇臂两端都有支撑，这样凸轮轴的的驱动力可通过摇臂顺利传递到气门。当发动机处于停缸状态时，液压电磁阀控制给油腔充油，弹簧在油压作用下回缩，锁止销也同步回收，内外摇臂实现分离，液压摇臂只有一端有支撑，无法驱动气门。

凸轮移位式停缸方案的典型就是大众。大众AVS 停缸技术设计了可轴向滑动的套筒式凸轮轴机构，套筒与内部凸轮轴通过花键间隙配合，套筒上设计有不同升程的凸轮，控制套筒的移动即可实现多段式气门升程。套筒上加工有螺旋式沟槽，电磁控制机构通过卡销与螺旋沟槽的配合，推动套筒的轴向移动来决定哪个凸轮与摇臂贴合。零升程的凸轮与摇臂接触时，气门关闭、气缸停缸。

图5 大众AVS停缸机构

液压挺柱式停缸机构的主要优点是在小排量发动机上应用较方便，不太受限于发动机缸心距的影响。缺点一方面是需要设计复杂的油路，系统的响应受油压的限制；另一方面停缸摇臂相对较宽，大部分发动机的凸轮轴轴承盖设计在两气门之间，这样凸轮轴轴轴承盖的位置被挤占，由此带来很大的设计变动。

凸轮移位式停缸机构的主要优点是在大排量发动机上应用较方便，不需要设计复杂的油路，运行不受系统油压的影响，且设计变动相对较小。缺点是需要设计较复杂的凸轮移位机构，小排量发动机由于缸心距较小，布置较困难。

2.2 停缸对NVH的影响

停缸技术应用的另外一大难点就是停缸后整车NVH的控制。发动机停止几个缸工作后，发动机点火间隔增大，激振频率降低，而低频振动会更加接近发动机振动系统较低的固有频率，更趋向于形成共振。因此周期性强迫振动的频率降低，而振幅增大。导致发动机振动加剧，传递到座椅和方向盘等，使舒适性降低。同样因为发动机点火间隔增大，进气和排气频率降低，进排气系统消声器消声频率有一定范围，且对低频噪声消声效果较差，停缸后恰恰增加了低频噪声，因此进排气噪声恶化。根据福特在一台V10发动机上的研究，在发动机转速500r/m,平均有效压力为0.8MPa的工况点，停止一半气缸工作后，发动机输出扭矩波动的频率减小了一半，波幅增加了一倍多，发动机振动加剧。

图6 停缸前后曲轴输出扭矩对比

针对停缸带来的NVH问题，发动机本体上一方面可优化曲轴平衡系统的设计，比如曲轴平衡结构、扭转减震器结构、飞轮结

构等。另一方面可对前端附件驱动系统进行优化，比如轮系的布局，各带轮之间的皮带跨距，皮带的材质和结构，以及采用OAP技术等。

除了发动机本体之外，还需要通过限制停缸工作范围来减小 NVH的不良影响。根据福特公司的研究怠速、暖机、发动机1000rpm以下等工况不宜进行停缸。

3 汽油机停缸技术发展趋势

随着油耗和排放法规的日益严苛，停缸技术由于其性价比较高，未来将成为一项发动机标配技术。

目前停缸技术主要应用在 6缸及以上发动机上，随着NVH控制水平的提升，4缸以及3缸发动机上的应用将越来越多。

当前量产的发动机停缸技术基本采用的是固定停缸的模式，比如4缸发动机停固定的1，4缸或者2，3缸，未来动态停缸技术将是一个趋势，4缸发动机可停3缸、2缸、1缸，停缸方式组合如下图。采用动态停缸技术后气缸排量改变的自由度将更大。

图7 四缸发动机动态停缸模式组合

4 结语

汽油机停缸技术由于其较高的性价比，在国外已经比较成熟，尤其在6缸及以上发动机上。随着NVH技术和电控技术的发展，停缸工作范围的扩展以及系统成本的降低，停缸技术将越来越多的应用在产量更多的4缸和3缸发动机上，成为标配技术，从而带来更大的节能减排效应。

[1] 武涛,李元平,孔毅,王永丰. 汽油机停缸节油技术应用与展望.[J]技术导向. 2010.

[2] 张登攀,袁银南,崔勇.车用汽油机的停缸节油技术.[J]小型内燃机与摩托车.2007 .

[3] 王凯,张庭芳,吴志军,邓俊,武涛.发动机停缸技术的模拟优化.[J]小型内燃机与摩托车. 2010.

[4] T. G. Leone and M. Pozar Ford Motor Co.Fuel Economy Benefit of Cylinder Deactivation -Sensitivity to Vehicle Application and Oper-ating Constraints. SAE. 2001-01-3591.

[5] Andrei Radulescu, James McCarthy JR and Scott Brownell. SAE.2013-01-0589.

Development status and trend analysis of gasoline engine cylinder deactivating technology

Yan Wei, Chen Longhua, Wang Jinyan, Gao Haoqiang
( Anhui jianghuai automobile group co., LTD., Anhui Hefei 230601 )

U463.5 文献标识码：A 文章编号：1671-7988 (2017)18-242-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.18.085

颜伟（1984-），男，工程师，就职于安徽江淮汽车集团股份有限公司。研究方向为汽油机节能技术研究。