车用柴油机停缸技术研究综述

伍赛特

(上海汽车集团股份有限公司，上海 200438)

0 引言

柴油机是一类常见的热力发动机[1-2]，以其优越的动力性能及燃油经济性能在国民生产及交通运输领域得以广泛应用[3-4]。近年来，随着车用柴油机技术领域的不断延伸及拓展，对停缸这一新兴内燃机技术的关注程度也日益提升。

1 停缸技术

“停缸”这一名词亦可称作“气缸切断”，即按具体的使用需求使气缸维持运行或停止，并进行相应管理[5]。目前具体所指的是对所选择的一些气缸停止燃油喷射和气门运行，从而在低负荷工况下灵活地减小发动机的有效排量。停缸的最简单形式是仅靠切断点火或喷油来停止燃烧。

2 柴油机应用停缸技术的相关优势

2.1 改善燃油经济性

柴油机应用停缸技术可有效改善燃料经济性。对于柴油机而言，降低的油耗百分点是柴油机负荷和转速两个参数的函数。在低负荷工况下将半数的气缸停缸时，有效燃油消耗率可减少达30%[6]。但是，如果在低负荷工况下采用了不恰当的喷油补偿策略，来以此补偿柴油机停缸所造成的大幅振动和由此产生的瞬时转速下降现象，在此情况下，整机振动剧烈程度和由此带来的转速不稳定性现象可能会因此恶化，使其在降低油耗方面产生的技术效果会变得微乎其微[7]。

通常而言，不同的车辆应用和驾驶循环所导致的油耗降低收益的变化幅度较大，例如城市道路驾驶循环与高速公路驾驶循环两者之间。城市驾驶循环下的燃油经济性提升效果通常比高速公路驾驶循环下的更为优越。如果在驾驶循环中含有较高时长比例的部分负荷运行工况，停缸技术所带来的燃料经济性收益将更为显著。

2.2 改善排放性

停缸对柴油机降低排放方面的影响主要是通过改变排气温度来实现的。停缸在提高排气温度以及改善催化转化器起燃时间方面效果明显，这一点对于在低负荷、低怠速和暖机时的各种后处理运行工况而言，可谓水到渠成。虽然仅靠停缸自身通常还不足以迅速起燃大多数后处理装置，但是将停缸技术与进气门正时以及喷油正时等相关技术手段相结合，即可进一步提高排气温度，使催化转化器充分发挥功效。

3 柴油机应用停缸技术的相关劣势

3.1 对整机泵气损失的影响

由于停用的气缸仍在继续耗功，使得气体不断流入或流出气缸，因此停缸技术无法显著降低泵气损失。而且，随着新鲜空气流入气缸，停止运作的气缸将得以迅速冷却，以此会导致再点火等一系列问题。目前减少泵气损失的最有效以及最常用的停缸方法是将停用气缸中的燃油喷射和所有进排气门均关闭[8]。

3.2 对整机噪声、振动及不平顺性(NVH)的影响

流过点火气缸的气流和歧管中的气体压力脉冲会影响进排气噪声。停用气缸中的气体压力会影响内燃机整机振动状况。只要气缸与气缸之间的压力存在不均匀现象，柴油机的振动和转速变化就会随之增大。气缸压力会受停缸气门切换策略影响，同时亦与滞留于停用气缸中的气体质量有关。

在不供油的气缸中，如果不关闭所有的气门，正常的缸内气体压缩会较好地平衡点火气缸所造成的发动机振动。然而，在进排气门都关闭的极端情况下，由于存在更为剧烈的振动现象，发动机转速会呈现出较高的变化幅度。停缸时，发动机的基础频率阶数会减半，这样所造成的较高的动态扭矩和较低的频率会造成动力系和传动系的振动幅度大幅增加。

4 影响停缸技术的相关因素

4.1 影响停缸技术的关键设计因素

目前影响到柴油机停缸技术的因素：

(1)停用气缸的数量；

(2)停用气缸的气门切换定时策略关系到缸内滞留的气体质量；

(3)固定截面涡轮的有效面积关系到高低负荷运行之间的权衡，涉及停缸运行过程中在部分负荷时所需的空燃比，以及在非停缸运行时在全负荷需要产生的发动机功率能力；

(4)可变截面涡轮的叶片开度，如使用该类型涡轮，可通过调节面积更好地适应可变排量发动机在空气流量变化方面的需要；

(5)涡轮废气旁通阀开度的控制能力，采用电控旁通阀能在非停缸运行时将阀全开，最大限度地减小泵气损失和在该部分负荷时的空燃比，以此可有效降低有效燃油消耗率；

(6)停缸运行时在碳烟控制方面所能承受的最低空燃比；

(7)缸内传热损失；

(8)由气缸压力引起的活塞环摩擦力；

(9)用于驱动进气门和排气门的配气机构摩擦耗功。

4.2 影响停缸技术改善燃油经济性的关键因素

决定停缸在改善燃料经济性方面是否有效的因素包括发动机排量、整车质量、驾驶循环种类、可变气门的类型，以及常用的运行工况等[9]。目前就采用停缸技术来降低内燃机有效燃油消耗率而言，在大型车辆上的应用效果较好。大型车辆往往使用6缸或更多缸数的大排量发动机，会更频繁地在低负荷工况区域运行。因此与小排量内燃机相比，大排量内燃机应用停缸技术在降低油耗方面的收益更大。

5 停缸时可采用的气门切换策略

5.1 气门切换所需考虑的相关因素

在停用的气缸中，目前有3种处置滞留气体质量的方法，具体取决于在发动机循环内关闭并停用气门的时刻：

(1)在气缸内保留最少的气体质量或几乎保持真空；

(2)将较冷的新鲜空气吸入气缸；

(3)将热残余废气滞留在气缸内。

在停缸过程中，需尽量使其对柴油机整机设计、耐久性、封装性和成本造成的影响最小。关闭和停用气门的定时则较为关键，是由于气缸内的压力变化过程决定着润滑油的消耗和动力缸内的部件润滑状态，以及柴油机的整机振动情况[10]。

如果缸内几乎没有气体的话，活塞环的摩擦损失以及停用气缸的泵气损失会达到最小值。而实际上，仍需在气缸内维持一定量的气体和一定数值的气缸压力，以便保证气缸内部的润滑状态以及较低的润滑油消耗率，同时亦可减小润滑油通过活塞环的开口间隙而被吸入燃烧室的概率。

另一个在考虑气门切换策略时需要重点关注的因素是NVH。柴油机需要在停用的气缸内滞留适量的气体，使其起到阻尼的作用，使整机的振动和转速变化更为平顺。

5.2 气门切换策略

停缸一般可采用如下3种气门切换策略：

(1)在排气冲程结束时先立即关闭并停用进气门，以此可不向气缸中注入新鲜空气和外部排气再循环气体；

(2)在进气冲程过程中或结束时先关闭并停用进气门，以此可向气缸中注入一定量的新鲜空气和外部排气再循环气体；

(3)在已燃的缸内气体被排出气缸之前，先关闭排气门，以此可将高温排气滞留在气缸内。

当活塞在进气冲程中向下运动时，气缸压力会低于大气压力，从而形成较高的真空度。但在此情况下，可能会对润滑油消耗产生负面影响，润滑油消耗主要是通过活塞环和气门导管处的机油损失所造成的。在停用的气缸中，当其处于进气冲程时，缸内的高真空度会将机油通过第一道和第二道气环的开口间隙区域吸入燃烧室。

目前，相关研究结果显示：在停用的气缸中，缸内最高压力通常较低，仅有200～300 kPa，而在进气冲程下止点处的缸内压力大约仅有20 kPa的绝对压力。在柴油机的每个热力循环过程的大多数时间内，停用气缸的内部压力均低于大气，并存在一定的真空度。

停缸时气门操作顺序的原则是在下述几项之间寻求最佳平衡：

(1)避免缸内出现不良真空现象；

(2)尽量保持气缸温度；

(3)出于对耐久性和发动机振动的考虑，在缸内维持可接受的最高气体压力；

(4)尽量减少泵气损失。

由于柴油机无需在进气节流和真空度下运行，因此，通常可考虑采用第二种切换策略，即在进气冲程中先吸入较冷的充量并关闭和停用进气门。

6 柴油机停缸技术应用推广面临的主要问题

NVH是柴油机停缸技术得以应用推广时所需面临的重要问题。采用停缸技术会降低柴油机曲轴振动的频率，同时提升其振幅[11]。该现象在全转速范围内从NVH专业领域以及整车舒适性的角度出发，目前仍无法被接受。至今为止，停缸技术对燃油经济性的提升效果依然受NVH限制。只有当NVH领域的相关技术在汽车领域得以大规模量产化后，停缸技术方可如影随形，以实现其改善燃料经济性的目标。

停缸技术的主要难点在于既要尽量改善燃油经济性，同时也要满足在稳态运行和在停缸与非停缸之间进行瞬态转换运行时在NVH和整车驾驶性能上的要求。

7 柴油机停缸技术性能总结

目前，关于柴油机停缸的技术性能总结如下：

(1)最佳的停缸方法是在停用气缸中切断燃料供应并停用所有进排气门。

(2)停缸的气门切换定时和滞留在停用气缸中的气体质量将会显著地影响停缸在降低有效燃油消耗率的效果。

(3)停缸运行时，停用气缸数主要取决于为实现良好的燃烧排放所需要的最低空燃比与为实现最低油耗所需要的泵气损失之间的平衡点。除此之外，最佳的停用气缸数也受到气缸传热损失和活塞环摩擦等参数与特点的影响，但该影响相对较弱。

(4)停缸在低负荷工况能明显降低燃料消耗。对于涡轮增压柴油机而言，油耗的改善效果取决于有效平均压力和转速这两大因素。

(5)由于受空燃比以及在高转速时的其他设计约束条件的限制，目前在中、高负荷下很难采用停缸技术来改善有效燃油消耗率。

(6)停缸技术对油耗的改善程度主要取决于停用气缸的数量、气门关闭策略、气门切换定时、涡轮通流面积、涡轮废气旁通阀的调节控制能力和灵活性、气缸传热效果以及活塞环摩擦力等因素。

(7)停缸技术对排放性能的改善主要通过提升排气温度，以此来改善催化转化器的处理效果。

8 结论

停缸技术的合理应用，可使得柴油机在低负荷工况下显著降低其油耗率，同时亦可通过提升排气温度来改善催化转化器的处理效果，从而降低排放。尽管目前停缸技术的应用仍受NVH等相关技术的限制，尚未大规模推广应用。但随着技术的不断完善，其在柴油机技术领域内仍有着良好的应用前景。