动态跳跃点火停缸与轻度混合动力组合的节油效果

1 动态跳跃点火

动态跳跃点火(DSF)的工作原理已经通过样车向全球展示。DSF首次搭载于5.3 L和6.2 L的2019年度Chevrolet Silverado车上，该车采用了V8发动机(图1)。采用DSF技术后，与所有气缸运行相比，V8发动机至少能降低15%的CO2排放[1-2]。为了在相同的行驶性能情况下获得最大的节油效果，对DSF与其他的动力总成系统组合进行了研究。

DSF优化内燃机运行状况，使所有气缸和工作循环仅在最佳效率下运行，而且只有在满足扭矩需求所必需的气缸和工作循环才会点火运行(图2)。当扭矩需求提高时点火气缸和工作循环数增加，而一旦扭矩需求降低，其点火气缸和工作循环数量也会相应减少。如果没有扭矩需求，例如减速期间，就没有工作循环点火。DSF使进排气门停止工作，这就消除了换气损失，并提高了废气后处理效果，这种策略被称为减速气缸切断(DCCO)，可以使废气后处理系统的含氧量和温度稳定。这些优点对于进行稀薄运行和化学计量比混合气运行的发动机十分重要。

图1 DSF首次搭载于5.3 L和6.2 L 2019年度Chevrolet Silverado车上

图2 瞬态运行时的DSF工作原理

2 DSF的集成

为了将DSF集成到发动机上，所有气缸的进排气门都必须能停止工作，所有的停缸方法都能使用。为了能充分利用这种系统的优点，每个循环都可以独立工作或停止，而且无需为车载自动诊断系统(OBD)附加额外传感器。

DSF作为1个软件包，包含用于气缸/工作循环点火的算法及其相关的说明和OBD功能，它们被集成到发动机电控单元软件中，其中还包括用于受DSF功能影响的样本算法，例如空气质量、扭矩和过量空气系数的调节。

3 DSF的瞬态过程和振动-噪声-平顺性(NVH)特性

DSF方案是建立在单独考察气缸的每个工作循环的基础之上的，每个气缸都在最佳的效率下点火，并且仅利用为满足扭矩需求所必需的气缸和工作循环，系统可能在最后瞬间才决定某个气缸是否必须点火，这就促使进气空气节流需更快速地调节扭矩，使扭矩能够在发动机旋转4转之内从全负荷调节到零负荷，或者进行反向调节。

DSF通过算法可以主动控制工作循环运行调节对NVH特性的影响，避免以低频率重复激励振动。图3示出了1辆汽车有无DSF停缸时NVH特性的比较。

图3 Volkswagen公司捷达轿车有和无停缸时座椅导轨上的振动

采用虚拟和用车辆进行的NVH标定方法使得在各种不同车型平台上实现DSF的开发费用降到最低。为了保证确保NVH性能，在DSF运行中使用了众多不同的点火顺序，这样在运行状况保持恒定不变时就能使用重复的点火顺序(图4)。

图4 1台4缸发动机在恒定不变的运行工况点上12个工作循环所选择的点火顺序和点火工作循环的份额

4 DSF的燃油耗优势

DSF能在保持行驶性能不变的情况下获得令人信服的燃油耗优势。图5示出了Volkswagen公司搭载1.8 L 增压燃油分层喷射(TSI)发动机的捷达轿车停缸的试验结果，使用DSF停缸在美国城市道路行驶循环中CO2排放可降低7.8%，而在全球统一的轻型车行驶循环(WLTP)中则可降低6.4%。

图5 Volkswagen公司搭载1.8 L-TSI发动机的捷达轿车采用DSF停缸的燃油耗优势

5 轻度混合动力系统与DSF的协同作用

为了与先进的动力总成系统技术相结合获得最大的燃油耗优势，DSF与48 V轻度混合动力系统组合成eDSF，这样与无停缸的车辆相比，燃油耗还可附加降低8%～11%[3]。

由于能显著改善燃油耗，轻度混合动力系统更具实际意义。它使用带有皮带传动的48V发动机-起动机-发电机(RSG)特别增强的P0系统(图6)。这种系统提供了以下附加功能：在扭矩需求高的情况下用电动机辅助内燃机以提升扭矩，在制动过程和减速期间回收能量以改善起动-停车性能。即使与P1系统组合，也能成功地使用eDSF。

图6 按电机位置的不同分为P0～P4系统

在轻度混合动力系统情况下，在高负荷(扭矩辅助)或零负荷(减速回收)时实施扭矩供给或扭矩回收。因为DSF是1种降低部分负荷范围内燃油耗的节油技术，是对轻度混合动力系统很好的补充。除此之外，在某些工况下，eDSF的好处比几种单独措施的组合更大。采用eDSF与轻度混合动力系统组合能通过扭矩平整加大DSF运行范围、进行扭矩辅助以及改善减速期间的能量回收。 此外，DCCO能防止换气损失，而混合动力系统则能回收更大份额的车辆动力能量。

在高负荷时，通过扭矩辅助系统的内燃机扭矩由电动机来补充，这样就能获得更好的加速性能，特别是对小型增压发动机非常重要。由于补充了电动机的转矩，由此而减小了内燃机的扭矩，DSF的运行范围可相应扩大。通过使用eDSF，就能显著降低扭矩需求较低时的燃油耗，因而也可明显降低平均燃油耗。

6 扩大运行范围

与正常运行状况相比，停缸加大了扭矩的差别和点火气缸之间的时间间隔，这就会产生动力总成系统和车辆的低频激励。为了进一步降低燃油耗扩充eDSF，以便通过一体式电机(MSG)系统来平整扭矩，从而降低低频激励(图7)。

图7 eDSF时平整扭矩的原理

部分内燃机在较大的低频扭矩脉冲时被电动机的负脉冲补偿，并用电储存起来，在工作循环暂停时正扭矩脉冲的能量又重新输入到动力总成系统中去。为了彻底改善NVH特性，电动机只需部分仿制无停缸时内燃机的扭矩脉冲。通过平整扭矩每个运行工况点都能使其达到最低的燃油耗，同时振动最小，能量储存和能量反馈供应时的能量损失也最少。

7 对eDSF扭矩特性曲线的平整要求

eDSF通过扭矩平整的能量在MSG、换流器和储能器之间来回传输。为了能使能量损失减少从而降低燃油耗，这个系统的所有部件都必须具有较高的效率，并且它们的频率范围必须足够大，以便覆盖扭矩特性曲线。

通常，发电机特别是在1 000～2 500 r/min转速范围和0～40 N·m动力总成系统扭矩范围内必须呈现出高效率。用于发动机电控单元和换流器的软件无频率限制，扭矩曲线支持的频率最大可达35 Hz。为了确保精确的扭矩调节，软件应以模型为基础。能量储存系统应由现代蓄电池组成，在机械/化学方面的设计使其能以高效率连续传输能量和/或使用电容器。在使用P0系统的情况下，会出现交变扭矩，RSG必须设计安装在曲轴自由端，若使用P1系统，则无该类要求。

8 扭矩特性曲线平整算法

应用扭矩曲线平整算法，能扩大eDSF的运行范围，因为动态停缸在某个范围内可容许使用，超越NVH限值就无法使用。这种算法通过计算使得点火工作循环数与扭矩平整相配合获得最低的燃油耗，这对于不超过NVH性能限值是必不可少的(图8)。在更强烈的扭矩平整情况下，因能量损失而使燃油耗增加，在可接受的NVH范围内选择最低的燃油耗。这种优化过程由事先设置在发电机电控单元中的基本标定数据和可靠的标定方法来支持。

图8 对eDSF扭矩特性曲线的平整要求

这种扭矩曲线平整算法为动力总成系统生成1种额定的扭矩曲线，其中也考虑到了MSG动力学。

图9示出了在汽车转鼓试验台上发动机停缸工作循环时有无扭矩平整的振动加速度和转速的测量数据，其中因电动机提供了25 N·m扭矩使转速波动降低了50%。图9(b)示出了在不同频率下有无扭矩平整降低转速波动的情况，在10 Hz频率下发动机振动加速度改善了92%以上。

图9 扭矩平整时燃油耗与NVH性能之间的折中

9 eDSF降低燃油耗

在NVH试验研究结果的基础上，Volkswagen公司对采用eDSF的捷达轿车进行了各种不同的试验循环和下列边界条件下的模拟计算：捷达 SEL(2015)、1.8 L-TSI(EA 888)、6档自动变速器、带减振器的飞轮、带RSG(12 kW)的轻度混合动力系统(P0)，以及电池容量为8 A·h的锂-铁-磷酸盐蓄电池。

这种算法通过计算确定了停缸工作循环的数量、内燃机和电动机的扭矩，并同时确定了自动变速器的档位和变扭器的转差率，其目标是在考虑到扭矩和NVH性能要求的情况下使燃油耗最低，而RSG、换流器和储能器系统中的损失则必须由内燃机来补偿。

对于回收能量的减速行驶工况而言，在考虑到发电机和蓄电池储存能力的情况下应尽可能多地利用能量。如果蓄电池充电状态超过限值的话，则使用扭矩辅助。在试验接近终了时，蓄电池至少达到与开始时相同的充电状态。

图10示出了eDSF在美国城市道路工况、WLTP和新欧洲行驶循环(NEDC)试验中降低的CO2排放与基本型发动机及48 V轻度混合动力系统的CO2排放比较，3种动力总成系统都装备了起动-停车系统。与轻度混合动力系统相比，采用eDSF的燃油耗在WLTP行驶循环中可降低8.4%，而在NEDC行驶循环中则降低达9.5%。这种在燃油耗方面的显著改善使得用户使用成本更低。样车在美国城市道路行驶循环中的试验结果已由模拟计算得到了证实。

图10 eDSF节油效果的比较

10 未来高效的DSF动力总成系统

应用DSF技术的汽车具有显著的节油效果，并有效降低了成本，提升了效益比。

图11以Volkswagen公司搭载采用可变气门机构和起动-停车系统的1.8 L TSI发动机的捷达轿车为例，示出了应用DSF技术在WLTP行驶循环中的效益。生产制造商的DSF的成本包括所有的硬件和软件费用。诸如停缸、米勒燃烧过程(用2个凸轮廓线)和8～10档自动变速器等常规技术在增加额外成本增加100～200欧元的情况下降低CO2排放小于4%，DSF则可降低7%的CO2排放。以成本/效益比来计算，采用其他方式每降低1%的CO2排放，额外成本增加40欧元，采用eDSF技术每降低1%的CO2排放，额外成本增加65欧元。

图11 DSF相对于常规动力总成系统技术的优势

米勒燃烧过程与DSF相组合(mDSF)，可以进一步改善CO2排放。在相同的增压压力情况下，有2种不同的进气门停止工作的方法，分别用于低扭矩和高扭矩工况。mDSF技术降低的CO2排放比单纯采用DSF技术要多，而且具有突出的成本/效益比，每降低1%的CO2排放增加额外成本少于30欧元。通过mDSF与eDSF组合，能使CO2排放降低约18%。

DSF技术为达到未来的CO2限值要求作出了贡献。通过DSF与轻度混合动力及米勒燃烧过程的组合，不仅能降低CO2排放，还能有效控制成本。柴油机应用DSF技术既能降低CO2排放，还能降低氮氧化物的排放。