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发动机可变排量技术

汽车电子 | 发布时间:2018-08-30 | 人气: | #评论# | 本文关键字:发动机,可变排量技术
摘要:可变排量技术全称是Displacement on Demand或者是cylinder on demand system,也可称为闭缸技术、停缸技术。他可根据实际行驶需要,对多缸发动机进行有针对的停缸,使实际参与做功的排量小于发动机排

前言:随着全球范围内对节能环保的日趋重视、排放法规的日益严苛,现在发动机设计的目标已经从上个世纪追求性能变为节能环保。以往追求的大排量、升功率变为了低油耗、高热效率,低排放。各大主机厂也是使出十八般武艺,在发动机上的研究不断突破,各种黑科技层出不穷。有自动启停系统、可变进排气门系统、EGR系统、双喷射系统、分层燃烧技术、48V弱混系统、可变排量技术、可变压缩比技术、主动进气格栅系统、水喷射系统、GPF系统、电子水泵系统、可变汽油泵系统等等。本系列就由天马行空从一名发动机性能开发工程师的角度,来介绍各个黑科技的原理以及作用。本文为可变排量技术的入门篇。

可变排量技术简介

可变排量技术全称是Displacement on Demand或者是cylinder on demand system,也可称为闭缸技术、停缸技术。他可根据实际行驶需要,对多缸发动机进行有针对的停缸,使实际参与做功的排量小于发动机排量。最初由凯迪拉克提出,福特通用跟进,然后奥迪宝马奔驰都有部分引入这个系统。

首先看下图1不同负荷下发动机有用功比例示意图,燃油释放的化学能分为6个部分,分别是有用功,泵气损失,摩擦损失,冷却损失,排气损失,未燃损失。其中未燃损失比较小,一般在5%以内;排气损失受到物理极限的制约,比较难以利用,只可以通过EGR或者涡轮增压器来部分回收;冷却损失做的研究较多,不过节约有限,这里不展开;主要的方向集中于减少摩擦损失和泵气损失。从图中可以看出,随着负荷率的提高,有用功在增加,各种损失尤其是摩擦损失和泵气损失占比在减少,为了发挥这个特性,总输出功率不变的前提下,将以往在中低负荷区间低效工作的全部气缸关闭掉部分,让剩下的气缸在高负荷下工作,岂不是能提高有用功,提高热效率吗?

不同负荷下发动机有用功比例示意图

图1 不同负荷下发动机有用功比例示意图

基于这个思路,最早凯迪拉克提出可变排量技术,其就是希望减少机械损失,提高燃油经济性,采用的是断油、不断气的方案:喷油嘴停止供油、进排气门正常工作。虽然有两个气缸不参与做功,但是由于进排气门打开,气缸还是会利用真空度吸取空气和排出空气,机械损失也没有明显减少,另外由于动平衡被打乱,发动机2阶震动过大,产生巨大噪音,实际省油效果可以忽略不计。

随着技术进步,目前的可变排量技术已经采用断油配合着断气的方法,其中断气主要有两种策略,如图2所示。图2左图为电磁阀通过凸轮轴上的斜槽结构,可以让凸轮轴左右移动,档位移到途中粉色低角度时,凸轮不会触及气门,气门不会打开,形成闭缸;图2右图中正常工况下摇臂内塞柱联通,从而控制气门开闭,当需要断气时,通过液压使塞柱断开,从而进排气门停止工作,形成闭缸。其中,这两种方案都在不断进化,已经衍生出可变气门角度、升程等技术这里不做探讨。

进排气门两种断气方案

图2 进排气门两种断气方案

其工作原理如图3所示,根据输出扭矩的需要,匹配合适的排气量,在需要的工况下,让部分气缸停止工作,提高燃油经济性。图4为某款发动机可变排量效果示意图,从图中可以看出在低扭矩、低转速下,通过气缸停止技术,可以降低燃油消耗率,理论上可以节约20%的到30%。

可变排量工作原理

图3 可变排量工作原理

可变排量效果示意图

图4 可变排量效果示意图

目前典型使用可变排量技术的发动机有凯迪拉克的CT6上使用的3.0T发动机(图5),和奥迪S6上的4.0TFSI发动机(图6)。它们可以实现在低负荷下关闭两个或者3个气缸,将需要释放的负荷增加到其余气缸中,提高其他4个或3个气缸的进气量,提升了它们的工作效率,既满足了驾驶所需要的动力,又提高了燃油经济性。根据报道,在等速巡航中,可以节约10%到20%的燃油。其具体的运行模式为,在中低速的定速巡航或者发动机低负荷需求时3个气缸工作,提高燃油经济性;在部分中等加速、高速巡航和缓坡行驶工况下4个气缸工作,达到动力和燃油经济性的协调;在加速或者低挡爬坡等需要大扭矩时6缸工作,力求保证性能输出;由于3缸或4缸工作时,发动机平顺性不佳,即使在拥有平衡轴下,震动也较难以抑制,为了保证商品性,在发动机启动和怠速工况下,是不会使用可变排量技术的。

凯迪拉克LGW3.0双涡轮增压发动机

图5 凯迪拉克LGW3.0双涡轮增压发动机

奥迪4.0TFSI双涡轮增压发动机

图6奥迪4.0TFSI双涡轮增压发动机


责任编辑:可变排量技术

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