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內(nèi)燃機(jī)電氣化之停缸技術(shù)

2019-04-28 15:33:45·  來源：內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)  
　
內(nèi)燃機(jī)電氣化之停缸技術(shù)停缸技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)降低發(fā)動(dòng)機(jī)油耗：停缸是可變排量技術(shù)的一種方式，為了方便分析停缸前后不同有效排量之間的性能差別，需要使用平均有效壓力
內(nèi)燃機(jī)電氣化之停缸技術(shù)
 
停缸技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)
 
降低發(fā)動(dòng)機(jī)油耗：停缸是可變排量技術(shù)的一種方式，為了方便分析停缸前后不同有效排量之間的性能差別，需要使用平均有效壓力這一參數(shù)。平均有效壓力是指單位氣缸工作容積發(fā)出的有效功，是將不同排量發(fā)動(dòng)機(jī)之間動(dòng)力性比較的重要指標(biāo)。根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)原理，對(duì)與四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)來說，平均有效壓力（ BMEP ）與發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩（ Ttq ）之間數(shù)學(xué)關(guān)系如下：
    
以某四缸發(fā)動(dòng)機(jī)為例，在某一檔位的車速下，四缸全部工作時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況點(diǎn) A 點(diǎn)（ 2000rpm ， BMEP=3bar ， BSFC=320g/kW·h ）。停 2 缸后，為了滿足發(fā)動(dòng)機(jī)需求，發(fā)動(dòng)機(jī)單個(gè)缸的平均有效壓力需要提升為原來的 2 倍，即停缸后發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況點(diǎn)將切換到 B 點(diǎn)（ 2000rpm ， BMEP=6bar ， BSFC=269g/kW·h ），相對(duì) A 點(diǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗率降低 16% 。   
 
提高后處理轉(zhuǎn)化效率：該優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在柴油機(jī)上，因?yàn)槠蜋C(jī)廣泛采用三效催化器，汽油器冷啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)，大約一分鐘的時(shí)間就可以使排氣溫度達(dá)到三效催化器的起活溫度，因此控制排氣溫度對(duì)于三效催化器效率的提升作用不明顯。但是對(duì)于柴油機(jī)而言，目前采用的后處理系統(tǒng)大部分都為 SCR+DPF 后處理系統(tǒng)，其中 SCR 起活溫度的要求較高，柴油機(jī)在部分小負(fù)荷工況下排氣溫度低于 SCR 起活溫度，這使得 NOx 催化轉(zhuǎn)化效率降低。通過停缸技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)將柴油機(jī)工作點(diǎn)由小負(fù)荷轉(zhuǎn)變?yōu)橹写筘?fù)荷，這可以提升排氣溫度，從而使該溫度達(dá)到 SCR 系統(tǒng)高效催化的溫度區(qū)間。另一方面，柴油機(jī)需要定期進(jìn)行 DPF 再生，以清潔 DPF 中存儲(chǔ)的積炭，該過程的工作溫度為 500-600℃ 。通過停缸技術(shù)能夠提高排氣溫度，提升主被動(dòng)再生效率。

DSF技術(shù)
 
目前應(yīng)用最廣泛的停缸技術(shù)大部分都依賴動(dòng)態(tài)跳火技術(shù)（Dynamic Skip Fire）來實(shí)現(xiàn)。圖1為動(dòng)態(tài)跳火技術(shù)示意圖，圖中綠色的線為扭矩需求線，為了應(yīng)對(duì)不同的扭矩需求，對(duì)四個(gè)氣缸進(jìn)行了動(dòng)態(tài)跳火控制，其中紅色的缸為發(fā)火缸，灰色的缸表示?；鸶祝{(lán)色的線表示發(fā)火脈沖間隔角。隨著扭矩的增加發(fā)火的缸數(shù)增加，發(fā)火脈沖間隔角變短。當(dāng)扭矩需求為零或者是回饋制動(dòng)工況時(shí)，沒有缸發(fā)火，稱為減速停缸。
圖1 動(dòng)態(tài)跳火技術(shù)示意圖
    
TULA研發(fā)的動(dòng)態(tài)跳火技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于德爾福發(fā)動(dòng)機(jī)，該技術(shù)能夠精確控制發(fā)火的缸數(shù)，從而滿足用于對(duì)于扭矩和功率的需求。當(dāng)電控系統(tǒng)依據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況確定需要停缸時(shí)，會(huì)同時(shí)關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣門以及排氣門，這樣?；鸬母變?nèi)有一部分殘余氣體，可以保證連桿不受交變應(yīng)力。為了避免出現(xiàn)共振現(xiàn)象，需要對(duì)?；鸬母拙_計(jì)算，同時(shí)還需要兼顧NVH。應(yīng)用該技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)減少7-15%二氧化碳排放，提升燃油經(jīng)濟(jì)性10-20%。
    
圖2為該技術(shù)的硬件結(jié)構(gòu)圖。從圖中可看出，動(dòng)態(tài)跳火實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵是氣門開閉的控制，滾輪手指挺桿具體的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。當(dāng)該缸處于發(fā)火狀態(tài)時(shí)，鎖閉銷處于下止點(diǎn)的位置，成為滾輪手指挺桿受力支點(diǎn)，凸輪旋轉(zhuǎn)使?jié)L動(dòng)手指挺桿受力，帶動(dòng)氣門閥桿向下運(yùn)動(dòng)。當(dāng)該缸處于?；馉顟B(tài)時(shí)，鎖閉銷處于上止點(diǎn)的位置，這時(shí)滾動(dòng)手指挺桿沒有受力支點(diǎn)，凸輪旋轉(zhuǎn)時(shí)滾動(dòng)手指挺桿以氣門閥桿頂端為支點(diǎn)擺動(dòng)，無法帶動(dòng)氣門閥桿向下運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)氣門關(guān)閉。鎖閉銷是依靠液壓機(jī)構(gòu)來驅(qū)動(dòng)的。工作原理見視頻1。    
圖2 TULA動(dòng)態(tài)跳火硬件結(jié)構(gòu)示意圖      
 
圖3為馬自達(dá)公司實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)跳火硬件結(jié)構(gòu)圖，該機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵在HLA（Hydraulic Lash Adjusters）系統(tǒng)，當(dāng)鎖閉銷處于鎖死的位置時(shí)，HLA系統(tǒng)成為了氣門閥桿運(yùn)動(dòng)的支點(diǎn)，凸輪旋轉(zhuǎn)使氣門閥桿向下運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)氣門的打開。當(dāng)鎖閉銷處于復(fù)位點(diǎn)時(shí)，氣門閥桿成為了HLA系統(tǒng)向下運(yùn)動(dòng)的支點(diǎn)。凸輪旋轉(zhuǎn)使HLA系統(tǒng)連桿部分向下運(yùn)動(dòng)。此時(shí)氣門處于關(guān)閉的狀態(tài)。具體工作原理見視頻2。
圖3 馬自達(dá)公司的動(dòng)態(tài)跳火硬件結(jié)構(gòu)圖
 
DSF技術(shù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響
 
圖4為停缸密度對(duì)BSFC的影響，停缸密度定義為停止發(fā)火的缸數(shù)與總缸數(shù)的比值。從圖中可以看出，不同轉(zhuǎn)速下，隨著停缸數(shù)量的增加，BSFC的降幅升高，最高可降低24%，其中轉(zhuǎn)速越高，BSFC的降幅越大。圖5為停缸密度對(duì)渦后溫度的影響，從圖中可以看出，隨著停缸數(shù)量的增加，渦后溫度逐漸升高，轉(zhuǎn)速越高渦后溫度的增幅越大，最高可達(dá)43%。
圖4 停缸密度對(duì)BSFC的影響
圖5 停缸密度對(duì)渦后溫度的影響
    圖6為停缸工況與原始發(fā)動(dòng)機(jī)能量分布對(duì)比圖，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為2000r/min，BMEP為2bar。從圖中可以看出，散熱損失和泵氣損失的減少有效功以及廢氣能量提升的關(guān)鍵。泵氣損失的減少有兩方面的原因，第一個(gè)是節(jié)氣門開度變大（如沒有節(jié)氣門則沒有該原因），由于負(fù)荷增大，使節(jié)氣門開度變大，從而減少泵氣損失；第二個(gè)是進(jìn)排氣閥關(guān)閉，使流過進(jìn)排氣氣閥的氣體量減少，從而使得泵氣損失減少。
圖6 停缸工況與原始發(fā)動(dòng)機(jī)能量分布對(duì)比圖
    
圖7為應(yīng)用DSF技術(shù)的車輛在WLTC以及RDE工況下CO2和NOx排放對(duì)比圖，從圖中可以看出對(duì)于SUV車輛而言，應(yīng)用DSF策略的效果略差于轎車，這是因?yàn)镾UV車輛車身較重，使得發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行與大負(fù)荷工況的比例要高于轎車。但是在RDE工況下，采用DSF策略能夠大幅降低NOx排放，其中SUV車輛降低了5.2%，轎車降低了14%。這主要是由于RDE工況的平均負(fù)載低于WLTC工況，從而使DSF技術(shù)發(fā)揮出大的優(yōu)勢(shì)。
圖7 應(yīng)用DSF策略的車輛在WLTC以及RDE工況下CO2和NOx排放對(duì)比

總結(jié)
停缸技術(shù)能夠解決小負(fù)荷燃油經(jīng)濟(jì)性差以及排氣溫度低的問題，但是不太適用于大負(fù)荷工況，優(yōu)化DSF技術(shù)能夠提升發(fā)動(dòng)機(jī)的綜合熱效率。
 
參考文獻(xiàn)：
[1]李丹,李小堅(jiān).停缸技術(shù)節(jié)油分析[J].汽車實(shí)用技術(shù),2018(17):116-117.
[2]Scassa M, George S, Nencioni M, et al. Dynamic Skip Fire Applied to a Diesel Engine for Improved Fuel Consumption and Emissions[R]. SAE Technical Paper, 2019.
[3]https://www.delphi.com/dynamic-skip-fire-1 
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