全球汽車油耗和排放法規(guī)日趨嚴(yán)苛，目前各大車企和零部件企業(yè)又將動態(tài)停缸技術(shù)提上研發(fā)日程，使用氣缸停用策略減少節(jié)氣門或泵氣損失為進一步減少燃料消耗和二氧化碳排放提供了機會，但是其最主要的挑戰(zhàn)是發(fā)動機因停缸導(dǎo)致的振動等NVH品質(zhì)惡化，本文介紹了先進的發(fā)動機動態(tài)停缸及優(yōu)化NVH技術(shù)。

圖1 先進的發(fā)動機動態(tài)停缸及優(yōu)化NVH技術(shù)

小型化和降速化是減少燃燒動力車輛的燃料消耗和二氧化碳排放特別有前景的方法之一，這反映在當(dāng)前動力總成的發(fā)展。為保持熱力學(xué)的原因，單個氣缸容量為400至500cm3的最佳氣缸容量值減少的幅度是特別有限的。在實踐中，這意味著減少氣缸數(shù)，同時增加進氣和燃油充量水平可保持與排量更大的發(fā)動機具有相同的扭矩。這些停缸技術(shù)發(fā)展趨勢導(dǎo)致更大的傳動系統(tǒng)扭震激勵，且又導(dǎo)致在較低的頻率下更難克服的振幅增加，因此需要優(yōu)化阻尼系統(tǒng)以確保車輛的NVH行為沒有不利影響。舍弗勒研發(fā)了一套包括一個雙質(zhì)量飛輪(DMF)以及使用附加的匹配發(fā)動機的振動激勵順序的離心擺式吸收器(CPA)組成的系統(tǒng)，可以在發(fā)動機全速范圍有效發(fā)揮吸收器效應(yīng)。離心擺式吸收器也用于充油液力變矩器，以支持阻尼系統(tǒng)對離合器鎖止的減震隔離效果。此外，采用DMF的長行程阻尼器原理，用于隔離前端附件驅(qū)動的振動，以減少皮帶中的動態(tài)載荷。

1、動態(tài)停缸原理 

幾乎所有汽缸停用系統(tǒng)當(dāng)前使用的技術(shù)手段為中斷氣缸內(nèi)的燃油噴射或點火停用以及禁用閥門。這樣可以更好地使用剩余點火氣缸中的熱力學(xué)勢，同時減少發(fā)動機內(nèi)部發(fā)生的損失。該解決方案目前正在用于四到十二缸的發(fā)動機。調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，即使在小型化的三缸發(fā)動機上也可以通過暫時停用汽缸來進一步減少油耗。

對于給定的性能要求，仍在運行的氣缸停缸后必須采取增加停用氣缸的功，因此會產(chǎn)生指示平均壓力的增加。在更高的負(fù)荷所需大量的空氣進入剩余的活動氣缸時需要更寬的節(jié)氣門打開，從而減少泵氣損失并提高燃燒效率。對于1.4L的四缸發(fā)動機負(fù)荷點移動趨勢，如圖2左圖所示。

圖2 動態(tài)停缸技術(shù)實現(xiàn)工況轉(zhuǎn)移和節(jié)能潛力

停缸策略可以按剩余在停用氣缸的氣體種類（廢氣、新鮮空氣或真空）確定。滯留在在停用汽缸中氣體充當(dāng)了“氣彈簧”，因此必須考慮到其額外的影響。當(dāng)燃后排氣滯留在汽缸，氣體熱量會導(dǎo)致氣缸冷卻更慢，這在重新激活氣缸時具有優(yōu)勢，但是會導(dǎo)致大體積的高溫高壓廢氣在停用的氣缸中對曲軸的不規(guī)則動作產(chǎn)生影響，也會增加摩擦損失和氣缸壁熱量損失；直噴發(fā)動機系統(tǒng)一般是沒有燃料的新鮮空氣滯留在停用汽缸。在這種情況下，燃燒室中的空氣會很快失去氣流運動和湍動能。這阻礙了停用氣缸的重新激活，因為燃燒在很大程度上取決于混合氣流的準(zhǔn)備和氣流的湍流運動；在第三種停用模式下，停用汽缸呈“真空”狀態(tài)，氣體被排出后進氣閥門不再打開。迄今為止，這個選項是不用于批量發(fā)動機生產(chǎn)，因為潤滑油由于真空度被吸入燃燒室氣缸內(nèi)，存在汽缸重新被激活時存在被污染的風(fēng)險。

在目前生產(chǎn)的發(fā)動機中，定義的一組氣缸以準(zhǔn)靜態(tài)的方式被停用。舍弗勒是目前正在研究一個概念三缸發(fā)動機，待每個氣缸完成一個工作循環(huán)后，每個氣缸在整個工作周期內(nèi)停用下一個周期，然后在后續(xù)循環(huán)重新點火啟用。通過發(fā)動機內(nèi)部的所有氣缸的允許停用范圍實現(xiàn)“滾動”氣缸停用，達(dá)到整個燃燒室均勻的溫度水平和一個均勻間隔的點火間隔停用模式。

2、停用汽缸閥門技術(shù)

出于舒適的原因，切換相位一定不能被駕駛員感受到。這意味著扭矩必須在全引擎模式到停缸模式轉(zhuǎn)換過程中保持平衡。此外，兩種模式過渡之間發(fā)動機必須能夠提供隨時快速響應(yīng)。發(fā)動機控制單元控制的節(jié)流閥位置（氣缸充氣）、點火正時和燃料供給必須滿足實時相應(yīng)跟隨，以防止扭矩波動變化。切換階段必須根據(jù)觸發(fā)程序進行順序控制并且對此動作進行監(jiān)控，因為不正確的切換會對廢氣排放產(chǎn)生顯著影響。

在停用模式下運行期間，發(fā)動機行為變化導(dǎo)致的聲學(xué)和振動激勵增加主要是由于點火間隔的增加和較低激勵頻率。這可能需要修改一些凸輪相位單元、正時驅(qū)動、前端附件以及傳動系統(tǒng)中的扭轉(zhuǎn)減振系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)（聲學(xué)品質(zhì)）和發(fā)動機等組件?？紤]舒適的原因，氣缸停用是經(jīng)常不適用在非常低的發(fā)動機轉(zhuǎn)速下。圖2右圖顯示氣缸停用在典型1.4L四缸發(fā)動機的運行范圍以及可能的相關(guān)節(jié)能潛力。

圖3 實現(xiàn)停缸技術(shù)的執(zhí)行機構(gòu)

技術(shù)上可以實現(xiàn)在相對適度成本條件下的汽缸閥門停止運動。從技術(shù)原理上，此功能可以通過以下組件實現(xiàn)：

--可切換的指型從動件

--可操縱的樞軸單元

--全可變電動液壓氣門機構(gòu)系統(tǒng)（UniAir）。

基于解決方案的可切換指型從動件帶有兩個手指從動件或鉸鏈桿可以耦合設(shè)計，并且有一個相互的樞軸點在一側(cè)，鎖定機構(gòu)在另一側(cè)，圖3（左側(cè)）。兩個單獨的從動件都與失位彈簧連接，該失位彈簧將停用的組件返回到凸輪提升后的起始位置。液壓換檔機構(gòu)有一個“無壓力鎖定”設(shè)計，使整個閥門完成整個氣閥行程即使沒有油壓。這保障在跛行模式下和冷啟動過程中正常運行。與標(biāo)準(zhǔn)氣門機構(gòu)的維度相似，將可切換的指型從動件集成到現(xiàn)有的發(fā)動機設(shè)計可以相對容易實現(xiàn)?？刹倏v的樞軸單元也可以被停用，這樞軸的內(nèi)部元素可以伸縮折疊進入外部。失位彈簧或彈簧組件也需要返回內(nèi)部將零件移動到其起始位置；預(yù)設(shè)油壓為機構(gòu)的運動提供動力。但可操縱的樞軸單元需要更多氣缸蓋中的垂直空間，這經(jīng)常導(dǎo)致與進氣口和排氣口的封裝產(chǎn)生干涉。

圖4 全可變電動液壓氣門機構(gòu)系統(tǒng)（UniAir）

采用全可變電動液壓氣門機構(gòu)系統(tǒng)（UniAir），如圖4所示，不僅允許每個單獨氣缸的閥門沖程和開啟/關(guān)閉周期設(shè)計為完全可變的，也允許閥門作為逐缸停用的基礎(chǔ)。根據(jù)需要的氣缸停用是通過執(zhí)行系統(tǒng)的集成開關(guān)閥門實現(xiàn)的。在建立的液壓橋路設(shè)計基礎(chǔ)上，兩者閥門同時啟動，因此在停用模式期間，兩個閥門均關(guān)閉。如果UniAir安裝在僅進氣側(cè)，可以將其與可切換組件在排氣側(cè)結(jié)合使用。

3、動態(tài)停缸的阻尼系統(tǒng)

在三缸發(fā)動機上運行兩缸技術(shù)（停止一缸運行）在振動方面要求很高，而就閥門控制而言在發(fā)動機側(cè)進行經(jīng)濟高效的切換是可行的，由于不均勻的發(fā)射間隔導(dǎo)致主要振動激勵處于非常低頻量級為0.5。圖5顯示了一個經(jīng)過適當(dāng)優(yōu)化的更復(fù)雜的阻尼系統(tǒng)由雙質(zhì)量飛輪DMF組成具有多級特性，扭轉(zhuǎn)阻尼離合器盤和額外完整的離心擺式吸收器CPA。

圖5 優(yōu)化振動阻尼系統(tǒng)

在六缸發(fā)動機中，除了一半的常規(guī)停用氣缸，舍弗勒正在研究順序停缸最初是四個，另外一步只有兩個氣缸（發(fā)動機扭矩要求非常低）處于活動狀態(tài)（SCD4/6和2/6）。在這種配置中，按照主要順序進行激發(fā)，都使用離心擺式吸收器CPA來抑制與第一個順序相匹配發(fā)動機轉(zhuǎn)速。CPA的使用可以使兩種停用模式下發(fā)動機運行進一步降低油耗和保持舒適的NVH水平。為了部署氣缸停用技術(shù)在三缸小型發(fā)動機上的應(yīng)用，舍弗勒正在研究滾動氣缸停用(RCD1.5/3)技術(shù)，相比常見的準(zhǔn)靜態(tài)氣缸停用(CDA2/3)可以提供更直接的扭震控制與傳動系統(tǒng)中的振動。在六缸發(fā)動機中具有順序氣缸停用，兩種不同的點火間隔也會發(fā)生，而順序僅在曲軸旋轉(zhuǎn)一圈后重復(fù)。主要振動激勵發(fā)生在兩個SCD4/6和SCD2/6模式，通過使用離心擺式吸收器CPA消除了發(fā)動轉(zhuǎn)速導(dǎo)致的一階振動。

圖6 不同停缸工作模式下的數(shù)值模擬

4、技術(shù)展望

氣缸停用很可能在小型發(fā)動機中變得越來越重要，有些發(fā)動機只有三個氣缸。因為增加扭轉(zhuǎn)振動激勵與氣缸停用有關(guān)，適當(dāng)優(yōu)化的扭轉(zhuǎn)減振器系統(tǒng)必須被更頻繁地使用，特別是針對相當(dāng)大的較低的激勵頻率。一個更有利的扭轉(zhuǎn)振動激勵可以通過使用滾動模式來實現(xiàn)氣缸停用RCD1.5/3。目前，一些企業(yè)研發(fā)部門開展了發(fā)動機的點火順序和相關(guān)的阻尼系統(tǒng)優(yōu)化工作。這些設(shè)計通常有離心擺式吸收器(CPA)吸收順序調(diào)整到主要氣缸停用操作中的振動激勵。創(chuàng)新的順序氣缸停用運行模式現(xiàn)在可用于六缸發(fā)動機，包括取決于實際扭矩需求的運行所有六個氣缸、四個汽缸（SCD4/6)或者在最后階段只有兩個主動氣缸(SCD2/6)。