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内燃机电气化之停缸技术

2019-04-28 15:33:45·  来源：内燃机学报  
　
内燃机电气化之停缸技术停缸技术的优点降低发动机油耗：停缸是可变排量技术的一种方式，为了方便分析停缸前后不同有效排量之间的性能差别，需要使用平均有效压力
内燃机电气化之停缸技术
 
停缸技术的优点
 
降低发动机油耗：停缸是可变排量技术的一种方式，为了方便分析停缸前后不同有效排量之间的性能差别，需要使用平均有效压力这一参数。平均有效压力是指单位气缸工作容积发出的有效功，是将不同排量发动机之间动力性比较的重要指标。根据发动机原理，对与四冲程发动机来说，平均有效压力（ BMEP ）与发动机扭矩（ Ttq ）之间数学关系如下：
    
以某四缸发动机为例，在某一档位的车速下，四缸全部工作时发动机运行工况点 A 点（ 2000rpm ， BMEP=3bar ， BSFC=320g/kW·h ）。停 2 缸后，为了满足发动机需求，发动机单个缸的平均有效压力需要提升为原来的 2 倍，即停缸后发动机运行工况点将切换到 B 点（ 2000rpm ， BMEP=6bar ， BSFC=269g/kW·h ），相对 A 点发动机燃油消耗率降低 16% 。   
 
提高后处理转化效率：该优势主要体现在柴油机上，因为汽油机广泛采用三效催化器，汽油器冷启动运行时，大约一分钟的时间就可以使排气温度达到三效催化器的起活温度，因此控制排气温度对于三效催化器效率的提升作用不明显。但是对于柴油机而言，目前采用的后处理系统大部分都为 SCR+DPF 后处理系统，其中 SCR 起活温度的要求较高，柴油机在部分小负荷工况下排气温度低于 SCR 起活温度，这使得 NOx 催化转化效率降低。通过停缸技术，能够实现将柴油机工作点由小负荷转变为中大负荷，这可以提升排气温度，从而使该温度达到 SCR 系统高效催化的温度区间。另一方面，柴油机需要定期进行 DPF 再生，以清洁 DPF 中存储的积炭，该过程的工作温度为 500-600℃ 。通过停缸技术能够提高排气温度，提升主被动再生效率。

DSF技术
 
目前应用最广泛的停缸技术大部分都依赖动态跳火技术（Dynamic Skip Fire）来实现。图1为动态跳火技术示意图，图中绿色的线为扭矩需求线，为了应对不同的扭矩需求，对四个气缸进行了动态跳火控制，其中红色的缸为发火缸，灰色的缸表示停火缸，蓝色的线表示发火脉冲间隔角。随着扭矩的增加发火的缸数增加，发火脉冲间隔角变短。当扭矩需求为零或者是回馈制动工况时，没有缸发火，称为减速停缸。
图1 动态跳火技术示意图
    
TULA研发的动态跳火技术已经应用于德尔福发动机，该技术能够精确控制发火的缸数，从而满足用于对于扭矩和功率的需求。当电控系统依据发动机运行工况确定需要停缸时，会同时关闭发动机的进气门以及排气门，这样停火的缸内有一部分残余气体，可以保证连杆不受交变应力。为了避免出现共振现象，需要对停火的缸精确计算，同时还需要兼顾NVH。应用该技术能够实现减少7-15%二氧化碳排放，提升燃油经济性10-20%。
    
图2为该技术的硬件结构图。从图中可看出，动态跳火实现的关键是气门开闭的控制，滚轮手指挺杆具体的执行机构。当该缸处于发火状态时，锁闭销处于下止点的位置，成为滚轮手指挺杆受力支点，凸轮旋转使滚动手指挺杆受力，带动气门阀杆向下运动。当该缸处于停火状态时，锁闭销处于上止点的位置，这时滚动手指挺杆没有受力支点，凸轮旋转时滚动手指挺杆以气门阀杆顶端为支点摆动，无法带动气门阀杆向下运动，从而实现气门关闭。锁闭销是依靠液压机构来驱动的。工作原理见视频1。    
图2 TULA动态跳火硬件结构示意图      
 
图3为马自达公司实现动态跳火硬件结构图，该机构实现的关键在HLA（Hydraulic Lash Adjusters）系统，当锁闭销处于锁死的位置时，HLA系统成为了气门阀杆运动的支点，凸轮旋转使气门阀杆向下运动，实现气门的打开。当锁闭销处于复位点时，气门阀杆成为了HLA系统向下运动的支点。凸轮旋转使HLA系统连杆部分向下运动。此时气门处于关闭的状态。具体工作原理见视频2。
图3 马自达公司的动态跳火硬件结构图
 
DSF技术对发动机性能的影响
 
图4为停缸密度对BSFC的影响，停缸密度定义为停止发火的缸数与总缸数的比值。从图中可以看出，不同转速下，随着停缸数量的增加，BSFC的降幅升高，最高可降低24%，其中转速越高，BSFC的降幅越大。图5为停缸密度对涡后温度的影响，从图中可以看出，随着停缸数量的增加，涡后温度逐渐升高，转速越高涡后温度的增幅越大，最高可达43%。
图4 停缸密度对BSFC的影响
图5 停缸密度对涡后温度的影响
    图6为停缸工况与原始发动机能量分布对比图，发动机转速为2000r/min，BMEP为2bar。从图中可以看出，散热损失和泵气损失的减少有效功以及废气能量提升的关键。泵气损失的减少有两方面的原因，第一个是节气门开度变大（如没有节气门则没有该原因），由于负荷增大，使节气门开度变大，从而减少泵气损失；第二个是进排气阀关闭，使流过进排气气阀的气体量减少，从而使得泵气损失减少。
图6 停缸工况与原始发动机能量分布对比图
    
图7为应用DSF技术的车辆在WLTC以及RDE工况下CO2和NOx排放对比图，从图中可以看出对于SUV车辆而言，应用DSF策略的效果略差于轿车，这是因为SUV车辆车身较重，使得发动机运行与大负荷工况的比例要高于轿车。但是在RDE工况下，采用DSF策略能够大幅降低NOx排放，其中SUV车辆降低了5.2%，轿车降低了14%。这主要是由于RDE工况的平均负载低于WLTC工况，从而使DSF技术发挥出大的优势。
图7 应用DSF策略的车辆在WLTC以及RDE工况下CO2和NOx排放对比

总结
停缸技术能够解决小负荷燃油经济性差以及排气温度低的问题，但是不太适用于大负荷工况，优化DSF技术能够提升发动机的综合热效率。
 
参考文献：
[1]李丹,李小坚.停缸技术节油分析[J].汽车实用技术,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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