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来源:内燃机学

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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