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內(nèi)燃機電氣化之停缸技術

2019-04-28 15:33:45·  來源：內(nèi)燃機學報  
　
內(nèi)燃機電氣化之停缸技術停缸技術的優(yōu)點降低發(fā)動機油耗：停缸是可變排量技術的一種方式，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)燃機電氣化之停缸技術
 
停缸技術的優(yōu)點
 
降低發(fā)動機油耗：停缸是可變排量技術的一種方式，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)動機之間動力性比較的重要指標。根據(jù)發(fā)動機原理，對與四沖程發(fā)動機來說，平均有效壓力（ BMEP ）與發(fā)動機扭矩（ Ttq ）之間數(shù)學關系如下：
    
以某四缸發(fā)動機為例，在某一檔位的車速下，四缸全部工作時發(fā)動機運行工況點 A 點（ 2000rpm ， BMEP=3bar ， BSFC=320g/kW·h ）。停 2 缸后，為了滿足發(fā)動機需求，發(fā)動機單個缸的平均有效壓力需要提升為原來的 2 倍，即停缸后發(fā)動機運行工況點將切換到 B 點（ 2000rpm ， BMEP=6bar ， BSFC=269g/kW·h ），相對 A 點發(fā)動機燃油消耗率降低 16% 。   
 
提高后處理轉(zhuǎn)化效率：該優(yōu)勢主要體現(xiàn)在柴油機上，因為汽油機廣泛采用三效催化器，汽油器冷啟動運行時，大約一分鐘的時間就可以使排氣溫度達到三效催化器的起活溫度，因此控制排氣溫度對于三效催化器效率的提升作用不明顯。但是對于柴油機而言，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，柴油機在部分小負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，能夠?qū)崿F(xiàn)將柴油機工作點由小負荷轉(zhuǎn)變?yōu)橹写筘摵?，這可以提升排氣溫度，從而使該溫度達到 SCR 系統(tǒng)高效催化的溫度區(qū)間。另一方面，柴油機需要定期進行 DPF 再生，以清潔 DPF 中存儲的積炭，該過程的工作溫度為 500-600℃ 。通過停缸技術能夠提高排氣溫度，提升主被動再生效率。

DSF技術
 
目前應用最廣泛的停缸技術大部分都依賴動態(tài)跳火技術（Dynamic Skip Fire）來實現(xiàn)。圖1為動態(tài)跳火技術示意圖，圖中綠色的線為扭矩需求線，為了應對不同的扭矩需求，對四個氣缸進行了動態(tài)跳火控制，其中紅色的缸為發(fā)火缸，灰色的缸表示停火缸，藍色的線表示發(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。當扭矩需求為零或者是回饋制動工況時，沒有缸發(fā)火，稱為減速停缸。
圖1 動態(tài)跳火技術示意圖
    
TULA研發(fā)的動態(tài)跳火技術已經(jīng)應用于德爾福發(fā)動機，該技術能夠精確控制發(fā)火的缸數(shù)，從而滿足用于對于扭矩和功率的需求。當電控系統(tǒng)依據(jù)發(fā)動機運行工況確定需要停缸時，會同時關閉發(fā)動機的進氣門以及排氣門，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力。為了避免出現(xiàn)共振現(xiàn)象，需要對停火的缸精確計算，同時還需要兼顧NVH。應用該技術能夠?qū)崿F(xiàn)減少7-15%二氧化碳排放，提升燃油經(jīng)濟性10-20%。
    
圖2為該技術的硬件結(jié)構(gòu)圖。從圖中可看出，動態(tài)跳火實現(xiàn)的關鍵是氣門開閉的控制，滾輪手指挺桿具體的執(zhí)行機構(gòu)。當該缸處于發(fā)火狀態(tài)時，鎖閉銷處于下止點的位置，成為滾輪手指挺桿受力支點，凸輪旋轉(zhuǎn)使?jié)L動手指挺桿受力，帶動氣門閥桿向下運動。當該缸處于?；馉顟B(tài)時，鎖閉銷處于上止點的位置，這時滾動手指挺桿沒有受力支點，凸輪旋轉(zhuǎn)時滾動手指挺桿以氣門閥桿頂端為支點擺動，無法帶動氣門閥桿向下運動，從而實現(xiàn)氣門關閉。鎖閉銷是依靠液壓機構(gòu)來驅(qū)動的。工作原理見視頻1。    
圖2 TULA動態(tài)跳火硬件結(jié)構(gòu)示意圖      
 
圖3為馬自達公司實現(xiàn)動態(tài)跳火硬件結(jié)構(gòu)圖，該機構(gòu)實現(xiàn)的關鍵在HLA（Hydraulic Lash Adjusters）系統(tǒng)，當鎖閉銷處于鎖死的位置時，HLA系統(tǒng)成為了氣門閥桿運動的支點，凸輪旋轉(zhuǎn)使氣門閥桿向下運動，實現(xiàn)氣門的打開。當鎖閉銷處于復位點時，氣門閥桿成為了HLA系統(tǒng)向下運動的支點。凸輪旋轉(zhuǎn)使HLA系統(tǒng)連桿部分向下運動。此時氣門處于關閉的狀態(tài)。具體工作原理見視頻2。
圖3 馬自達公司的動態(tài)跳火硬件結(jié)構(gòu)圖
 
DSF技術對發(fā)動機性能的影響
 
圖4為停缸密度對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43%。
圖4 停缸密度對BSFC的影響
圖5 停缸密度對渦后溫度的影響
    圖6為停缸工況與原始發(fā)動機能量分布對比圖，發(fā)動機轉(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鍵。泵氣損失的減少有兩方面的原因，第一個是節(jié)氣門開度變大（如沒有節(jié)氣門則沒有該原因），由于負荷增大，使節(jié)氣門開度變大，從而減少泵氣損失；第二個是進排氣閥關閉，使流過進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)動機能量分布對比圖
    
圖7為應用DSF技術的車輛在WLTC以及RDE工況下CO2和NOx排放對比圖，從圖中可以看出對于SUV車輛而言，應用DSF策略的效果略差于轎車，這是因為SUV車輛車身較重，使得發(fā)動機運行與大負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工況的平均負載低于WLTC工況，從而使DSF技術發(fā)揮出大的優(yōu)勢。
圖7 應用DSF策略的車輛在WLTC以及RDE工況下CO2和NOx排放對比

總結(jié)
停缸技術能夠解決小負荷燃油經(jīng)濟性差以及排氣溫度低的問題，但是不太適用于大負荷工況，優(yōu)化DSF技術能夠提升發(fā)動機的綜合熱效率。
 
參考文獻：
[1]李丹,李小堅.停缸技術節(jié)油分析[J].汽車實用技術,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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