錢國剛，吳迪，秦宏宇，陳豪，Robert Wang

(1.中國汽車技術(shù)研究中心有限公司，天津 300300；2.Tula Technology Inc.,San Jose CA 95131)

汽車運(yùn)行時發(fā)動機(jī)負(fù)荷率隨著行駛工況而變化。怠速、減速、勻速(含a<0.15 m/s2微加速狀態(tài))等負(fù)荷率較低的時段在我國輕型乘用車代表性行駛工況[1]里合計權(quán)重76.7%，停缸(閉缸)、怠速起停、滑行等節(jié)油技術(shù)適合此時運(yùn)用。分解看，除了22%的怠速時段、少許急減速時段，停缸技術(shù)可望在30%～40%時段里擇機(jī)間歇作動，以實現(xiàn)節(jié)油的目的。

美國統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，近3年停缸技術(shù)在皮卡領(lǐng)域滲透率達(dá)22%～32%，在輕型乘用車市場滲透率達(dá)2%[2]，相關(guān)廠家有本田、通用、大眾、FCA等。

當(dāng)前停缸技術(shù)普遍應(yīng)用了閉缸手段，即關(guān)閉目標(biāo)缸的進(jìn)氣門和排氣門，泵氣損失得以減少，其余氣缸單缸載荷增大則改善了燃油效率[2]。凸輪軸與氣缸氣門之間連接的中斷/變更方式有多種：通用的DOD、克萊斯勒的MDS、本田的VCM、大眾的主動氣缸管理系統(tǒng)、馬自達(dá)的可變氣缸技術(shù)以及奔馳的可變排量技術(shù)等。多數(shù)技術(shù)路線把停缸規(guī)定在局部氣缸，例如V8發(fā)動機(jī)在第2，3，5，8號缸，V6發(fā)動機(jī)在某側(cè)的3個氣缸，直4發(fā)動機(jī)在第 2，3號缸。該技術(shù)路線節(jié)油率估值為3.9%～5.3%[2]，但也伴隨了缸體缸間溫度差別、泵吸機(jī)油風(fēng)險、動力系統(tǒng)振動顯著以及排氣尾管噪聲等弊端。

1 DSF動態(tài)停缸技術(shù)

與局部停缸技術(shù)相比，動態(tài)跳躍點火技術(shù)可操控性更優(yōu)。動態(tài)跳躍點火(DSF)為一項全可變停缸技術(shù)(fully-variable engine cylinder deactivation technology)，發(fā)動機(jī)的每一個氣缸都可以執(zhí)行停缸操作，配以適當(dāng)?shù)目刂撇呗?，DSF技術(shù)可以規(guī)避局部氣缸技術(shù)路線中存在的問題。近5年，該技術(shù)發(fā)展日益成熟。GM和Tula聯(lián)合開發(fā)的采用動態(tài)跳躍點火技術(shù)的V8發(fā)動機(jī)已在美國版2019年型索羅德(Chevrolet Silverado)上使用。

1.1 執(zhí)行部件構(gòu)造

系統(tǒng)執(zhí)行部件的核心器件為液壓控制的可變滾子搖臂，其構(gòu)造及原理見圖1。每個進(jìn)排氣門各安排一只搖臂。在其連接銷處于右圖零升程模式時，進(jìn)氣門和排氣門保持關(guān)閉且沒有燃油噴射，實現(xiàn)停缸；處于全升程模式(圖1左)時不停缸。液壓彈簧控制機(jī)構(gòu)操縱連接銷在兩狀態(tài)之間切換。采用此技術(shù)路線的有FEV&Mahle[3-5]，Eaton[6-7]，Schaeffler，Delphi&Tula[8-9]等公司。該器件特點是結(jié)構(gòu)簡單、模塊化設(shè)計、傳動鏈短，與傳統(tǒng)滾子從動件摩擦特性相同，具有維護(hù)便捷、復(fù)雜性低、質(zhì)量輕、成本低等優(yōu)勢。2013年之后多家公司宣稱將響應(yīng)速度改進(jìn)為14 ms乃至8 ms。新品特征是切換銷運(yùn)動方向與搖臂運(yùn)動軸線相垂直。

除可變滾子搖臂外，每個氣缸新增油壓電控閥1只。因此，需在發(fā)動機(jī)氣缸蓋上配置全部氣缸的液壓管道以及電控閥的裝配條件。傳動系統(tǒng)方面，為改善車輛NVH性能，可以加大飛輪尺寸，或采用雙質(zhì)量飛輪和減震離合器盤，或改良半軸。

圖1 DSF搖臂

1.2 節(jié)油機(jī)理及運(yùn)行控制策略

區(qū)別于局部氣缸停缸技術(shù)，動態(tài)跳躍點火技術(shù)可在任一氣缸上實現(xiàn)停缸，兩者的節(jié)油機(jī)理對比見表1。其中，DSF技術(shù)能夠在更廣泛工況實現(xiàn)泵氣損失減少、單缸載荷提高和即刻降扭，切換也更迅捷，進(jìn)而得到更優(yōu)節(jié)油效果。

表1 DSF與局部氣缸技術(shù)的節(jié)油機(jī)理比較

圖2示出某DSF系統(tǒng)信息輸入、流轉(zhuǎn)及決策輸出。選擇發(fā)動機(jī)負(fù)荷較低的工況來實施停缸。中低速時，停缸策略主要兼顧NVH，在扭矩不高于該工況的邊界扭矩Trpm時允許停缸；高速時則主要由執(zhí)行器的反應(yīng)速度決定停缸與否。急加速工況時發(fā)動機(jī)通常處于高負(fù)荷，不停缸；怠速時，若車輛配置了怠速起停功能，則可由怠速停機(jī)功能代替，若無獨(dú)立的怠速起停功能，則可以啟用DSF停缸功能。

各種停缸技術(shù)均應(yīng)當(dāng)規(guī)避可引發(fā)乘員艙轟鳴噪聲的共振點，例如低頻噪聲頻率點附近。與局部氣缸停缸路線相比，DSF技術(shù)可采用主動調(diào)節(jié)各缸點火序列手段來干預(yù)NVH，完成共振的主動抑振，使停缸應(yīng)用比例和停缸數(shù)比局部氣缸停缸技術(shù)更大。

停缸技術(shù)還需與多個方面兼容：一是催化器溫度等指標(biāo)，控制策略應(yīng)防止降到起燃溫度點以下；二是出于熱機(jī)及催化器升溫需求，以及機(jī)油黏度制約，冷起動的前幾十秒不宜停缸。水溫、機(jī)油溫度等邊界條件隨車型而異。

圖2 DSF技術(shù)的控制策略

各缸溫度不均勻是制約傳統(tǒng)的局部氣缸停缸技術(shù)應(yīng)用的主要因素。例如，對于第2，3缸停缸的4缸發(fā)動機(jī)，因第2，3缸產(chǎn)生熱量持續(xù)偏低，發(fā)動機(jī)缸體有變形風(fēng)險。雖然獨(dú)立的冷卻液循環(huán)水路等動態(tài)熱管理方案可緩解熱量不平衡問題，但發(fā)動機(jī)的復(fù)雜程度及成本增加。DSF技術(shù)實施則沒有上述困難。

1.3 可變滾子搖臂設(shè)計

如前所述，可變滾子搖臂技術(shù)能較好地解決缸間溫度均衡問題。除了Tula公司，其他零部件公司也提出基于可變滾子搖臂部件的方案。

1.3.1奇數(shù)氣缸數(shù)方案

與DSF類似，Eaton公司的D-CDA方案也包括可變滾子搖臂和機(jī)油控制閥(OCV)，并增加了雙供油液壓間隙調(diào)節(jié)器。其可變滾子搖臂的構(gòu)造與圖1所示類似[6-7]。

Schaeffler的停缸系統(tǒng)自2015年起裝配在福特1.0 L 3缸發(fā)動機(jī)轎車上，搖臂部件構(gòu)造也類似于圖1。測試了兩種停缸模式，一是單缸停止，二是周轉(zhuǎn)式停缸技術(shù)(“Rolling Cylinder Deactivation”)。周轉(zhuǎn)式停缸實施方式見圖3，氣缸交替進(jìn)入停缸相位，使得扭矩輸出/發(fā)動機(jī)振動的不規(guī)則情況得以緩解。單缸停止的節(jié)油率在3%以上[2]。周轉(zhuǎn)式停缸技術(shù)在發(fā)動機(jī)低轉(zhuǎn)速時效果好，應(yīng)用在小型車低負(fù)載工況時比單缸停止模式節(jié)油1.2%。

采用周轉(zhuǎn)式停缸系統(tǒng)的車輛可通過配置擺式減震器、雙質(zhì)量飛輪和可調(diào)節(jié)離合器片這些隔振措施來應(yīng)對NVH劣化。

圖3 用于3缸機(jī)的周轉(zhuǎn)式停缸技術(shù)

1.3.2可變滾子搖臂

FEV & Mahle在2008年提出了液壓控制可變滾子搖臂[5](見圖4)，其切換銷的往復(fù)運(yùn)動方向平行于搖臂運(yùn)動軸線。2011年及2017年相關(guān)文獻(xiàn)指出其響應(yīng)速度與控制精度不高[3-4]。

圖4 FEV/Mahle的可變滾子搖臂設(shè)計

更早的可變滾子搖臂可追溯到通用公司于1988年公布的專利(專利號CN87102938)，特別的是，該專利所述搖臂由彈簧力和電磁力來控制切換銷的作動。

2 不同工況下DSF技術(shù)的節(jié)油收益

2.1 車輛行駛工況

車輛行駛在負(fù)荷相對較低工況或高速巡航工況時，停缸技術(shù)的作動時機(jī)多，節(jié)油表現(xiàn)就更突出。頻繁加減速的高動態(tài)情況下則作動時機(jī)少。標(biāo)準(zhǔn)《中國汽車行駛工況》已到公開征求意見階段[1]，其中包括乘用車循環(huán)工況CLTC_P。CLTC_P逐秒車速曲線見圖5，分低速、中速、高速3個部分，特征指標(biāo)值見表2。勻速、弱加速部分，及弱減速部分時段可歸類為負(fù)荷相對較低狀況，適合DSF作動。

圖5 CLTC_P工況曲線

表2 CLTC_P工況主要指標(biāo)

2.2 CLTC_P循環(huán)下的停缸收益

節(jié)油收益的首要決定因素是DSF適用工況在全部工況的占比。分析某車在CLTC_P循環(huán)下負(fù)荷相對較低狀況的噴油累計值和占比，可以估計其應(yīng)用DSF時的節(jié)油率。

以某款德系1.4T無怠速起停功能轎車為例，在CLTC_P循環(huán)下的全程油耗由轉(zhuǎn)鼓試驗臺綜合尾氣測量系統(tǒng)測得，車輛實時車速、瞬時噴油值、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速取自車輛OBD接口。在CLTC_P循環(huán)下熱車運(yùn)行數(shù)據(jù)分布見圖6。驅(qū)動扭矩由驅(qū)動功率和發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速計算得出，驅(qū)動功率由行駛阻力公式及加速阻力公式計算得出。數(shù)據(jù)點位于圖中陰影框區(qū)域時，通常適合運(yùn)行DSF，可以停1～4個氣缸，相應(yīng)的點火密度FD(Firing Density)分別為75%，50%，25%及0%。點火密度即未停缸氣缸數(shù)與發(fā)動機(jī)總氣缸數(shù)的比值。在高、中、低轉(zhuǎn)速3類情況里，分別有不同的扭矩上限值。圖6的數(shù)據(jù)點分布顯示，在CLTC_P循環(huán)下有較多機(jī)會運(yùn)行DSF。

圖6 某1.4T轎車在CLTC_P循環(huán)下的數(shù)據(jù)分布

基于DSF邏輯，發(fā)動機(jī)高、中、低轉(zhuǎn)速范圍里扭矩上限值等邊界條件見表3。運(yùn)用表3來統(tǒng)計適用工況點，并排除怠速和急減速的工況，因為這兩者分別可以用怠速起停和“支持急減速斷油的技術(shù)”作為替代。表3中規(guī)定的作動范圍相對保守，例如車速大于90 km/h時發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速上限為2 600 r/min；作為對照，EPA認(rèn)為停缸技術(shù)在1 000～3 000 r/min[2]范圍都適用。

表3 DSF技術(shù)的適用工況

表3中，該車賦值nmax=2 600 r/min，nup=2 100 r/min，nlow=1 500 r/min，amin=-0.278 m/s2，Tup=80 N·m，Tmid=45 N·m，Tlow=18 N·m；nmax為可適用DSF技術(shù)的最高轉(zhuǎn)速；nup為在車速低于90 km/h時，“轉(zhuǎn)速高”的轉(zhuǎn)速下限值；nlow為在車速低于90 km/h時，“轉(zhuǎn)速低”的轉(zhuǎn)速上限值；amin為可適用DSF技術(shù)的加速度最小值；Tup為低于90 km/h時，“轉(zhuǎn)速高”情況的DSF可行的扭矩上限值；Tmid為低于90 km/h時，“轉(zhuǎn)速中”情況的DSF可行的扭矩上限值；Tlow為低于90 km/h時，“轉(zhuǎn)速低”情況的DSF可行的扭矩上限值。

2.3 其他工況下的停缸收益

DSF技術(shù)的節(jié)油效果因循環(huán)工況而異。例如輕負(fù)荷工況以及高速巡航情況適合采取停缸，而美國US06循環(huán)等高動態(tài)工況則相對不利于其運(yùn)行。在US06循環(huán)下，一輛配備DSF技術(shù)的美國款6.2 L大型SUV的節(jié)油率僅為FTP72循環(huán)下的50%。某4缸1.8T轎車換裝DSF的仿真運(yùn)算結(jié)果見圖7，在5個典型循環(huán)工況下的節(jié)油效果排序由大到小為FTP75，JC08，NEDC，WLTP，Highway[11]。

圖7 某1.8T轎車在各循環(huán)下的節(jié)油率評估

同一輛車在不同循環(huán)下實測獲得的油耗數(shù)據(jù)也可以用來評估DSF在相應(yīng)工況下的節(jié)油率。對車輛發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、車速、瞬時油耗等參數(shù)作逐秒解析，再參考表3作統(tǒng)計。某款德系4缸1.6 L無怠速起停功能轎車在CLTC_P和NEDC循環(huán)下適合DSF技術(shù)作動的總時長和油耗見圖8。DSF在NEDC循環(huán)下的節(jié)油率大于其在CLTC_P循環(huán)下的數(shù)值，這主要得益于NEDC循環(huán)高達(dá)37%的勻速權(quán)重，高于CLTC_P循環(huán)的22.1%。表3為DSF作動邏輯的概略近似，省略了擋位等邊界條件，圖8主要是反映了兩種循環(huán)下適用機(jī)會的相對高低，對應(yīng)于節(jié)油率的相對高低。

圖8 某1.6L轎車DSF適用點的時長占比及油耗占比

3 與DSF配合使用的技術(shù)

缸數(shù)小于3缸的發(fā)動機(jī)不適合運(yùn)用DSF技術(shù)。強(qiáng)混混合動力汽車驅(qū)動電機(jī)的作動時機(jī)在很大程度上與DSF理論適用范圍重疊，也就替代了DSF。除了這兩種應(yīng)用場景，DSF可以與多種汽車節(jié)能技術(shù)相協(xié)同，達(dá)成綜合節(jié)油功效。

3.1 48 V eDSF技術(shù)

48 V電氣架構(gòu)核心部件——P0/P1方案下，48 V主電機(jī)能夠短時實現(xiàn)電助力、電爬行等功能[12]，并且可以配合DSF系統(tǒng)，進(jìn)一步提升停缸節(jié)油率，該技術(shù)簡稱eDSF技術(shù)。美國某公司的eDSF系統(tǒng)匹配見圖9[13]：圖9a顯示了未配備48 V電機(jī)時的劣化頻率點；借助48 V主電機(jī)施加反向扭矩，抵消20 Hz點附近的峰，使振型改善為圖9b所示情況。這時NVH表現(xiàn)已經(jīng)過度達(dá)標(biāo)，意味著可以停缸的轉(zhuǎn)速-扭矩范圍及停缸缸數(shù)強(qiáng)度獲得了進(jìn)一步擴(kuò)展的空間。

圖9 eDSF改善DSF技術(shù)的NVH性能

通過前述分析，加之減速停缸加大的制動動能回收、平滑扭矩提高的跳躍點火氣缸載荷 ，仿真結(jié)果顯示，eDSF技術(shù)可以使搭載48 V技術(shù)的車輛在NEDC循環(huán)及WLTP下的節(jié)油率進(jìn)一步提高[14]。

3.2 智能控制aDSF技術(shù)

我國輕型乘用車代表性行駛工況[1]里怠速、減速、勻速合計權(quán)重76.7%，該數(shù)值在智能網(wǎng)聯(lián)化車輛的道路應(yīng)用里會更高。通過激光雷達(dá)等新型感知設(shè)備能夠?qū)崟r獲知路況信息，尤其是車前道路是否空閑，前后車間距等。節(jié)油優(yōu)先的行駛模式下，在達(dá)成司機(jī)行駛期望的同時，車速升降波動被控制邏輯駕馭得更緩和，這種應(yīng)用方式即aDSF。aDSF給停缸技術(shù)提供更多的運(yùn)行時機(jī)，使節(jié)油率得到提高。電動增壓器與DSF的ON，OFF狀態(tài)正交匹配出四種應(yīng)用，智能控制下可以基于它們瞬時噴油特征來選擇更省油的狀態(tài)匹配項。

3.3 與DSF協(xié)同的內(nèi)燃機(jī)技術(shù)

DSF技術(shù)可以與米勒循環(huán)發(fā)動機(jī)等新技術(shù)并行不悖。DSF使得更激進(jìn)的米勒循環(huán)策略成為可行，拓寬其運(yùn)行的轉(zhuǎn)速和載荷區(qū)間，降低油耗。同樣，原理上DSF也可以擴(kuò)大分層燃燒或稀薄燃燒發(fā)動機(jī)的工作區(qū)間，進(jìn)一步提升其節(jié)油效果。

4 結(jié)論和展望

動態(tài)跳躍點火使發(fā)動機(jī)的每一個氣缸都可以執(zhí)行停缸操作。在保障NVH的前提下，發(fā)動機(jī)可停缸范圍更廣泛，停缸缸數(shù)增加，節(jié)油能力優(yōu)于傳統(tǒng)停缸技術(shù)。

基于車輛實測解析評估，一款1.4T轎車改裝DSF在中國工況CLTC_P下的節(jié)油效果可望近于其加裝怠速起停的表現(xiàn)，例如7%±x%范圍。DSF在不同工況下節(jié)油效果有別，NEDC循環(huán)下節(jié)油率高于CLTC_P循環(huán)。高排量車能從DSF得到更多節(jié)油收益。

后期可以采用裝備了DSF部件的車輛作測試，獲得更確切的節(jié)油率評價。

DSF可以與48 V技術(shù)、智能控制技術(shù)、米勒循環(huán)發(fā)動機(jī)及汽油壓燃發(fā)動機(jī)技術(shù)相配合，達(dá)成綜合節(jié)油，這些組合為汽車廠家滿足下一階段油耗限值提供了技術(shù)選項。