立竿见影的节能减排

卫东

当发动机不需要全力输出时，为何不能让部分汽缸去休息？其实，工程师们在上世纪石油危机时就想到了用这种方法来节省燃油，不过这项技术一直在小范围内应用，而且主要应用在大排量发动机上。到了近几年，随着人们进一步挖掘发动机的节能潜能，汽车制造厂商们又将目光投向了发动机可变排量技术，而且成功地将这项技术应用在小排量四缸发动机上，接下来这项技术也将在小排量三缸发动机上一展身手。

说到发动机的可变排量技术，人们就一定会想到大排量的美式V8发动机。美国人想出了一个简单的方法来实现节省燃油，那就是在车辆小负荷或怠速运转时，将V8发动机的4个汽缸关闭，在驾驶上不会受到影响的同时，使燃油消耗立刻减少。在2005年，克莱斯勒首先将变排量技术MDS（Multi Displacement System）安装在克莱斯勒300C的HEMI发动机上。

回顾早期克莱斯勒的HEMI发动机，它的最大优势在于它比对手更高的燃烧室热效率。克莱斯勒300C上HEMI发动机的燃烧室顶部呈半球状，火花塞安装在燃烧室的顶部中央，而进排气门分列在燃烧室两侧，这样的结构使它的燃烧效率更高，能产生更强大的功率。这款5.7L HEMI V8发动机除了具有半球状燃烧室这一显著的传统特征外，还采用了可变排量MDS系统和每缸双火花塞设计，通过改变排量使300C的燃油经济性提高了20%。MDS的作用是当不需要大马力时可以只用4个汽缸工作，需要大马力时再转换为8个汽缸工作。

变排量系统能使发动机在4缸运行模式和8缸模式之间相互转化，使得发动机能兼顾高性能和低油耗两方面要求。HEMI是怎样改变排量的呢？原来是通过锁止液压挺柱，使气门保持关闭，从而关闭汽缸。在24～131km/h之间匀速行驶时少量燃油会喷入四个不工作的汽缸内，为的是保持汽缸的工作温度。随着2011款克莱斯勒Dodge Challenger SRT8 392的发布，新一代HEMI V8（345kW/639Nm）也展现在人们面前，这款V8发动机仍然保持了变排量技术，再加上传动系统效率的提升，使其在高速公路的燃油消耗降低了15%，油耗只有10.2L/100km。

在2008年，通用汽车公司宣布将为16款车型配备发动机变排量技术。该技术的工作原理即在汽车匀速行驶或遭遇长时间堵车时，通过关闭部分发动机汽缸以减少油耗。当汽车的车速超过30km/h，发动机转速在3000rpm以下时，发动机只需要其中的4个汽缸正常工作；而当加速或需要更大功率时，被停掉了的气门和燃油喷射系统会被瞬间激活。在2012年8月，通用宣布在2013款雪佛兰皮卡Silverado上搭载了可关闭4个汽缸的5.3L V8发动机。据通用公司官方资料显示，截止到2012年，就有将近460万台V8发动机采取了变排量技术AFM（Active Fuel Management）。

对于2014款GMC全尺寸皮卡Sierra 1500来说，匹配了全新一代EcoTec3发动机——4.3L V6、 5.3L V8 和6.2L V8发动机，它们都安装了AFM系统，也就是说在小负荷时采取4缸运转以节省燃油。对于Sierra来说，采用的第二代AFM带来了更顺滑的停缸过程和更多的4缸使用频率。这3款大排量发动机还安装在皮卡Chevrolet Silverado、Suburban、Tahoe和Cadillac Escalade SUV等车型上。

2014年12月，安装在通用2015款Corvette Stingray上的LT1 6.2L V8发动机获得了2015年世界十佳发动机称号（WARD’S10 Best Engines），而且这款发动机在2014年也获得了这一称号，也使Corvette Stingray成为著名的运动车。这款发动机的最大功率达到336kW，Corvette Stingray从静止加速到100km/h只用时3.8s，在匹配8AT或7MT情况下高速公路的平均油耗只有8.1L/100km。这款6.2L LT1 V8发动机也成为第7代Corvette的核心，AFM也是这款发动机的利器之一。

在当今这个精打细算的年代，小排量发动机是否也可以应用变排量技术呢？随着2012年新Polo的面世，大众给我们带来了变排量发动机新貌。新Polo Blue GT 搭载最大功率输出103kW的1.4L TSI涡轮增压汽油直喷发动机，匹配7挡DSG双离合变速器，它的平均油耗可达到4.5L/100km，CO2排放量是105g/km。新Polo Blue GT的最高速度为210km/h，百公里加速仅为7.9s。之所以既有动力又省油，正是因为TSI 发动机搭载了ACT （Active Cylinder Management）主动汽缸管理技术，它正是这款车型的一大技术亮点——该系统可在发动机中低负荷运转状态下关闭第二缸和第三缸 。新Polo Blue GT每百公里降低油耗0.4L左右，在第三挡或第四挡以50km/h的速度匀速行驶时，其百公里节油量可达1L。大众汽车是第一家在四缸发动机中采用主动汽缸管理系统作为节油技术的汽车制造商，随着变排量技术在小排量发动机上的发展，为经济性轿车带来了更实惠的节油技术。

在2012年9月奥迪发布了在V8发动机上搭载了变排量技术COD（Cylinder On Demand technology）。在2013年10月，随着新A8在德国的上市，新一代V8和W12发动机也揭开了面纱。4.0L TFSI V8发动机功率提升了11kW达到320kW，从1500～5000rpm输出峰值扭矩600Nm。使新A8从静止加速到100km/h只用时4.5s，而A8 L用时4.6s。而在COD的作用下，A8的综合平均油耗只有9.1L/100km，相当于CO2排放量只有213g/ km，A8 L是9.2L/100km和216g/km。奥迪表示，在这款车上最显著的提升效率的装置就是COD系统。在部分负荷时，通过关闭气门、停止点火和喷油来停止4个汽缸的工作。当只有4个汽缸工作时，为了补偿增加的发动机噪声，奥迪还采取了主动噪声消减ANC（Active Noise Cancellation）技术，在驾驶舱播放精确反向声波来减小噪声；并且带减振功能的发动机支架会抑制只有4个汽缸工作带来的振动。

A8 L搭载的W12也革新地配备了COD系统。这款6.3L自然吸气汽油发动机即使在轻量化的设计后重量也达到了234kg，其峰值功率和扭矩达到368kW/625Nm，使A8 L从静止加速到100 km/h只用时4.6s。在250Nm以下的低负荷或发动机转速在3000rpm以下时，控制系统会关闭左侧或者右侧的汽缸，而当断缸时间过长时，也会点燃关闭的汽缸以保持汽缸工作温度。对于搭载这款有着12个汽缸的W12发动机的A8 L来说，综合平均油耗只有11.3L/100km，CO2 排放量只有264g/km。

2014年上市的奥迪新S6也采用了331kW 4.0 TFSI双增压V8发动机，使其从静止加速到100 km/h 只用4.4s，平均油耗只有9.2L/100km，对应的CO2 排放量是214g/km，这种高效与低油耗、低排放的融合正是变排量COD技术的功效。在奥迪RS 6 Avant上，4.0 TFSI最大功率达到412 kW，使它从静止加速到100 km/h只用时3.9 s，而在COD 的功效下，综合平均油耗只有9.6 L/ 100 km。

2014年也是奥迪在2010年发布的A7 Sportback换代之年，其动力上的更新也是必然的，同样采用了带COD功能的331kW和412kW 4.0L TFSI发动机，这两款发动机不但动力提升了，油耗还有了16%的下降。

而在2014年，当奥迪新A3上市时，提供了4款TFSI发动机供选择，其中新增加的就有带COD功能的110 kW高功率版1.4L TFSI发动机。这款发动机综合了高效的节油技术，除了增压直喷、起/停技术外，COD也成为标准配置，使其CO2 排放量只有109g/km。在低负荷巡航时，气门升程调节装置会关闭第二、三缸的气门。COD系统在发动机转速为1400～4000rpm和扭矩需求在100Nm以下时启动。和大众ACT技术一样，在凸轮轴上有两个不同的凸轮来对应可关闭汽缸的气门，由电磁阀来控制。当COD工作时，也就是凸轮轴零升程的惰性凸轮在工作，进、排气门都处于关闭位置，同时，喷油器也不工作。只要驾驶者一用力踩下加速踏板，凸轮轴立刻发生轴向移动，恢复到4缸工作状态。在标准测试情况下，使A3每100 km减少0.4L燃油消耗，当驾驶者温和驾驶时，节油效果可以达到20%。而作为标配的新一代起/停系统可以使每100km减少0.3L燃油消耗。这两项加起来的节油效果是相当显著了。

实现变排量，对发动机做相应的调校也是必需的，不但要在点火顺序和动力平衡方面做出调整，还需要凸轮轴部分凸轮和气门实现解耦，使气门保持停止状态。当前的技术是指定特定的汽缸实现停缸，而舍弗勒正在开发一个新的概念——允许四冲程发动机实现汽缸滚动参与停缸，它的优势不仅可以实现汽缸内更好的温度均衡，保证发动机运转的均衡，还可以在三缸发动机上实现停缸技术。

克莱斯勒、通用使用了可切换气门挺柱，戴姆勒-AMG采用可切换气门摇臂支持件，大众采用凸轮轴位移来实现变排量，舍弗勒则采用全可变电液气门机构UniAir实现了对气门的单独控制，为滚动式停缸创造了条件。UniAir不仅全可变控制调节气门升程，还能完全停止气门开启。

减少油耗的方法之一就是减小发动机排量，而按照热力学理论，单缸的理想容积在400～500ml之间，因此单缸排量基本被限定，所以减少排量的方法就是发动机小型化，减少汽缸数。临时停缸提供了一种非常有吸引力的折中方案，行驶中改变发动机排量实现了发动机的“临时小型化”，达到了节油减排的目的，而且这套系统也可比较简单地整合到现有的发动机当中，也不会给驾驶者带来驾驶差异，还保持了良好的驾驶乐趣和舒适性。

将来即使是三缸发动机也能从中获得效益，实现1.5缸停缸，所以变排量技术正在成为一种节能减排的良好方案。汽油发动机在部分负荷时因为关闭部分汽缸而带来了良好的节油效果，今天的电控柴油发动机是否也可以在不需要大负荷时关闭部分汽缸来减少不必要的能源消耗呢？若可以，那将会更加突出柴油发动机的节油特性。