六缸车用柴油发动机停缸方案的试验研究

王迎新 谢夏琳

摘要：在一台车用六缸柴油发动机上分别进行了基于闭缸模式的多种停缸方案的研究，验证了各种停缸方案对发动机性能的影响。结果表明：停缸技术在柴油发动机部分负荷区域能够带来明显的燃油经济性的提升，这些区域使用停缸技术后排气温度显著升高，排气流量下降明显，对提高SCR系统的效率有非常积极的作用。

Abstract： This study have managed to find out nozzle shut-off strategies leading to the reduction of fuel consumption and emission. Four shut-off strategies have been conducted using a 6-cylinder on-road diesel engine. The results have shown that four shut-off strategies were contributed to significant decrease of fuel cost and exhaust flow rate in part-load conditions. What's more， lower flow rate of exhaust， which were generally considered as a contributing factor of exhaust temperature increase， presented higher rate of NOx conversion in SCR system.

关键词：车用柴油机;停缸;性能

Key words： on-road diesel engine;shut-off nozzle;performance and emission

中图分类号：TK423                                      文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2020）21-0010-04

0  引言

柴油发动机作为商用车主要匹配的动力系统，在市场上的保有数量非常巨大，随着石油资源的日益紧张以及对环境保护的要求日益严格，车用柴油发动机节能减排技术的开发也越发紧迫。但是，动力系统的匹配通常都是按照汽车的最大负荷设计的，这导致实际使用时发动机长时间工作在部分负荷工况，发动机的燃烧效率和排气温度都很低，使得整车实际运行时油耗高，后处理效率低，NOx排放水平难以控制。使用停缸技术后，发动机工作缸的负荷率得到明显提升，燃烧效率和排气温度都得到显著提高，可以有效解决整车长时间运行在发动机部分负荷区域带来的油耗和NOx排放控制问题。

目前，实现发动机机停缸的技术通常有三种：①仅停止部分气缸的供油;该方式技术简单，通过控制策略的修改在电控机型上都可以实现，单由于气门继续正常启闭，存在较高的泵气损失，节油效果并不显著，部分工况下甚至出现油耗升高的现象，因此基本不使用该方案;②部分气缸停止供油，气门正常正常启闭并将工作缸的废气引入以减小泵气损失;该方案由于对发动机的进排气系统改动太大而难以实现，且由于柴油机的工作方式不同，此方案对柴油发动机的泵气损失影响不明显，仅适用于汽油发动机;③断油的同时停止气门的运动，称为闭缸式停缸;空气密封在发动机的气缸中对外部没有工质的交换，最大限度的减小了泵气损失，因此此方案节油效果最佳，且在汽油发动机上已经有量产机型的成熟应用经验，借鉴到柴油机上可节省大量研发时间。

综上，本文对柴油机停缸方案的研究基于上述闭缸模式。

1  试验装置及试验方法

1.1 试验样機及机构

本研究工作基于一台直列六缸高压共轨直喷柴油发动机，该机使用的BOSCH高压共轨燃油系统，WG增压器，下置凸轮轴，每缸四气门;控制系统为BOSCH EDC17电控系统，可以方便的实现对每缸喷油器供油的控制。发动机气门停止机构没有现成可用的电控执行器，为实现气门运动停止的功能，设计了简易的工装用以切断推杆对摇臂的动力传输，试验前需要对停缸目标气缸进行工装的安装。试验用柴油发动机技术参数如表1所示。

1.2 试验台架

本次试验研究工作在电力测功机台架上进行，台架硬件配置如表2所示。

1.3 试验方案

本次试验研究工况选取为发动机工作全工况范围，分别在发动机正常状态（六缸工作）、五缸工作、四缸工作、三缸工作状态下对发动机进行了外特性、负荷特性、倒拖及怠速的测试，另外还对发动机六缸均不工作状态的倒拖功率也做了测试。

试验重点研究不同的停缸数量对发动机全工况范围内性能的影响。倒拖工况用于研究不同停缸数量下发动机泵气损失大小的变化规律;正常燃烧工况用于研究不同停缸数量下发动机性能参数的变化规律;怠速工况用于研究整车使用时长时间怠速情况的节油可性能。本次停缸方案试验研究中，发动机电控系统数据为量产数据。

2  试验结果及分析

2.1 不同停缸方案对倒拖功率的影响

发动机的倒拖功率包括摩擦损失、泵气损失和附件损失三部分。对气缸进行闭缸式停缸操作后认为发动机的摩擦损失和附件损失不变，倒拖功率的降低可用于评价停缸后发动机泵气损失减小的情况。整车使用时，倒拖功率降低可以明显增加发动机带档滑行时的滑行距离，是降低整车使用油耗的优化方向之一。

本次试验研究了关闭不同数量的气缸后发动机倒拖功率的变化情况，试验结果如图1所示，在倒拖前发动机先运行热机，待水温达到88±5℃，机油温度达到90±2℃时，控制发动机油门归零，ECU保持上电状态，由测功机倒拖发动机从高转速依次运行到低转速，并记录每个转速下相应的性能指标参数。由于断缸需要对发动机进行工装的安装，因此在测试六缸均不工作状态需要先将发动机热机至油水温度稍高状态，迅速完成工装安装后待发动机冷却到目标水温油温状态后进行测试，而在研究其余状态时由工作缸将发动机热机到目标水温油温状态后可直接进入测试。

以上数据显示，泵气损失在发动机标定转速下的占比接近总倒拖功率的60%。可见，气门常闭可以有效减小泵气损失，关闭的气缸越多，倒拖阻力越小，证明闭缸模式对于停缸技术的适用性，整车运行时滑行状态使用闭缸模式适当停缸可以增加整车滑行距离节省燃油。

2.2 闭缸停缸与仅断油停缸时怠速对比

在研究闭缸停缸策略对怠速性能影响的同时，也对仅断油停缸的方式进行了测试，测试结果如图2所示。

对于多缸发动机，从工作稳定性考虑，停止工作的气缸最多不超过发动机总气缸数量的一半。由于闭缸模式下气缸内的气体相当于空气弹簧，发动机的运行稳定性远优于仅断油的停缸方式。测试数据也显示，闭缸模式下停止工作的气缸数量越多发动机的怠速油耗量越低，而仅断油的停缸方式没有明显的节油效果，在停缸数量较多时怠速油耗还有上升的趋势。因此，对于长时间怠速使用情况的车辆，使用闭缸模式的停缸技术可以得到较明显的节油表现。本文以下部分所诉的停缸所指的都为闭缸模式的停缸。

2.3 不同停缸方案在发动机全运行工况的性能表现

为全面研究各停缸方案对柴油发动机全工况区域的性能影响，对各停缸方案（五缸工作、四缸工作、三缸工作）进行了从标定转速到行车怠速转速（2300～700r/min）间隔步长为200r/min的各转速下的负荷特性测试，并将测试结果与六缸正常工作时进行对比，可得到各停缸方案下可达到节油效果的区域如图3～图5所示。

图3-图5中绿色部分区域即为相对于六个气缸都正常工作时油耗率可以降低的工况区域，区域的分界线即为相互对比的两种工作状态下柴油机的等油耗率曲线。

同样，将五缸工作与四缸工作对比，将四缸工作与三缸工作对比，可得到每种断缸方案间相对燃油经济性更优的区域，如图6～图7所示。

将发动机六缸正常工作时的外特性扭矩曲线、各停缸方案状态下的外特性扭矩曲线以及各停缸方案间等油耗率的扭矩曲线绘制在同一坐标系中可得到清晰显示出各停缸方案可运行区域及优势运行区域的总图，如图8所示。

由五缸工作与六缸工作等油耗率扭矩曲线和四缸工作与五缸工作等油耗率扭矩曲线围成的区域则是五缸工作最佳工作区域;由四缸工作与五缸工作等油耗率扭矩曲线和三缸工作与四缸工作等油耗率扭矩曲线围成的区域则是四缸工作最佳工作区域;三缸工作与四缸工作等油耗率扭矩曲线下方则是三缸工作的最佳区域;其余区域则保持六缸都正常工作才能得到最佳性能，如图9所示。

2.4 使用停缸技术后发动机整体性能预测

按照上文分析得出的各停缸方案的最佳分布区域，根据试验数据重新拟合出停缸优化后的发动机性能曲线;从优化前后的油耗率曲线可以明显看出，优化后发动机的部分负荷油耗率显著下降，50Nm以上区域最大降低幅度可达约40g/kWh，最大百分比约为13%，节油效果显著，如图10。

同样方式可以得到停缸优化前后发动机的烟度、排温、进气量曲线（图11～图13），停缸优化后发动机的烟度基本与原机相当;而排气温度明显上升，在使用了停缸技术的发动机部分负荷区域，排气温度上升了50～120℃;停缸区域进气流量最大下降幅度达到300kg/h，降幅达50%。

停缸优化后发动机中速低负荷区域（WHTC关键区域）的排气温度从200℃上升到325℃，從典型的钒基催化器效率曲线（图14）上可以看出催化器效率可从约60%提升到90%以上，极大的降低了整车实际运行时NOx排放的控制难度。

3  结论

①闭缸模式的停缸技术可以有效提高发动机中小负荷的燃油经济性，且负荷越小效果越显著;

②随着负荷的减小，停缸数量相应增加可获得更好的燃油经济性表现;

③停缸技术可有效提高发动机小负荷区域的排气温度并降低排气流量，有利于SCR后处理效率的发挥，降低NOx排放控制难度，是控制发动机排放的有效手段;

④在量产发动机上仅通过增加气门控制机构实现闭缸停缸模式所得到的节油区域覆盖范围有限，通过空气系统的重新设计匹配可进一步得到增加;

⑤停缸系统的应用还需要设计更合理的控制策略，比如增加随机停缸策略以减小发动机的振动;增加驾驶需求预测策略以实现停缸模式的平滑切换和提高重加速时的响应性;增加停缸机构精细控制策略以精确控制停缸机构介入和退出的时机，减小冲击延长发动机机械结构的使用寿命等。

参考文献：

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