闭缸技术在汽车发动机节能中的应用与研究

陈倩

摘要：汽车节能技术和燃料替代品的应用是当今乃至未来世界汽车技术创新的核心环节，是未来汽车企业生存发展的关键，在对于当下各大厂商所广泛采用的发动机类型，比如：柴油机、普通汽油机、汽油缸内直喷、汽油机闭缸技术及汽油混合动力发动机进行比较，发现汽油机闭缸技术的油耗明显低于其他的发动机技术。从现在时代主流的闭缸发动机技术入手，来研究闭缸技术的独特之处，从正反两面存着批判性的目光来看待这个问题，回顾这项技术的发展历史以及为何这项技术会应运而生，闭缸技术的独特性又在哪里，它在汽车发动机节能技术发展中的道路如何。

关键词：闭缸技术;发动机;节能

1  闭缸技术概述

1.1 闭缸技术的概念

闭缸技术又叫可变排量（Variable Displacement）、气缸休眠，是一种可以让多缸内燃机中某几个气缸停止工作的技术，在一定程度上节省燃油。

1.2 闭缸技术的用途

传统意义上，汽车发动机的排量是固定的，根据汽油机的负荷特性，在负荷率较低时，燃油消耗率较高，排放性能较差;在负荷率较高时，不仅燃油消耗率低，而且排放性能变好。在选配发动机时，应选用较大功率的发动机，比如大排量多缸发动机，但其常用工况下的负荷率就会较小，燃油经济性和排放性能较差;若从经济性考虑，应选用较小功率的发动机，负荷率较高，燃油经济性变好，但小功率发动机在加速、爬坡和重载等情况下会出现动力不足等现象。这是选配固定排量发动机的矛盾的地方。

对于排量和功率较大的发动机，若能在其怠速及中、小负荷工况时，控制部分气缸停止做功，使其余气缸在较高负荷率的工况下运转，这样既解决了燃油消耗率低、排放性能好也避免了发动机因为功率小在加速、爬坡和重载工况下动力性不足等问题，因此闭缸技术运用而生。

2  闭缸技术在汽车发动机节能中的应用

2.1 汽车发动机节能的背景及意义

现代社会的快速发展导致汽车行业产量及汽车保有量飞速增长，作为内燃机主导的汽车行业发展必然导致汽车耗油量的迅猛增长。同时，石油作为不可再生的能源在被大量消耗，我国的石油能源及产量早已无法满足国内日益增长的发展需求，供求矛盾已经日趋凸显。从上个世纪开始，我国石油特别是汽车汽油对进口的依赖程度越来越高。如果不尽早对汽车石油燃料的总量进行系统的统筹考虑和进行汽车节能技术的行业应用，遏制过分依赖进口的石油的需求，势必将严重影响国内石油能源的可持续发展，同时，还会对我国大气环境造成严重的污染，最终必将影响汽车行业的良性发展，甚至影响国民经济的发展。所以，通过发展发动机节能技术来降低能源消耗的形势已经迫在眉睫。

汽车节能的意义重大，如何节能，目前绝大多数汽车是靠内燃机作为动力驱动，除了轻量化的车身既空气动力学的部分应用，汽车的节能换句话说主要是指发动机的节能，传统的发动机节能是在排量不变的基础上从提高进气率、提高机械效率、调整压缩比及提高循环热效率等方面着手，鲜少有从发动机排量方面考虑的，而闭缸技术就是一种变排量的发动机节能技术。

2.2 闭缸技术的节能原理

三种经典的发动机闭缸技术：

①断油不断气。

主要是对发动机的特定缸体进行断油，但是并不停止该缸体的进气。但这种技术会造成发动机在低负载阶段的“泵气损失”，造成动力损耗，该技术已经近乎淘汰了。泵气损失，顾名思义，就是由于发动机在低负载时较小的气门开启导致活塞与气门间处于真空状态，所有活塞向下运动时必将遭遇曲轴箱气压的抵抗，导致做功能量耗损。

②油气双断。

这种闭缸技术目前处于主流地位，该技术有效的解决了不停气引发的“泵气损失”的技术难题，目前应用闭缸技术的车型中国。几乎都使用该技术，不过该技术依然不是理想的闭缸技术，比如闭缸时气缸工作问题不均衡会刚体变形的问题，需要采用辅助温控技术去控制发动机缸体温度或者控制闭缸时间等，否则问题就得不到有效的解决。

③在停油又停气的基础上再把废气引入停缸的气缸中，以此来维持热平衡。这项技术理论上来说是闭缸技术的最优解，但是技术难度较大。

3  闭缸技术发动机在具体车型中的应用

在我国微机自控汽车局部闭缸节油装置系统研制成功之后，最早实践的是我国自主研发的解放牌汽车，当时的改装费用低廉，大约花费1000元，以汽车四大件为基础进行改造，当时的节油技术已经取得初步的成果，可以将降低油耗为原来的88%，也就是说减少了12%的油耗，这只是一般的数值，在当时的环境之下，该项数值最高达到了20%，这就意味着，在快速发展经济的当时，每年至少可以为国家减少1.8吨的汽油消耗，让投资成本的回收时间大幅缩短，最重要的是这项技术不但在降低油耗上有明显的优点，还可以大幅的减少一氧化碳和碳氢化合物的排放，最高的时候可以达到70%，这项技术也是一项环保的技术，是实现可持续发展的至关重要的一环。当时的很多汽车都有冒黑烟的现象，但是在改造之后，这些汽车都不会再继续冒黑烟，可以说是肉眼可见的减少环境污染。这项技术也没有止步于解放牌汽车的应用，在实地调查了当时国内几个知名的汽车制造厂后，根据不同的汽车所不同的特点，经过小幅度的调整之后让这项技术也能够适用于东风牌汽车，在当時，我国的大型汽车以解放牌和东风牌为主，当时的数量可以达到90万，在改造约50万辆之后，每年可以节约的汽油量达到了惊人的90万吨，如果按照当时的市价，每吨汽油800元计算，每年可以节约资金7.2亿，创造了非常高的经济价值，这是闭缸技术在汽车发动机节能技术应用的一个非常成功的实例，也为后来闭缸技术的进一步发展提供了可能性。

在之后的几十年里，闭缸技术在汽车的发动机的运用大幅度增加，随着经济的不断发展，私家车的数量不断地增加，当日常用车的耗油量居于领先地位时候，普遍性的节能减排成了迫切需要解决的问题的时候，闭缸技术不仅仅局限在大型的运载车辆，也慢慢的普及到了民用的各种车型，各个汽车厂商都先后根据自己汽车的特性，对闭缸循环技术做了些许改动，将闭缸技术运用于自家的发动机里。

闭缸技术在早期的应用中目标特别纯粹，总的来说就是即降低了大排量机型的汽油消耗，又保证了动力的不降低，因此闭缸技术过去只出现在大排量的机型上，如V6、V8甚至更多缸体及缸径的发动机。

如今使用最广泛的闭缸技术还是油气双断的方法，如果具体到四缸的发动机机型上，运作的机制是先停掉1和3缸的油和气，让其他缸体继续工作，这样的运作机制主要是考虑发动机在闭缸时的动平衡和缸体问题的控制问题。

但是如何实现气缸的开启及关闭的操作，各大厂家目前的实现方式不尽一样，举例来说：

采用的电子气门机构的宝马Valvetronic，就是在进气门上加独立的伺服电机和蜗轮蜗杆机构来控制进气门的开启和关闭。克莱斯勒则是利用液压挺杆结构来独立控制气门，从而实现气门的升程的变化，进而达到气缸的开闭。

通用和奥迪的技术大致相同，使用类似可变气门正时的原理，通过多电控机构控制多段式凸轮轴的左右移动来实现气门的开闭，该技术实现的升程变化更大，不同的凸轮轴代表着不同的气门升程。不过两个厂家也有不同之处，区别在于凸轮轴，奥迪是两段式，通用是三段式的。通用的三段式结构可以提供三种工作模式，在发动机不同的工况下，高性能、经济、超经济三种模式，其中超经济是四缸机关闭一半的缸体进一步节省发动机油耗。

4  闭缸技术的优缺点

4.1 闭缸技术的优点和功能

汽油机的一般状况表明，在考虑其负荷特性时，如果负荷率比较低对于功率大或者排量大的发动机而言，如何利用电子控制技术、在小负荷状况或是怠速及中时，通过调控使一部分气缸停止作功，从而使其余气缸可以在较高负荷的状态下仍然保持正常的运转，这就是发动机的闭缸技术工作过程。当发动机处于这种状态时，工作时耗油量会得到有效的控制，不会像传统发动机一样有大量的油耗。除此之外，没有工作的气缸所排出的气体是空气，因此可以有效地的减少有害物质的排放，在环保方面有很大的优点，如果主推节能减排应该大力推广该项技术在汽车发动机的应用。而当汽车面临需要提高动力时，暂时停止工作的气缸也可以恢复正常的工作状態，所以说，闭缸技术在当下这个时代当中既可以实现在日常生活当中的低油耗经济性运作，也可以满足部分汽车对于进行大负荷工作时的动力要求。

4.2 闭缸技术的缺点和局限性

闭缸技术与部分混合动力技术原理相似，基本是针对低负载情况下的发动机，如车辆在拥堵及减速的情况下，然而这些情况在车辆的整体使用中占比太少，所以对于燃油经济性的提升并不明显。

在闭缸发生的时候，即使让一半的缸体不工作，从理论计算出可以降低50%的油耗，但事实上每一个不工作的气缸都是通过曲轴连接，并没有脱离曲轴，所以不工作的气缸还是在运动状态，也要克服很多阻力消耗很多能量，所以并不能实现一半的油耗节约。

通过不断的技术改进，目前行业中认可的理想的闭缸技术，是在油气双停的基础上，利用废气的能量，将废气引入停缸的气缸内，以此维持热平衡。这类技术可以说是闭缸技术上的不二之选，但是实现技术难度之高和研发成本都让很多厂商望洋兴叹。

5  闭缸技术的发展

虽然中国汽车市场已经是世界第一大消费市场，但是汽车文化还远未普及，大多数消费者对于车辆的选择还是更关注外观、大小、配置、性价比，对于汽车新技术应用就没有那么在意;其次较成熟的闭缸技术多用于大排量发动机上，而目前汽车市场私家车保有量已经占主导地位，大多数家庭选车还是经济适用型的，即使一些四缸机采用闭缸技术实现了燃油经济性的提高，但其相对应的昂贵的成本使其无法大量普及;另外从环保角度看，国家比较支持的是小排量发动机、混动技术和新能源汽车，所以发动机闭缸技术未来的发展道路可谓任重道远。

参考文献：

[1]刘志忠，韩宗奇，马玉环，王展，苏丹丹.电喷发动机闭缸循环工作排放与经济性试验研究[J].汽车工程，2007（06）.

[2]孙宗强.汽车发动机节能面临四大问题[J].中国电子报，2006，10.

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