发动机可变气缸数控制技术综述

张飘飘，吴义祥，冯小雨，刘一扬，曹新杰

郑州财经学院智能工程学院，河南郑州 450000

0 引言

近年来，随着资源节约型、环境友好型社会的持续推进，环境保护意识日益增强，节能减排刻不容缓，同时使得汽车设计人员及消费者对燃油经济性的要求越来越高。目前常用的提高燃油经济性的途径有改进燃烧室、提高压缩比、减少机械零件传动的摩擦损失等。豪华轿车通常都采用V6、V8甚至V12的多气缸大排量引擎，但大多数情况下，并不需要大功率的输出，大排量引擎就显得有点浪费。可变气缸数控制技术可以控制发动机工作时的气缸数，在无需对发动机进行机械结构上重大改造的同时减少燃油消耗量。

发动机可变气缸数控制技术，即在低负荷情况下，使部分气缸停止工作，增加工作气缸的负荷率；当车辆进行爬坡、加速、起步等全负荷工况时，发动机的气缸会全部投入工作；当车辆以中低速状态行驶时，工作的气缸数会适当减少。简单来讲，就是一种能够根据道路情况或者驾驶员驾驶状态对发动机气缸工作状态进行调节的一项节能和环保技术，使发动机尽可能工作在低燃油消耗率和低排放工作区内，从而改善车辆的经济性和排放性能。对于发动机的可变气缸数控制技术，可挖掘潜力很大，本文综述了发动机的可变气缸数控制技术的发展现状，并对未来的发展趋势进行了展望。

1 可变气缸数控制技术发展历史

1980年，美国通用在第二代凯迪拉赛威发动机上采用了全新铸铝缸盖的HT-4100 V8引擎，该引擎成为世界上第一台可变气缸技术引擎，在不需要大功率输出时，可关闭1/2气缸，以减少燃油的消耗。20世纪80年代BMW公司研制的可变气缸数发动机，在部分负荷下6个缸仅用3个气缸燃烧工作，因此发动机的排量有2.8 L和3.5 L两种。投入市场的BMW732I型发动机即采用这种结构，该发动机3个气缸运转的时间占总时长的85%，在欧洲城市街道上行驶可以节省约25%的燃料。1982年2月投放市场的海市蜃楼II型轿车和枪骑兵轿车同样采用的是奥利安可变排量发动机，由三菱汽车工业公司研制，根据车辆行驶状态改变工作气缸的数目，与装有同样发动机而强制4缸工作的车辆相比，油耗低20%。1996年3月日产汽车公司研制了E型发动机，并装在“脉冲星”牌轿车上，可在汽车行驶时自动改变发动机工作气缸数目。可变气缸技术理论上价值高，但受限于当时的计算机技术，引擎采用机械方式来控制，不仅噪声大，而且稳定性差，小概率情况下会出现卡死现象，因此限制了可变气缸技术的发展。

2 可变气缸数控制技术现状

目前具有代表性的可变气缸数控制技术有本田汽车的VCM技术、奔驰汽车的MDS技术、通用汽车的DOD技术以及大众汽车的ACT技术等。

2.1 VCM技术

VCM(variable cylinder management)是本田公司的一种可变气缸管理技术，最早运用VCM技术的车型是2005款的Accord Hybrid车和2005款的Honda Odyssey车。该技术通过采用关闭气缸方法，使3.50 L的V6发动机在3、4、6缸变化，即发动机排量在1.75～3.50 L变化。借助3、4、6缸的3种工作模式，VCM系统可对节气门开度、车速、发动机转速、自动变速箱挡位选择及其他因素进行监测，以针对各种工作状态确定适宜的气缸启用方案，使其随时与行车要求保持一致。由于VCM系统会自动关闭非工作缸的进气门和排气门，所以可避免与进、排气相关的吸排损失，进一步提高了燃油经济性。

VCM系统的核心部件是单顶置凸轮轴的智能可变气门升程控制(i-VTEC)机构，通过VTEC关闭进、排气门，以中止特定气缸的工作，并由动力传动系控制模块切断这些气缸的燃油供给。但是，非工作缸的火花塞会继续点火，以减缓火花塞的温度降低速度。为了使气缸数量的变换能够平稳进行，VCM系统会确定发动机机油压力、催化转化器的温度，同时调整点火正时、线控节气门的开度，并相应地启用或解除变矩器锁定。3、4、6缸3种工作模式的变换不会造成发动机动力瞬时性中断，变换过程驾驶员几乎觉察不到。

2.2 MDS技术

MDS(multi-displacement system)多级可变排量控制系统，该系统最早在2005年应用在HEMI发动机上,是奔驰特有的发动机技术。发动机的挺柱上设计了独特的滑块结构，滑块与气门推杆相连，滑块下方设有可定位的卡销，卡销上带有回位弹簧。卡销可使滑块与挺柱成为一体推动气门顶杆，或使滑块与挺柱批次分离发生相对移动。发动机正常工作时卡销使滑块与挺柱相对静止，挺柱推动推杆驱动气门摇臂，控制气门开闭；发动机需要关闭气缸时，卡销松开滑块与挺柱相对移动，无法推动推杆，便实现关闭气门的效果，同时ECU控制停止向该气缸喷油，进而达到发动机排量可变的目的。该系统使发动机工作气缸在8缸和4缸之间随意切换,极大提高了发动机的燃油经济性。克莱斯勒大量测试结果表明，车辆在市区和高速公路行驶时MDS的使用率为17%和48%，总体平均使用率为40%，在各种行驶条件下,燃油经济性将提高10%～20%。MDS的灵敏度非常高，气缸的切换仅需要0.04 s。迅捷地切换速度不仅节约燃油，不影响驾驶员驾驶，而且保证了乘坐的舒适性。

2.3 DOD技术

DOD(displacement on demand)可变排量技术，是美国通用公司2004年推出的节能技术，通过细分引擎工作状态，在发动机负荷较小的情况下，将发动机的6缸燃烧智能切换成3缸燃烧，从根本上减少工作缸数，以最直接的方式达到节省燃油、降低排放的双重功效；当急加速或爬坡需要加大动力时，DOD又会启动所有气缸，快速提升发动机的动力输出能量。发动机工作缸数量的切换非常迅速，在以毫秒计的时间内完成，对发动机的转速影响微乎其微。这种6缸和3缸智能切换排量技术，可降低2%～8%的燃油能耗。

2.4 ACT技术

ACT(active cylinder management)主动式可变气缸管理系统，通常而言，可变气缸数控制技术更多是应用在大排量发动机上，但大众此前发布的EA211系列发动机中的1.4TSI发动机同样采用了该技术，也是第一家在4缸发动机中采用主动气缸管理系统作为节油技术的制造商。工程师在进气与排气两根凸轮轴上方装上了两组啮合系统的控制装置，凸轮是可以横向移动的，它们负责控制第2和第3气缸。当需要停止气缸工作时，便会向控制单元下达指令，让导向柱下行伸进偏移轨道，进而移动整根凸轮轴、让凸轮从原本顶压气门的位置挪开，此时第2和第3气缸的气门摇臂顶到圆轮，圆轮在旋转时不会再推动摇臂，气门就暂时关闭了，此时喷油嘴停止喷油，第2和第3气缸停止进气与燃烧动作。如果控制单元接收到气门恢复工作的指令，那么负责重新开启气缸的另一根导向柱下行，重新让凸轮回到原本位置上，第2和第3气缸的气门可以正常开闭。与其他可变气缸技术一样，气缸的切换可以在极短的时间内完成，官方数据表示气缸的停止与重启仅需要13～36 ms。

ACT系统可在发动机转速为1 250～4 000 r/min的区间内工作，因此绝大部分的工作区间都可以控制气缸数量，很好地节省燃油。搭载ACT技术的高尔夫7 1.4TSI车型百公里油耗为4.8 L。

2.5 其他可变气缸数控制技术

奥迪气缸按需运行系统，奥迪A8L 4.0 TFSI和S8、S6搭载的高低不同功率版本的4.0 L V8 TFSI双涡轮增压发动机，便具备气缸按需运行系统的变缸技术。在部分符合要求下，发动机由8气缸切换为4气缸工作状态，切换为2.0 L的V4发动机。兰博基尼变缸技术,2013款的Aventador搭载的V形12缸发动机便具备发动机变缸技术，6缸切换至12缸时需耗时180 ms，同时需要锂电池组作为启动能源。

3 发动机可变气缸技术缺点

可变气缸技术确实可以减小燃油消耗,但也很可能打破发动机原有的动平衡,特别是对于像本田J35发动机,当处在3缸工作状态时，V6发动机只有一侧的3缸处在工作状态，而另一侧的3缸处于休眠状态，发动机就会处于不平衡的状态。大众的EA211发动机第2和第3气缸关闭时，保留1、4缸工作，发动机原有的平衡被打破，使得振动加剧,进而增加发动机工作噪声。

工程师对这些可变气缸技术中产生的问题进行了研究,但没有完全解决这些问题，这或许也是小排量发动机没有大规模应用该技术的原因，这就需要汽车领域方面的工程师继续完善该技术。如果这项技术在未来能得到广泛的应用，将会对汽车行业产生深远的影响，对汽车未来的研究做出重大贡献，对环境的保护也大有益处。

4 结束语

发动机可变气缸数控制技术既能够满足较大排量发动机动力性的要求，又能符合燃油经济性和环保的要求，在需要时爆发强大动力，而日常使用时维持低油耗。目前小排量发动机可变气缸技术尚不成熟，随着时间的推移，这项技术在未来会逐步趋于完善。不论燃油汽车、混合动力汽车还是纯电动汽车，最大限度地降低能耗，是汽车领域长久的发展方向。