车用汽油机的停缸节油技术

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第3卷第6 6期20 0 7年 1 2月

小型内燃机与摩托车SMALL I NTERNAL COMBUS ON TI ENGI NE AND MOTORCYCL E

V0 - 6 No 6 l3 .De . 0 7 c2 0

车用汽油机的停缸节油技术张登攀袁银南崔勇

(江苏大学汽车与交通工程学院江苏镇江 2 2 1) 10 3摘要：介绍了车用汽油机部分负荷下停缸技术的发展过程，分析了停缸节油的原理并列出了停缸的三

种技术方案。对比不同方案后指出，闭进排气门和断油的方案可以同时满足发动机经济性、力性和关动

排放性要求，为优先考虑的技术方案。还阐述了停缸技术的控制策略和停缸后需要解决振动、磨损不均等问题的技术措施。

关键词：油机汽

停缸

节油

控制策略文献标识码： A文章编号：6 1— 60 20 )6— 0 9— 5 17 03 (0 7 0 0 8 0

中图分类号：K 1.2 T 47 1

Te hn l g f Cy i de a tv to f c oo y o l n r De c i a i n o Au o o i e Ga o i e Eng n t m tv s l n ieZh ng De pa a ng n,Yua nna n Yi n,CuiYo ng

S h o o A t o i n rfcE g er g J n s nvr t Z ej n 10 3 col f uo bl adTa ni ei, i guU i iy( h ni g2 2 1 ) m e i f n n a es aAbsr c:Th e eo me t c u s f c l d r d a tv to fg s l e e gn s a a tla s i to uc d ta t e d v l p n o re o yi e e cia in o a o i n ie t p r o d wa nr d e . n n Th u d me tlo mp o i gf e c n my b yi d rd a t a in wa nay e n h e tae isf rr a i e f n a n a fi r v n u le o o y c ln e e c i t sa lz d a d t r e sr tg e o e l- v o

zn yi d rd a t a in we e gv n C mp rn e sr tg e,i' f u d t a l s g t e v le n u t g i g c l e e

ci t r ie . o a i g t t e is t o n h tco i h av s a d c t n n v o h a s n io tf e n h l y id r fe gn s te be to e wh c a e h o rp ro ma c u u lo aft c l e s o n ie i h s n ih c n me tt e p we ef r n e,t e fe c n - he n h u le o o my a d t e e s in f g s ln n i e T e c nto ta e y f r c l d r d a tv to n h a u e r n h miso s o a oi e e g n . h o r lsr tg y i e e ci ain a d te me s r s f o n o l se ig te vb a in a d te u e e l a ig b t e e ci ai g a d a t ai yi d r r x o n e e s nn h i r to n h n v n ywe rn e we n d a t tn n ci t v v ng c ln e swe e e p u d d. Ke wo d y r s:Ga o ie e gn s ln n ie,Cy i e e cia in,F e c n my,Co r lsr tg l nd rd a t t v o u le o o nto tae y

引言发动机部分负荷时切断部分气缸的供油而使工作

2%的显著效果，在 F系列小吨位载重车上推广使 0并用；国奔驰公司从 1 7德 9 4年起在 5 0 E型大客车上进 0S

气缸的负荷提高以改善发动机性能的技术称为停缸技术。早在 11 96年人们就知道了此技术有提高发动机

行了广泛试验，车的动力装置为 5 V型 8缸直接喷该 L射汽油机，果表明，欧洲汽车油耗测试标准，耗结按油率降低 3%;大利阿尔法赫巴伊尔公司公布了电控 0意停缸的试验结果，内行驶节油 1%~ 8 2。随着市 6 1% t 1汽车电子技术的发展，缸技术日趋成熟，停九十年代以来日本三菱汽车公司在日本市场推出了搭载使用停缸技术发动机的汽车，因增加的成本过高而淘汰；后日本

燃油经济性的潜力并且进行了试验，实上它是提高事 汽油机燃油经济性的有效技术措施之一。但上世纪六十年代以前，由于燃油价格相对低廉，这一课题的

研究处于停滞阶段，自七十年代世界能源危机以来，停缸技术受到了国内外越来越多的关注。美国福特汽车

公司自七十年代开展了停缸的大规模试验，累计进行了 10万英里以上的耐久性试验，得了节油 1 5取 5~

本田公司推向市场的 Isi轿车也装备了采用停缸 np e r技术的 J0 3A型 3 6变排量汽油机；国奔驰汽车公 LV德

作者简介：张登攀( 96一)男， 17,硕士研究生，主要研究方向：发动机控制策略及控制技术。

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司小批量生产了使用停缸技术的豪华 S级轿车，在且本国销售¨ 。O

国内在停缸方面的研究起于上世纪六十年代。

16年我国《 92机械工程学报》发表了题为《组合式发动机》的文章，出了组成机 (提断开驱动装置实现部分停缸)的方案设计，论证了技术的可行性，从理论上分析鼹 O6 . 蓬0. 4

了组成机的特性，提出了评价运用节油的近似的算法。 八十年代初期，山东工业学院采用关闭进排气门的方案进行了两种汽油机停缸节油的台架试验。天水军分区采用开阀排压方案在解放车上完成了行车三万公里的试验，果显示节油率达 1 .%,只限于手结 78但控¨。九十年代，风汽车集团公司与湖北汽车工业东O. 2

O2 .

04,

0. 6

0. 8

1O .

负荷率

图 1不 l荷 F的机械效率 司负

学院一起开展了东风牌 14汽车电子控制节油装置的 0开发研制，得了成功，项节能技术获得了国家专取此利加。’目前国际原油价格连创新高，油价格也随之燃

的残余废气量相对减少，从而提高混合气的燃烧品质，减少了发动机的循环波动。图 2为一款六缸发动机小

负荷工况与停止(关闭进排气门和断油 )三缸工作的示功图。在这里，停缸后 ( 3缸工作 )发动机的输出功率与停缸前(缸工作) 6相同，发动机的转速维持不变，可推出停缸前后发动机的平均指示压力 I E nt定 M P e(义为指示功与发动机总排量的比值 )不变的，工是而

节节攀升，社会对汽车的燃油经济性提出了更高要求，显著降低燃油消耗的停缸技术又受到人们的能高

度重视。

1停缸与节油1 1停缸节油的机理 .

作缸的平均指示压力 I E ate指示功与工作缸排 M Pcv ( i量的比值 )显著增加。由于停缸工况下发动机的泵气损失功减少，同时发动机的机械摩擦损失功也减少，从

车用汽油机的一个固有缺点是低负荷时燃油经济

性较差，其机械效率与负荷率的近似关系式可表示为：

而可明显提高发动机的燃油经济性，这是停缸节油的主要原因 r 。

轫

式中 qm满负荷时的机械效率，为使用功率与 q为 n‘有效功率之比。,化曲线如图 1所示。从图可以看 变出，发动机的机械效率随负荷率‘的增大而增大。汽

油发动机小负荷运转时，节气门开度小，节流作用大，换气能量损失增加，造成机械效率下降。进入气缸混

合气的减少和残留废气量的相对增加，使燃烧过程变差，动机循环波动变大，了保持稳定的点火和必要发为的燃烧速度，被迫采用过浓的混合气，致使指示效率显著下降，发动机的经济性变差。若在部分负荷时关闭 部分气缸，就必须供给工作气缸更多的可燃混合气以达到停缸前发动机的功率，这样可增加工作缸的负荷率，而提高发动机的机械效率。从 汽油发动机在部分负荷时，因节气门开度小，节流a

气缸容积“ )%节气门开度较小

气缸容积/ f%)b节气门开度较大

图 2停缸前后不功图的变化

发动机停缸后，烧室总表面积的减少可降低燃燃烧过程的传热损失，而提高了发动机的循环热效率，从

作用变大，致使进气歧管压力降低，发动机的充气效率下降。假如在此工况下，停止部分气缸工作 (缸 )停，要让发动机输出停缸前的功率，必须给工作缸更多的

这也是停缸节油的一个原因。此外美国福特汽车公司 的一项试验表明，在停缸许可的发动机转速范围内，节油效果主要和发动机的平均有效压力有关，与发动而机转速关系不大 J。

可燃混合气，就得开大节气门，使节流作用变小，发动机进气歧管内的压力上升，气效率提高，留在缸内充滞

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第 6期1 2实现停缸控制的技术方案 .

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方案。这个方案的关键技术在于气门关闭与启动的

执行机构， 4为一种关闭气门的执行机构，图国外的技术相当成熟 ',内有待突破。表 1为一辆装备 4缸 :国

由于使用机械的控制方式，统化油器汽油机应传用停缸技术难度较大，随着汽车电子控制技术的发但展，在电控燃油喷射汽油机上采用停缸技术比较容易

2 L的汽车在所示工况关闭两缸与四缸同时做功的节油效果。

实现。该方法就是将发动机气缸分成常工作和间歇工作两部分，低负荷时使间歇工作的一组气缸不工作，而

加大常工作气缸的负荷率，使之经常保持在中、大负荷的经济油耗区运转，达到节油的目的。从应用发展状

况看，实现停缸的方法有三种

J1:仅仅停止供油

(简称断油 )2停止气门运动和断油 (,)简称停阀机 ), 3断油的同时引入工作缸的废气到不做功的气缸内 )(断油回流 )原理如图 3所示。第一种方法在电控，

直接喷射汽油机上最容易实现，考虑到发动机与三但效催化转化器的匹配、动机热负荷的均匀性、流造发气成的热损失和节油的效果等因素，为优先采用的方不

案；第三种方法节油效果较好，结构也不复杂，发动机的进排气系统不作改动，通过单独的管路与控制阀组成的系统把工作缸废气引入不做功的气缸，以使发可动机停缸的气缸保持在一定的温度，负荷基本保持热平衡，而能实现发动机快速恢复到全缸大负荷做功从的工况；第二种方法节油效果最好，阀结构相对停复杂。关闭进排气门与打开进排气门相比，者节流后气缸工作时 b气缸停止= I作时

图 4气门开启与关闭执行机构表 l不同停缸方案节油效果对比 停缸技术方案停阀机断油回流断油怠速 4 2 3 7 2 6节油的效果/% ) ( 车速 4 k/ 0m h 2 2 l 4 l 3车速 6 k/ 0m h l 6 8 8

损失大，门密封面容易遭到污染物粘附，气使密封面遭到破坏¨。从使用情况看目前主要采用的方案是关闭进排气门和切断燃油喷射，采用这种方法，动机停发

缸后可以和三效催化转化器正常匹配，以把发动机可的空燃比控制在 1左右，三效催化转化器处于高的使

转化效率区，因此排放容易控制，这是一个技术可行的对具体的发动机，以其配套的车型和车辆的运行工况选择合适的停缸工况范围。在制定停缸策略时， 要权衡停缸的数目、工况范围、发动机的振动和控制系

统复杂程度等因素。一般来讲，于 46缸发动机，对、 发动机部分负荷时，发动机的一半气缸不做功，让另一半气缸工作。当采用停阀控制方案时，闭不做功气关

缸的进排气门，可以利用原机电控系统的传感器实现a部分负荷换向阀。。。。’。’。。’。。’。’。~

对工作气缸的数据采集与性能监控。

2停缸控制策略 m¨ ',成功应用停缸技术的首要前提是选择好合适的停

…

壁 l I 日日@②@@f l Ib大负荷

缸区域，保证发动机的动力性、经济性、排放性，同时兼顾到动力总成的 N H( V噪声，振动，稳性 )平。

以燃油经济性、放特性等为评价函数，排用查表法使之优化，种方法在现代车用发动机控制系统中有这广泛的应用。控制变量的设定是在脱机的情况下进行的，需要发动机的 MA P图。

图 3断油和引入部分废气停缸示意图

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第3 6卷

停缸区域 M P图对于控制优化起到至关重要的 A作用，根据脱机优化理论，要从三个角度进行获取优化 MA P图的工作。动力性角度。必须保证停缸后动力性不变。通过

3存在的难题与对策停缸技术应用的最大障碍就是停缸后动力总成的摇振加强，随发动机气缸数成反方向变化，J其 2。这挖

是由于发动机停缸后余下的气缸要输出与停缸前同样

台袈试验，分别获得正常模式下和停缸模式下节气门开度信号与转矩 (负荷 )的对应关系。参照上述数据，

的功率需得输出更大的转矩，而且每 70 C 2。 A内工作缸的发火间隔角增大，从而使转矩的波动变大，四缸机停止两缸时摇振最为严重，这已成为停缸技术在四缸发动机上应用的主要障碍。这是因为发动机的翻倒力

确定各个转速下可能的最大停缸区域，保证相同转速下停缸后输出的转矩不下降，满足车辆对动力性的要

求，同时还要考虑切换时不能有明显的转矩跳动。 经济性角度。选择

节油区域。通过发动机台架试验，分别制取相同工况下正常模式和停缸模式的负荷特性，据比油耗的对比，根从得到的区域中找出适合停缸的经济区域。

矩的激振谐次降低和幅值升高，低谐次的激振被强化了。四缸机两个缸工作出现 13主激振谐次，四缸、而工作的最低主激振谐次是 2这说明两缸工作时转矩，波动较大，低谐次的激振被强化了，图 6所示¨ 如。

排放性角度。在保证经济性、动力性基本不变的前提下，出排放恶化的停缸区域。剔

另外，在发动机冷启动、暖机、速加浓、加减速断油

的情况下不适用于停缸模式，汽车在低档( 1如档和 2 档)和倒档的情况下，也不宜采用停缸。在控制上，首先是电控单元 E U以发动机转速传 C

垛

婆垣

感器和节气门(负荷 )传感器采集的信号值与预先存储的数值进行比较，断是否执行停缸，后根据判断判然结果去调用执行相应的控制模块。图 5为停缸节油单片机控制流程图，发动机为直列 6缸汽油机，中该其0 1 2 3 4

B, i i为预先存入 E U中的停缸界限值，、 A C L H为停缸的车速限值。

谐次c

图 6四缸机停缸摇振谐次的变化

在摇振控制上要计算动力总成悬置系统绕纵轴摇摆振动的固有频率和对激振力矩进行谐次分析。如果发动机悬置足够软，有较高的阻尼，并则摇振问题不大。否则，需要加大飞轮质量，用飞轮的储能作用减利少扭矩的不均匀性，而轿车有高的速度响应性要求，限制了用加大飞轮来降低摇振，采用低固有频率的充而

液式悬置件，用蛇行管连接排气管以抑制振动的传递，或者采用主动控制式发动机底座 ( C A teCnrl A E: cv ot i o E gn ut和主动噪声控制 ( N ni Mon) e A C:A teN i cv o e i s Cnr1技术减少停缸后引起的振动。为了回避低频 ot ) o摇振，动机低转速不宜停缸，1发 tt。 45

发动机关闭气门停缸后，不工作气缸内的温度较低，造成发动机的热负荷不均匀。发动机各缸工作强度的不均匀，这对发动机的可靠性和使用寿命有一定的影响。当切换到全缸工作时，由于缸内温度较低，不

能立刻大负

荷工作。上个世纪 8年代德国宝马公司 O图 5控制流程图

开发的一种通过引入部分高温废气到停缸的气缸内， 使其内部温度维持在一定水平，这样保持了发动机内

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第 6期

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部热负荷的均匀，少了零部件的变形和不必要的摩减擦损失，利于发动机输出功率的快速响应 _。 3 发动机采用停缸技术后，解决好工作缸与不工要

eg e uig n id a cc u一0[] oiyo A t ni s s dv u l yl ct f J .Sc t f u n ni i e f e omoie En i e s,pa e o96 46 t gne r v p rn 0 2.

4 Sm l e ul oeeg e er rd co[] uo o i pi dd a—m d ni a out n J .A t— i f nn p i mtr n i e rn ie e g n ei g,1 81 No 7 9 . .

作缸磨损不均的问题，以把控制执行机构与控制软可件结合起来，通过一定的控制策略解决。

5施

展.三菱改进型 V 6电控气门定时和升程发动机

4结束语由于汽油发动机在部分负荷时燃油经济性较差， 故在不影响发动机机动力输出的情况下，过停缸技通术使工作缸负荷提高，让发动机工作在燃油经济区，能

[] J .小型内燃机，19 ( ) 95 1

6周龙保， 刘巽俊，高宗英.内燃机学[, M]北京：机械工业出版社 19 99

7张海涛.发动机停缸控制及其标定[] D .吉林大学硕士生论文， 02 2 1 2 0 008 To o k y a Fuk i Ta s r Na a a, H io a u u, tu o k g mi r y s En o t 1 d e a.

显著降低发动机燃油的消耗。在控制上关闭进排气门和断油的方法是实现停缸优先考虑的方案。由于发动机停缸后，因动力总成振动加强，实际应用受到一定限

Mi u i i i n— MD— A e ra l ip a e n n t bs o - s h Or - N w Va b e D s l c me t E - i -

g e J .S E 3 0 7 i[] A 8 10 n 9徐 兀，徐共建，组建.东风 10汽车电子控制节油徐 4

制，但其不能成为使用的障碍。随着汽车电子控制技术

的发展，国家对车辆燃油消耗的强制限制以及全社会节能意识的提高，如能在振动控制上有所突破，同时降低停缸机构的制造安装成本，缸技术将会受到人停们的重视而得到推广应用。参考文献1 Os n ma Aki Kul r Hi n ta, kme Arln, Al e l a t sa p r To g Cal i k. M eh dst mp o e efc e y o o r sr k to o i r v fiinc ff u to e, s a k ini o p r g t n i

装置的研制[]小型内燃机， 9 1 4 J. 19 ( ) 1徐祖建， 0彭浪，李永红等.东风汽车停缸节油单片机控制试验研究[] J .汽车技术，19 ( ) 94 3

1卓斌， 1刘启华.车用汽油机燃料喷射与电子控制 M]、北京：械工业出版社， 01机 2 0

1罗远荣， 2祖振凯，博渊.车用汽油停缸节油剖析[]姜 J.北京汽车， 94 3 18 ( )1 S n fr 3 a d d,M. .A ln, n o,J l e a dR.T d r u o.Ru u e u l o— d c dfe n c

smp o n m s ostruh cl drdat ao[] u t nade i in hog yi e eci tn J、 i s n viS AE 8 9 401 4

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1杨妙梁.可变排量发动机技术与停阀机构的发展动向 4

( ) J .汽车与配件， 03 3 )上[] 2 0 ( 81杨妙梁.可变排量发动机技术与停阀机构的发展动向 5

『] AE 2 0 J .S 0 1一O 1—3 9 513 F d rn o e e e k Y, K rh v M, F l p o oz o i ip v A, Atma e k N. l a nn oM eh d

a d y tm o o r c nr lo n e n lc mb to to n s se f rp we o to fit r a o usi n

( ) J、汽车与配件， 0 3 3 )下[] 20 (9(稿日期：06—1 0 )收 20 0— 8

(上接第 8 0页)

e iin。对于非手持式发动机还有运转损失 (u. mso ) s rn nn s) igl s的控制要求。 o E A预计新的排放标准的实施，使通用小型汽 P将

E A正在对上述发动机制订新的排放标准，括新的 P包

气体排放标准和新的蒸发排放标准。 制订中的 I发动机气体排放将在 2 1达到类 02年 l (W )I类发动机的气体排放将在 2 1年达 0 k h, I 01到 8/ k ) P g ( W h。E A建议生产商改善发动机燃烧和增加催化剂来满足其要求。在新的排放标准中， P EA

油机的气体排放降低 3%, 5蒸发排放降低 4%。 5参考文献1 4 C R15 .4 ( ) 0 F 0 115 a 2 4 C R14 .6,0 11 5 a 0 F 0 8 15 15 .4 ( )3 4 0CF 6、 4— 2 06 R8 4 7 O

不打算对手持式发动机提出新的气体排放要求。 新的蒸发排放标准适用于手持式和非手持式发动机，包括油箱渗透、油管渗透和整机蒸发排放 (iui df o fsn

(收稿日期：0 7— 7— 5 20 0 2 )

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