立竿見影的節(jié)能減排

衛(wèi)東

當(dāng)發(fā)動機(jī)不需要全力輸出時，為何不能讓部分汽缸去休息？其實(shí)，工程師們在上世紀(jì)石油危機(jī)時就想到了用這種方法來節(jié)省燃油，不過這項(xiàng)技術(shù)一直在小范圍內(nèi)應(yīng)用，而且主要應(yīng)用在大排量發(fā)動機(jī)上。到了近幾年，隨著人們進(jìn)一步挖掘發(fā)動機(jī)的節(jié)能潛能，汽車制造廠商們又將目光投向了發(fā)動機(jī)可變排量技術(shù)，而且成功地將這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用在小排量四缸發(fā)動機(jī)上，接下來這項(xiàng)技術(shù)也將在小排量三缸發(fā)動機(jī)上一展身手。

說到發(fā)動機(jī)的可變排量技術(shù)，人們就一定會想到大排量的美式V8發(fā)動機(jī)。美國人想出了一個簡單的方法來實(shí)現(xiàn)節(jié)省燃油，那就是在車輛小負(fù)荷或怠速運(yùn)轉(zhuǎn)時，將V8發(fā)動機(jī)的4個汽缸關(guān)閉，在駕駛上不會受到影響的同時，使燃油消耗立刻減少。在2005年，克萊斯勒首先將變排量技術(shù)MDS（Multi Displacement System）安裝在克萊斯勒300C的HEMI發(fā)動機(jī)上。

回顧早期克萊斯勒的HEMI發(fā)動機(jī)，它的最大優(yōu)勢在于它比對手更高的燃燒室熱效率。克萊斯勒300C上HEMI發(fā)動機(jī)的燃燒室頂部呈半球狀，火花塞安裝在燃燒室的頂部中央，而進(jìn)排氣門分列在燃燒室兩側(cè)，這樣的結(jié)構(gòu)使它的燃燒效率更高，能產(chǎn)生更強(qiáng)大的功率。這款5.7L HEMI V8發(fā)動機(jī)除了具有半球狀燃燒室這一顯著的傳統(tǒng)特征外，還采用了可變排量MDS系統(tǒng)和每缸雙火花塞設(shè)計，通過改變排量使300C的燃油經(jīng)濟(jì)性提高了20%。MDS的作用是當(dāng)不需要大馬力時可以只用4個汽缸工作，需要大馬力時再轉(zhuǎn)換為8個汽缸工作。

變排量系統(tǒng)能使發(fā)動機(jī)在4缸運(yùn)行模式和8缸模式之間相互轉(zhuǎn)化，使得發(fā)動機(jī)能兼顧高性能和低油耗兩方面要求。HEMI是怎樣改變排量的呢？原來是通過鎖止液壓挺柱，使氣門保持關(guān)閉，從而關(guān)閉汽缸。在24～131km/h之間勻速行駛時少量燃油會噴入四個不工作的汽缸內(nèi)，為的是保持汽缸的工作溫度。隨著2011款克萊斯勒Dodge Challenger SRT8 392的發(fā)布，新一代HEMI V8（345kW/639Nm）也展現(xiàn)在人們面前，這款V8發(fā)動機(jī)仍然保持了變排量技術(shù)，再加上傳動系統(tǒng)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，通用汽車公司宣布將為16款車型配備發(fā)動機(jī)變排量技術(shù)。該技術(shù)的工作原理即在汽車勻速行駛或遭遇長時間堵車時，通過關(guān)閉部分發(fā)動機(jī)汽缸以減少油耗。當(dāng)汽車的車速超過30km/h，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速在3000rpm以下時，發(fā)動機(jī)只需要其中的4個汽缸正常工作；而當(dāng)加速或需要更大功率時，被停掉了的氣門和燃油噴射系統(tǒng)會被瞬間激活。在2012年8月，通用宣布在2013款雪佛蘭皮卡Silverado上搭載了可關(guān)閉4個汽缸的5.3L V8發(fā)動機(jī)。據(jù)通用公司官方資料顯示，截止到2012年，就有將近460萬臺V8發(fā)動機(jī)采取了變排量技術(shù)AFM（Active Fuel Management）。

對于2014款GMC全尺寸皮卡Sierra 1500來說，匹配了全新一代EcoTec3發(fā)動機(jī)——4.3L V6、 5.3L V8 和6.2L V8發(fā)動機(jī)，它們都安裝了AFM系統(tǒng)，也就是說在小負(fù)荷時采取4缸運(yùn)轉(zhuǎn)以節(jié)省燃油。對于Sierra來說，采用的第二代AFM帶來了更順滑的停缸過程和更多的4缸使用頻率。這3款大排量發(fā)動機(jī)還安裝在皮卡Chevrolet Silverado、Suburban、Tahoe和Cadillac Escalade SUV等車型上。

2014年12月，安裝在通用2015款Corvette Stingray上的LT1 6.2L V8發(fā)動機(jī)獲得了2015年世界十佳發(fā)動機(jī)稱號（WARD’S10 Best Engines），而且這款發(fā)動機(jī)在2014年也獲得了這一稱號，也使Corvette Stingray成為著名的運(yùn)動車。這款發(fā)動機(jī)的最大功率達(dá)到336kW，Corvette Stingray從靜止加速到100km/h只用時3.8s，在匹配8AT或7MT情況下高速公路的平均油耗只有8.1L/100km。這款6.2L LT1 V8發(fā)動機(jī)也成為第7代Corvette的核心，AFM也是這款發(fā)動機(jī)的利器之一。

在當(dāng)今這個精打細(xì)算的年代，小排量發(fā)動機(jī)是否也可以應(yīng)用變排量技術(shù)呢？隨著2012年新Polo的面世，大眾給我們帶來了變排量發(fā)動機(jī)新貌。新Polo Blue GT 搭載最大功率輸出103kW的1.4L TSI渦輪增壓汽油直噴發(fā)動機(jī)，匹配7擋DSG雙離合變速器，它的平均油耗可達(dá)到4.5L/100km，CO2排放量是105g/km。新Polo Blue GT的最高速度為210km/h，百公里加速僅為7.9s。之所以既有動力又省油，正是因?yàn)門SI 發(fā)動機(jī)搭載了ACT （Active Cylinder Management）主動汽缸管理技術(shù)，它正是這款車型的一大技術(shù)亮點(diǎn)——該系統(tǒng)可在發(fā)動機(jī)中低負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下關(guān)閉第二缸和第三缸 。新Polo Blue GT每百公里降低油耗0.4L左右，在第三擋或第四擋以50km/h的速度勻速行駛時，其百公里節(jié)油量可達(dá)1L。大眾汽車是第一家在四缸發(fā)動機(jī)中采用主動汽缸管理系統(tǒng)作為節(jié)油技術(shù)的汽車制造商，隨著變排量技術(shù)在小排量發(fā)動機(jī)上的發(fā)展，為經(jīng)濟(jì)性轎車帶來了更實(shí)惠的節(jié)油技術(shù)。

在2012年9月奧迪發(fā)布了在V8發(fā)動機(jī)上搭載了變排量技術(shù)COD（Cylinder On Demand technology）。在2013年10月，隨著新A8在德國的上市，新一代V8和W12發(fā)動機(jī)也揭開了面紗。4.0L TFSI V8發(fā)動機(jī)功率提升了11kW達(dá)到320kW，從1500～5000rpm輸出峰值扭矩600Nm。使新A8從靜止加速到100km/h只用時4.5s，而A8 L用時4.6s。而在COD的作用下，A8的綜合平均油耗只有9.1L/100km，相當(dāng)于CO2排放量只有213g/ km，A8 L是9.2L/100km和216g/km。奧迪表示，在這款車上最顯著的提升效率的裝置就是COD系統(tǒng)。在部分負(fù)荷時，通過關(guān)閉氣門、停止點(diǎn)火和噴油來停止4個汽缸的工作。當(dāng)只有4個汽缸工作時，為了補(bǔ)償增加的發(fā)動機(jī)噪聲，奧迪還采取了主動噪聲消減ANC（Active Noise Cancellation）技術(shù)，在駕駛艙播放精確反向聲波來減小噪聲；并且?guī)p振功能的發(fā)動機(jī)支架會抑制只有4個汽缸工作帶來的振動。

A8 L搭載的W12也革新地配備了COD系統(tǒng)。這款6.3L自然吸氣汽油發(fā)動機(jī)即使在輕量化的設(shè)計后重量也達(dá)到了234kg，其峰值功率和扭矩達(dá)到368kW/625Nm，使A8 L從靜止加速到100 km/h只用時4.6s。在250Nm以下的低負(fù)荷或發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速在3000rpm以下時，控制系統(tǒng)會關(guān)閉左側(cè)或者右側(cè)的汽缸，而當(dāng)斷缸時間過長時，也會點(diǎn)燃關(guān)閉的汽缸以保持汽缸工作溫度。對于搭載這款有著12個汽缸的W12發(fā)動機(jī)的A8 L來說，綜合平均油耗只有11.3L/100km，CO2 排放量只有264g/km。

2014年上市的奧迪新S6也采用了331kW 4.0 TFSI雙增壓V8發(fā)動機(jī)，使其從靜止加速到100 km/h 只用4.4s，平均油耗只有9.2L/100km，對應(yīng)的CO2 排放量是214g/km，這種高效與低油耗、低排放的融合正是變排量COD技術(shù)的功效。在奧迪RS 6 Avant上，4.0 TFSI最大功率達(dá)到412 kW，使它從靜止加速到100 km/h只用時3.9 s，而在COD 的功效下，綜合平均油耗只有9.6 L/ 100 km。

2014年也是奧迪在2010年發(fā)布的A7 Sportback換代之年，其動力上的更新也是必然的，同樣采用了帶COD功能的331kW和412kW 4.0L TFSI發(fā)動機(jī)，這兩款發(fā)動機(jī)不但動力提升了，油耗還有了16%的下降。

而在2014年，當(dāng)奧迪新A3上市時，提供了4款TFSI發(fā)動機(jī)供選擇，其中新增加的就有帶COD功能的110 kW高功率版1.4L TFSI發(fā)動機(jī)。這款發(fā)動機(jī)綜合了高效的節(jié)油技術(shù)，除了增壓直噴、起/停技術(shù)外，COD也成為標(biāo)準(zhǔn)配置，使其CO2 排放量只有109g/km。在低負(fù)荷巡航時，氣門升程調(diào)節(jié)裝置會關(guān)閉第二、三缸的氣門。COD系統(tǒng)在發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為1400～4000rpm和扭矩需求在100Nm以下時啟動。和大眾ACT技術(shù)一樣，在凸輪軸上有兩個不同的凸輪來對應(yīng)可關(guān)閉汽缸的氣門，由電磁閥來控制。當(dāng)COD工作時，也就是凸輪軸零升程的惰性凸輪在工作，進(jìn)、排氣門都處于關(guān)閉位置，同時，噴油器也不工作。只要駕駛者一用力踩下加速踏板，凸輪軸立刻發(fā)生軸向移動，恢復(fù)到4缸工作狀態(tài)。在標(biāo)準(zhǔn)測試情況下，使A3每100 km減少0.4L燃油消耗，當(dāng)駕駛者溫和駕駛時，節(jié)油效果可以達(dá)到20%。而作為標(biāo)配的新一代起/停系統(tǒng)可以使每100km減少0.3L燃油消耗。這兩項(xiàng)加起來的節(jié)油效果是相當(dāng)顯著了。

實(shí)現(xiàn)變排量，對發(fā)動機(jī)做相應(yīng)的調(diào)校也是必需的，不但要在點(diǎn)火順序和動力平衡方面做出調(diào)整，還需要凸輪軸部分凸輪和氣門實(shí)現(xiàn)解耦，使氣門保持停止?fàn)顟B(tài)。當(dāng)前的技術(shù)是指定特定的汽缸實(shí)現(xiàn)停缸，而舍弗勒正在開發(fā)一個新的概念——允許四沖程發(fā)動機(jī)實(shí)現(xiàn)汽缸滾動參與停缸，它的優(yōu)勢不僅可以實(shí)現(xiàn)汽缸內(nèi)更好的溫度均衡，保證發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的均衡，還可以在三缸發(fā)動機(jī)上實(shí)現(xiàn)停缸技術(shù)。

克萊斯勒、通用使用了可切換氣門挺柱，戴姆勒-AMG采用可切換氣門搖臂支持件，大眾采用凸輪軸位移來實(shí)現(xiàn)變排量，舍弗勒則采用全可變電液氣門機(jī)構(gòu)UniAir實(shí)現(xiàn)了對氣門的單獨(dú)控制，為滾動式停缸創(chuàng)造了條件。UniAir不僅全可變控制調(diào)節(jié)氣門升程，還能完全停止氣門開啟。

減少油耗的方法之一就是減小發(fā)動機(jī)排量，而按照熱力學(xué)理論，單缸的理想容積在400～500ml之間，因此單缸排量基本被限定，所以減少排量的方法就是發(fā)動機(jī)小型化，減少汽缸數(shù)。臨時停缸提供了一種非常有吸引力的折中方案，行駛中改變發(fā)動機(jī)排量實(shí)現(xiàn)了發(fā)動機(jī)的“臨時小型化”，達(dá)到了節(jié)油減排的目的，而且這套系統(tǒng)也可比較簡單地整合到現(xiàn)有的發(fā)動機(jī)當(dāng)中，也不會給駕駛者帶來駕駛差異，還保持了良好的駕駛樂趣和舒適性。

將來即使是三缸發(fā)動機(jī)也能從中獲得效益，實(shí)現(xiàn)1.5缸停缸，所以變排量技術(shù)正在成為一種節(jié)能減排的良好方案。汽油發(fā)動機(jī)在部分負(fù)荷時因?yàn)殛P(guān)閉部分汽缸而帶來了良好的節(jié)油效果，今天的電控柴油發(fā)動機(jī)是否也可以在不需要大負(fù)荷時關(guān)閉部分汽缸來減少不必要的能源消耗呢？若可以，那將會更加突出柴油發(fā)動機(jī)的節(jié)油特性。