動態跳躍點火停缸與輕度混合動力組合的節油效果

1 動態跳躍點火

動態跳躍點火(DSF)的工作原理已經通過樣車向全球展示。DSF首次搭載于5.3 L和6.2 L的2019年度Chevrolet Silverado車上，該車采用了V8發動機(圖1)。采用DSF技術后，與所有氣缸運行相比，V8發動機至少能降低15%的CO2排放[1-2]。為了在相同的行駛性能情況下獲得最大的節油效果，對DSF與其他的動力總成系統組合進行了研究。

DSF優化內燃機運行狀況，使所有氣缸和工作循環僅在最佳效率下運行，而且只有在滿足扭矩需求所必需的氣缸和工作循環才會點火運行(圖2)。當扭矩需求提高時點火氣缸和工作循環數增加，而一旦扭矩需求降低，其點火氣缸和工作循環數量也會相應減少。如果沒有扭矩需求，例如減速期間，就沒有工作循環點火。DSF使進排氣門停止工作，這就消除了換氣損失，并提高了廢氣后處理效果，這種策略被稱為減速氣缸切斷(DCCO)，可以使廢氣后處理系統的含氧量和溫度穩定。這些優點對于進行稀薄運行和化學計量比混合氣運行的發動機十分重要。

圖1 DSF首次搭載于5.3 L和6.2 L 2019年度Chevrolet Silverado車上

圖2 瞬態運行時的DSF工作原理

2 DSF的集成

為了將DSF集成到發動機上，所有氣缸的進排氣門都必須能停止工作，所有的停缸方法都能使用。為了能充分利用這種系統的優點，每個循環都可以獨立工作或停止，而且無需為車載自動診斷系統(OBD)附加額外傳感器。

DSF作為1個軟件包，包含用于氣缸/工作循環點火的算法及其相關的說明和OBD功能，它們被集成到發動機電控單元軟件中，其中還包括用于受DSF功能影響的樣本算法，例如空氣質量、扭矩和過量空氣系數的調節。

3 DSF的瞬態過程和振動-噪聲-平順性(NVH)特性

DSF方案是建立在單獨考察氣缸的每個工作循環的基礎之上的，每個氣缸都在最佳的效率下點火，并且僅利用為滿足扭矩需求所必需的氣缸和工作循環，系統可能在最后瞬間才決定某個氣缸是否必須點火，這就促使進氣空氣節流需更快速地調節扭矩，使扭矩能夠在發動機旋轉4轉之內從全負荷調節到零負荷，或者進行反向調節。

DSF通過算法可以主動控制工作循環運行調節對NVH特性的影響，避免以低頻率重復激勵振動。圖3示出了1輛汽車有無DSF停缸時NVH特性的比較。

圖3 Volkswagen公司捷達轎車有和無停缸時座椅導軌上的振動

采用虛擬和用車輛進行的NVH標定方法使得在各種不同車型平臺上實現DSF的開發費用降到最低。為了保證確保NVH性能，在DSF運行中使用了眾多不同的點火順序，這樣在運行狀況保持恒定不變時就能使用重復的點火順序(圖4)。

圖4 1臺4缸發動機在恒定不變的運行工況點上12個工作循環所選擇的點火順序和點火工作循環的份額

4 DSF的燃油耗優勢

DSF能在保持行駛性能不變的情況下獲得令人信服的燃油耗優勢。圖5示出了Volkswagen公司搭載1.8 L 增壓燃油分層噴射(TSI)發動機的捷達轎車停缸的試驗結果，使用DSF停缸在美國城市道路行駛循環中CO2排放可降低7.8%，而在全球統一的輕型車行駛循環(WLTP)中則可降低6.4%。

圖5 Volkswagen公司搭載1.8 L-TSI發動機的捷達轎車采用DSF停缸的燃油耗優勢

5 輕度混合動力系統與DSF的協同作用

為了與先進的動力總成系統技術相結合獲得最大的燃油耗優勢，DSF與48 V輕度混合動力系統組合成eDSF，這樣與無停缸的車輛相比，燃油耗還可附加降低8%～11%[3]。

由于能顯著改善燃油耗，輕度混合動力系統更具實際意義。它使用帶有皮帶傳動的48V發動機-起動機-發電機(RSG)特別增強的P0系統(圖6)。這種系統提供了以下附加功能：在扭矩需求高的情況下用電動機輔助內燃機以提升扭矩，在制動過程和減速期間回收能量以改善起動-停車性能。即使與P1系統組合，也能成功地使用eDSF。

圖6 按電機位置的不同分為P0～P4系統

在輕度混合動力系統情況下，在高負荷(扭矩輔助)或零負荷(減速回收)時實施扭矩供給或扭矩回收。因為DSF是1種降低部分負荷范圍內燃油耗的節油技術，是對輕度混合動力系統很好的補充。除此之外，在某些工況下，eDSF的好處比幾種單獨措施的組合更大。采用eDSF與輕度混合動力系統組合能通過扭矩平整加大DSF運行范圍、進行扭矩輔助以及改善減速期間的能量回收。 此外，DCCO能防止換氣損失，而混合動力系統則能回收更大份額的車輛動力能量。

在高負荷時，通過扭矩輔助系統的內燃機扭矩由電動機來補充，這樣就能獲得更好的加速性能，特別是對小型增壓發動機非常重要。由于補充了電動機的轉矩，由此而減小了內燃機的扭矩，DSF的運行范圍可相應擴大。通過使用eDSF，就能顯著降低扭矩需求較低時的燃油耗，因而也可明顯降低平均燃油耗。

6 擴大運行范圍

與正常運行狀況相比，停缸加大了扭矩的差別和點火氣缸之間的時間間隔，這就會產生動力總成系統和車輛的低頻激勵。為了進一步降低燃油耗擴充eDSF，以便通過一體式電機(MSG)系統來平整扭矩，從而降低低頻激勵(圖7)。

圖7 eDSF時平整扭矩的原理

部分內燃機在較大的低頻扭矩脈沖時被電動機的負脈沖補償，并用電儲存起來，在工作循環暫停時正扭矩脈沖的能量又重新輸入到動力總成系統中去。為了徹底改善NVH特性，電動機只需部分仿制無停缸時內燃機的扭矩脈沖。通過平整扭矩每個運行工況點都能使其達到最低的燃油耗，同時振動最小，能量儲存和能量反饋供應時的能量損失也最少。

7 對eDSF扭矩特性曲線的平整要求

eDSF通過扭矩平整的能量在MSG、換流器和儲能器之間來回傳輸。為了能使能量損失減少從而降低燃油耗，這個系統的所有部件都必須具有較高的效率，并且它們的頻率范圍必須足夠大，以便覆蓋扭矩特性曲線。

通常，發電機特別是在1 000～2 500 r/min轉速范圍和0～40 N·m動力總成系統扭矩范圍內必須呈現出高效率。用于發動機電控單元和換流器的軟件無頻率限制，扭矩曲線支持的頻率最大可達35 Hz。為了確保精確的扭矩調節，軟件應以模型為基礎。能量儲存系統應由現代蓄電池組成，在機械/化學方面的設計使其能以高效率連續傳輸能量和/或使用電容器。在使用P0系統的情況下，會出現交變扭矩，RSG必須設計安裝在曲軸自由端，若使用P1系統，則無該類要求。

8 扭矩特性曲線平整算法

應用扭矩曲線平整算法，能擴大eDSF的運行范圍，因為動態停缸在某個范圍內可容許使用，超越NVH限值就無法使用。這種算法通過計算使得點火工作循環數與扭矩平整相配合獲得最低的燃油耗，這對于不超過NVH性能限值是必不可少的(圖8)。在更強烈的扭矩平整情況下，因能量損失而使燃油耗增加，在可接受的NVH范圍內選擇最低的燃油耗。這種優化過程由事先設置在發電機電控單元中的基本標定數據和可靠的標定方法來支持。

圖8 對eDSF扭矩特性曲線的平整要求

這種扭矩曲線平整算法為動力總成系統生成1種額定的扭矩曲線，其中也考慮到了MSG動力學。

圖9示出了在汽車轉鼓試驗臺上發動機停缸工作循環時有無扭矩平整的振動加速度和轉速的測量數據，其中因電動機提供了25 N·m扭矩使轉速波動降低了50%。圖9(b)示出了在不同頻率下有無扭矩平整降低轉速波動的情況，在10 Hz頻率下發動機振動加速度改善了92%以上。

圖9 扭矩平整時燃油耗與NVH性能之間的折中

9 eDSF降低燃油耗

在NVH試驗研究結果的基礎上，Volkswagen公司對采用eDSF的捷達轎車進行了各種不同的試驗循環和下列邊界條件下的模擬計算：捷達 SEL(2015)、1.8 L-TSI(EA 888)、6檔自動變速器、帶減振器的飛輪、帶RSG(12 kW)的輕度混合動力系統(P0)，以及電池容量為8 A·h的鋰-鐵-磷酸鹽蓄電池。

這種算法通過計算確定了停缸工作循環的數量、內燃機和電動機的扭矩，并同時確定了自動變速器的檔位和變扭器的轉差率，其目標是在考慮到扭矩和NVH性能要求的情況下使燃油耗最低，而RSG、換流器和儲能器系統中的損失則必須由內燃機來補償。

對于回收能量的減速行駛工況而言，在考慮到發電機和蓄電池儲存能力的情況下應盡可能多地利用能量。如果蓄電池充電狀態超過限值的話，則使用扭矩輔助。在試驗接近終了時，蓄電池至少達到與開始時相同的充電狀態。

圖10示出了eDSF在美國城市道路工況、WLTP和新歐洲行駛循環(NEDC)試驗中降低的CO2排放與基本型發動機及48 V輕度混合動力系統的CO2排放比較，3種動力總成系統都裝備了起動-停車系統。與輕度混合動力系統相比，采用eDSF的燃油耗在WLTP行駛循環中可降低8.4%，而在NEDC行駛循環中則降低達9.5%。這種在燃油耗方面的顯著改善使得用戶使用成本更低。樣車在美國城市道路行駛循環中的試驗結果已由模擬計算得到了證實。

圖10 eDSF節油效果的比較

10 未來高效的DSF動力總成系統

應用DSF技術的汽車具有顯著的節油效果，并有效降低了成本，提升了效益比。

圖11以Volkswagen公司搭載采用可變氣門機構和起動-停車系統的1.8 L TSI發動機的捷達轎車為例，示出了應用DSF技術在WLTP行駛循環中的效益。生產制造商的DSF的成本包括所有的硬件和軟件費用。諸如停缸、米勒燃燒過程(用2個凸輪廓線)和8～10檔自動變速器等常規技術在增加額外成本增加100～200歐元的情況下降低CO2排放小于4%，DSF則可降低7%的CO2排放。以成本/效益比來計算，采用其他方式每降低1%的CO2排放，額外成本增加40歐元，采用eDSF技術每降低1%的CO2排放，額外成本增加65歐元。

圖11 DSF相對于常規動力總成系統技術的優勢

米勒燃燒過程與DSF相組合(mDSF)，可以進一步改善CO2排放。在相同的增壓壓力情況下，有2種不同的進氣門停止工作的方法，分別用于低扭矩和高扭矩工況。mDSF技術降低的CO2排放比單純采用DSF技術要多，而且具有突出的成本/效益比，每降低1%的CO2排放增加額外成本少于30歐元。通過mDSF與eDSF組合，能使CO2排放降低約18%。

DSF技術為達到未來的CO2限值要求作出了貢獻。通過DSF與輕度混合動力及米勒燃燒過程的組合，不僅能降低CO2排放，還能有效控制成本。柴油機應用DSF技術既能降低CO2排放，還能降低氮氧化物的排放。