閉缸技術在汽車發動機節能中的應用與研究

陳倩

摘要：汽車節能技術和燃料替代品的應用是當今乃至未來世界汽車技術創新的核心環節，是未來汽車企業生存發展的關鍵，在對于當下各大廠商所廣泛采用的發動機類型，比如：柴油機、普通汽油機、汽油缸內直噴、汽油機閉缸技術及汽油混合動力發動機進行比較，發現汽油機閉缸技術的油耗明顯低于其他的發動機技術。從現在時代主流的閉缸發動機技術入手，來研究閉缸技術的獨特之處，從正反兩面存著批判性的目光來看待這個問題，回顧這項技術的發展歷史以及為何這項技術會應運而生，閉缸技術的獨特性又在哪里，它在汽車發動機節能技術發展中的道路如何。

關鍵詞：閉缸技術;發動機;節能

1? 閉缸技術概述

1.1 閉缸技術的概念

閉缸技術又叫可變排量（Variable Displacement）、氣缸休眠，是一種可以讓多缸內燃機中某幾個氣缸停止工作的技術，在一定程度上節省燃油。

1.2 閉缸技術的用途

傳統意義上，汽車發動機的排量是固定的，根據汽油機的負荷特性，在負荷率較低時，燃油消耗率較高，排放性能較差;在負荷率較高時，不僅燃油消耗率低，而且排放性能變好。在選配發動機時，應選用較大功率的發動機，比如大排量多缸發動機，但其常用工況下的負荷率就會較小，燃油經濟性和排放性能較差;若從經濟性考慮，應選用較小功率的發動機，負荷率較高，燃油經濟性變好，但小功率發動機在加速、爬坡和重載等情況下會出現動力不足等現象。這是選配固定排量發動機的矛盾的地方。

對于排量和功率較大的發動機，若能在其怠速及中、小負荷工況時，控制部分氣缸停止做功，使其余氣缸在較高負荷率的工況下運轉，這樣既解決了燃油消耗率低、排放性能好也避免了發動機因為功率小在加速、爬坡和重載工況下動力性不足等問題，因此閉缸技術運用而生。

2? 閉缸技術在汽車發動機節能中的應用

2.1 汽車發動機節能的背景及意義

現代社會的快速發展導致汽車行業產量及汽車保有量飛速增長，作為內燃機主導的汽車行業發展必然導致汽車耗油量的迅猛增長。同時，石油作為不可再生的能源在被大量消耗，我國的石油能源及產量早已無法滿足國內日益增長的發展需求，供求矛盾已經日趨凸顯。從上個世紀開始，我國石油特別是汽車汽油對進口的依賴程度越來越高。如果不盡早對汽車石油燃料的總量進行系統的統籌考慮和進行汽車節能技術的行業應用，遏制過分依賴進口的石油的需求，勢必將嚴重影響國內石油能源的可持續發展，同時，還會對我國大氣環境造成嚴重的污染，最終必將影響汽車行業的良性發展，甚至影響國民經濟的發展。所以，通過發展發動機節能技術來降低能源消耗的形勢已經迫在眉睫。

汽車節能的意義重大，如何節能，目前絕大多數汽車是靠內燃機作為動力驅動，除了輕量化的車身既空氣動力學的部分應用，汽車的節能換句話說主要是指發動機的節能，傳統的發動機節能是在排量不變的基礎上從提高進氣率、提高機械效率、調整壓縮比及提高循環熱效率等方面著手，鮮少有從發動機排量方面考慮的，而閉缸技術就是一種變排量的發動機節能技術。

2.2 閉缸技術的節能原理

三種經典的發動機閉缸技術：

①斷油不斷氣。

主要是對發動機的特定缸體進行斷油，但是并不停止該缸體的進氣。但這種技術會造成發動機在低負載階段的“泵氣損失”，造成動力損耗，該技術已經近乎淘汰了。泵氣損失，顧名思義，就是由于發動機在低負載時較小的氣門開啟導致活塞與氣門間處于真空狀態，所有活塞向下運動時必將遭遇曲軸箱氣壓的抵抗，導致做功能量耗損。

②油氣雙斷。

這種閉缸技術目前處于主流地位，該技術有效的解決了不停氣引發的“泵氣損失”的技術難題，目前應用閉缸技術的車型中國。幾乎都使用該技術，不過該技術依然不是理想的閉缸技術，比如閉缸時氣缸工作問題不均衡會剛體變形的問題，需要采用輔助溫控技術去控制發動機缸體溫度或者控制閉缸時間等，否則問題就得不到有效的解決。

③在停油又停氣的基礎上再把廢氣引入停缸的氣缸中，以此來維持熱平衡。這項技術理論上來說是閉缸技術的最優解，但是技術難度較大。

3? 閉缸技術發動機在具體車型中的應用

在我國微機自控汽車局部閉缸節油裝置系統研制成功之后，最早實踐的是我國自主研發的解放牌汽車，當時的改裝費用低廉，大約花費1000元，以汽車四大件為基礎進行改造，當時的節油技術已經取得初步的成果，可以將降低油耗為原來的88%，也就是說減少了12%的油耗，這只是一般的數值，在當時的環境之下，該項數值最高達到了20%，這就意味著，在快速發展經濟的當時，每年至少可以為國家減少1.8噸的汽油消耗，讓投資成本的回收時間大幅縮短，最重要的是這項技術不但在降低油耗上有明顯的優點，還可以大幅的減少一氧化碳和碳氫化合物的排放，最高的時候可以達到70%，這項技術也是一項環保的技術，是實現可持續發展的至關重要的一環。當時的很多汽車都有冒黑煙的現象，但是在改造之后，這些汽車都不會再繼續冒黑煙，可以說是肉眼可見的減少環境污染。這項技術也沒有止步于解放牌汽車的應用，在實地調查了當時國內幾個知名的汽車制造廠后，根據不同的汽車所不同的特點，經過小幅度的調整之后讓這項技術也能夠適用于東風牌汽車，在當時，我國的大型汽車以解放牌和東風牌為主，當時的數量可以達到90萬，在改造約50萬輛之后，每年可以節約的汽油量達到了驚人的90萬噸，如果按照當時的市價，每噸汽油800元計算，每年可以節約資金7.2億，創造了非常高的經濟價值，這是閉缸技術在汽車發動機節能技術應用的一個非常成功的實例，也為后來閉缸技術的進一步發展提供了可能性。

在之后的幾十年里，閉缸技術在汽車的發動機的運用大幅度增加，隨著經濟的不斷發展，私家車的數量不斷地增加，當日常用車的耗油量居于領先地位時候，普遍性的節能減排成了迫切需要解決的問題的時候，閉缸技術不僅僅局限在大型的運載車輛，也慢慢的普及到了民用的各種車型，各個汽車廠商都先后根據自己汽車的特性，對閉缸循環技術做了些許改動，將閉缸技術運用于自家的發動機里。

閉缸技術在早期的應用中目標特別純粹，總的來說就是即降低了大排量機型的汽油消耗，又保證了動力的不降低，因此閉缸技術過去只出現在大排量的機型上，如V6、V8甚至更多缸體及缸徑的發動機。

如今使用最廣泛的閉缸技術還是油氣雙斷的方法，如果具體到四缸的發動機機型上，運作的機制是先停掉1和3缸的油和氣，讓其他缸體繼續工作，這樣的運作機制主要是考慮發動機在閉缸時的動平衡和缸體問題的控制問題。

但是如何實現氣缸的開啟及關閉的操作，各大廠家目前的實現方式不盡一樣，舉例來說：

采用的電子氣門機構的寶馬Valvetronic，就是在進氣門上加獨立的伺服電機和蝸輪蝸桿機構來控制進氣門的開啟和關閉。克萊斯勒則是利用液壓挺桿結構來獨立控制氣門，從而實現氣門的升程的變化，進而達到氣缸的開閉。

通用和奧迪的技術大致相同，使用類似可變氣門正時的原理，通過多電控機構控制多段式凸輪軸的左右移動來實現氣門的開閉，該技術實現的升程變化更大，不同的凸輪軸代表著不同的氣門升程。不過兩個廠家也有不同之處，區別在于凸輪軸，奧迪是兩段式，通用是三段式的。通用的三段式結構可以提供三種工作模式，在發動機不同的工況下，高性能、經濟、超經濟三種模式，其中超經濟是四缸機關閉一半的缸體進一步節省發動機油耗。

4? 閉缸技術的優缺點

4.1 閉缸技術的優點和功能

汽油機的一般狀況表明，在考慮其負荷特性時，如果負荷率比較低對于功率大或者排量大的發動機而言，如何利用電子控制技術、在小負荷狀況或是怠速及中時，通過調控使一部分氣缸停止作功，從而使其余氣缸可以在較高負荷的狀態下仍然保持正常的運轉，這就是發動機的閉缸技術工作過程。當發動機處于這種狀態時，工作時耗油量會得到有效的控制，不會像傳統發動機一樣有大量的油耗。除此之外，沒有工作的氣缸所排出的氣體是空氣，因此可以有效地的減少有害物質的排放，在環保方面有很大的優點，如果主推節能減排應該大力推廣該項技術在汽車發動機的應用。而當汽車面臨需要提高動力時，暫時停止工作的氣缸也可以恢復正常的工作狀態，所以說，閉缸技術在當下這個時代當中既可以實現在日常生活當中的低油耗經濟性運作，也可以滿足部分汽車對于進行大負荷工作時的動力要求。

4.2 閉缸技術的缺點和局限性

閉缸技術與部分混合動力技術原理相似，基本是針對低負載情況下的發動機，如車輛在擁堵及減速的情況下，然而這些情況在車輛的整體使用中占比太少，所以對于燃油經濟性的提升并不明顯。

在閉缸發生的時候，即使讓一半的缸體不工作，從理論計算出可以降低50%的油耗，但事實上每一個不工作的氣缸都是通過曲軸連接，并沒有脫離曲軸，所以不工作的氣缸還是在運動狀態，也要克服很多阻力消耗很多能量，所以并不能實現一半的油耗節約。

通過不斷的技術改進，目前行業中認可的理想的閉缸技術，是在油氣雙停的基礎上，利用廢氣的能量，將廢氣引入停缸的氣缸內，以此維持熱平衡。這類技術可以說是閉缸技術上的不二之選，但是實現技術難度之高和研發成本都讓很多廠商望洋興嘆。

5? 閉缸技術的發展

雖然中國汽車市場已經是世界第一大消費市場，但是汽車文化還遠未普及，大多數消費者對于車輛的選擇還是更關注外觀、大小、配置、性價比，對于汽車新技術應用就沒有那么在意;其次較成熟的閉缸技術多用于大排量發動機上，而目前汽車市場私家車保有量已經占主導地位，大多數家庭選車還是經濟適用型的，即使一些四缸機采用閉缸技術實現了燃油經濟性的提高，但其相對應的昂貴的成本使其無法大量普及;另外從環保角度看，國家比較支持的是小排量發動機、混動技術和新能源汽車，所以發動機閉缸技術未來的發展道路可謂任重道遠。

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