發動機可變氣缸數控制技術綜述

張飄飄，吳義祥，馮小雨，劉一揚，曹新杰

鄭州財經學院智能工程學院，河南鄭州 450000

0 引言

近年來，隨著資源節約型、環境友好型社會的持續推進，環境保護意識日益增強，節能減排刻不容緩，同時使得汽車設計人員及消費者對燃油經濟性的要求越來越高。目前常用的提高燃油經濟性的途徑有改進燃燒室、提高壓縮比、減少機械零件傳動的摩擦損失等。豪華轎車通常都采用V6、V8甚至V12的多氣缸大排量引擎，但大多數情況下，并不需要大功率的輸出，大排量引擎就顯得有點浪費?？勺儦飧讛悼刂萍夹g可以控制發動機工作時的氣缸數，在無需對發動機進行機械結構上重大改造的同時減少燃油消耗量。

發動機可變氣缸數控制技術，即在低負荷情況下，使部分氣缸停止工作，增加工作氣缸的負荷率；當車輛進行爬坡、加速、起步等全負荷工況時，發動機的氣缸會全部投入工作；當車輛以中低速狀態行駛時，工作的氣缸數會適當減少。簡單來講，就是一種能夠根據道路情況或者駕駛員駕駛狀態對發動機氣缸工作狀態進行調節的一項節能和環保技術，使發動機盡可能工作在低燃油消耗率和低排放工作區內，從而改善車輛的經濟性和排放性能。對于發動機的可變氣缸數控制技術，可挖掘潛力很大，本文綜述了發動機的可變氣缸數控制技術的發展現狀，并對未來的發展趨勢進行了展望。

1 可變氣缸數控制技術發展歷史

1980年，美國通用在第二代凱迪拉賽威發動機上采用了全新鑄鋁缸蓋的HT-4100 V8引擎，該引擎成為世界上第一臺可變氣缸技術引擎，在不需要大功率輸出時，可關閉1/2氣缸，以減少燃油的消耗。20世紀80年代BMW公司研制的可變氣缸數發動機，在部分負荷下6個缸僅用3個氣缸燃燒工作，因此發動機的排量有2.8 L和3.5 L兩種。投入市場的BMW732I型發動機即采用這種結構，該發動機3個氣缸運轉的時間占總時長的85%，在歐洲城市街道上行駛可以節省約25%的燃料。1982年2月投放市場的海市蜃樓II型轎車和槍騎兵轎車同樣采用的是奧利安可變排量發動機，由三菱汽車工業公司研制，根據車輛行駛狀態改變工作氣缸的數目，與裝有同樣發動機而強制4缸工作的車輛相比，油耗低20%。1996年3月日產汽車公司研制了E型發動機，并裝在“脈沖星”牌轎車上，可在汽車行駛時自動改變發動機工作氣缸數目?？勺儦飧准夹g理論上價值高，但受限于當時的計算機技術，引擎采用機械方式來控制，不僅噪聲大，而且穩定性差，小概率情況下會出現卡死現象，因此限制了可變氣缸技術的發展。

2 可變氣缸數控制技術現狀

目前具有代表性的可變氣缸數控制技術有本田汽車的VCM技術、奔馳汽車的MDS技術、通用汽車的DOD技術以及大眾汽車的ACT技術等。

2.1 VCM技術

VCM(variable cylinder management)是本田公司的一種可變氣缸管理技術，最早運用VCM技術的車型是2005款的Accord Hybrid車和2005款的Honda Odyssey車。該技術通過采用關閉氣缸方法，使3.50 L的V6發動機在3、4、6缸變化，即發動機排量在1.75～3.50 L變化。借助3、4、6缸的3種工作模式，VCM系統可對節氣門開度、車速、發動機轉速、自動變速箱擋位選擇及其他因素進行監測，以針對各種工作狀態確定適宜的氣缸啟用方案，使其隨時與行車要求保持一致。由于VCM系統會自動關閉非工作缸的進氣門和排氣門，所以可避免與進、排氣相關的吸排損失，進一步提高了燃油經濟性。

VCM系統的核心部件是單頂置凸輪軸的智能可變氣門升程控制(i-VTEC)機構，通過VTEC關閉進、排氣門，以中止特定氣缸的工作，并由動力傳動系控制模塊切斷這些氣缸的燃油供給。但是，非工作缸的火花塞會繼續點火，以減緩火花塞的溫度降低速度。為了使氣缸數量的變換能夠平穩進行，VCM系統會確定發動機機油壓力、催化轉化器的溫度，同時調整點火正時、線控節氣門的開度，并相應地啟用或解除變矩器鎖定。3、4、6缸3種工作模式的變換不會造成發動機動力瞬時性中斷，變換過程駕駛員幾乎覺察不到。

2.2 MDS技術

MDS(multi-displacement system)多級可變排量控制系統，該系統最早在2005年應用在HEMI發動機上,是奔馳特有的發動機技術。發動機的挺柱上設計了獨特的滑塊結構，滑塊與氣門推桿相連，滑塊下方設有可定位的卡銷，卡銷上帶有回位彈簧?？ㄤN可使滑塊與挺柱成為一體推動氣門頂桿，或使滑塊與挺柱批次分離發生相對移動。發動機正常工作時卡銷使滑塊與挺柱相對靜止，挺柱推動推桿驅動氣門搖臂，控制氣門開閉；發動機需要關閉氣缸時，卡銷松開滑塊與挺柱相對移動，無法推動推桿，便實現關閉氣門的效果，同時ECU控制停止向該氣缸噴油，進而達到發動機排量可變的目的。該系統使發動機工作氣缸在8缸和4缸之間隨意切換,極大提高了發動機的燃油經濟性?？巳R斯勒大量測試結果表明，車輛在市區和高速公路行駛時MDS的使用率為17%和48%，總體平均使用率為40%，在各種行駛條件下,燃油經濟性將提高10%～20%。MDS的靈敏度非常高，氣缸的切換僅需要0.04 s。迅捷地切換速度不僅節約燃油，不影響駕駛員駕駛，而且保證了乘坐的舒適性。

2.3 DOD技術

DOD(displacement on demand)可變排量技術，是美國通用公司2004年推出的節能技術，通過細分引擎工作狀態，在發動機負荷較小的情況下，將發動機的6缸燃燒智能切換成3缸燃燒，從根本上減少工作缸數，以最直接的方式達到節省燃油、降低排放的雙重功效；當急加速或爬坡需要加大動力時，DOD又會啟動所有氣缸，快速提升發動機的動力輸出能量。發動機工作缸數量的切換非常迅速，在以毫秒計的時間內完成，對發動機的轉速影響微乎其微。這種6缸和3缸智能切換排量技術，可降低2%～8%的燃油能耗。

2.4 ACT技術

ACT(active cylinder management)主動式可變氣缸管理系統，通常而言，可變氣缸數控制技術更多是應用在大排量發動機上，但大眾此前發布的EA211系列發動機中的1.4TSI發動機同樣采用了該技術，也是第一家在4缸發動機中采用主動氣缸管理系統作為節油技術的制造商。工程師在進氣與排氣兩根凸輪軸上方裝上了兩組嚙合系統的控制裝置，凸輪是可以橫向移動的，它們負責控制第2和第3氣缸。當需要停止氣缸工作時，便會向控制單元下達指令，讓導向柱下行伸進偏移軌道，進而移動整根凸輪軸、讓凸輪從原本頂壓氣門的位置挪開，此時第2和第3氣缸的氣門搖臂頂到圓輪，圓輪在旋轉時不會再推動搖臂，氣門就暫時關閉了，此時噴油嘴停止噴油，第2和第3氣缸停止進氣與燃燒動作。如果控制單元接收到氣門恢復工作的指令，那么負責重新開啟氣缸的另一根導向柱下行，重新讓凸輪回到原本位置上，第2和第3氣缸的氣門可以正常開閉。與其他可變氣缸技術一樣，氣缸的切換可以在極短的時間內完成，官方數據表示氣缸的停止與重啟僅需要13～36 ms。

ACT系統可在發動機轉速為1 250～4 000 r/min的區間內工作，因此絕大部分的工作區間都可以控制氣缸數量，很好地節省燃油。搭載ACT技術的高爾夫7 1.4TSI車型百公里油耗為4.8 L。

2.5 其他可變氣缸數控制技術

奧迪氣缸按需運行系統，奧迪A8L 4.0 TFSI和S8、S6搭載的高低不同功率版本的4.0 L V8 TFSI雙渦輪增壓發動機，便具備氣缸按需運行系統的變缸技術。在部分符合要求下，發動機由8氣缸切換為4氣缸工作狀態，切換為2.0 L的V4發動機。蘭博基尼變缸技術,2013款的Aventador搭載的V形12缸發動機便具備發動機變缸技術，6缸切換至12缸時需耗時180 ms，同時需要鋰電池組作為啟動能源。

3 發動機可變氣缸技術缺點

可變氣缸技術確實可以減小燃油消耗,但也很可能打破發動機原有的動平衡,特別是對于像本田J35發動機,當處在3缸工作狀態時，V6發動機只有一側的3缸處在工作狀態，而另一側的3缸處于休眠狀態，發動機就會處于不平衡的狀態。大眾的EA211發動機第2和第3氣缸關閉時，保留1、4缸工作，發動機原有的平衡被打破，使得振動加劇,進而增加發動機工作噪聲。

工程師對這些可變氣缸技術中產生的問題進行了研究,但沒有完全解決這些問題，這或許也是小排量發動機沒有大規模應用該技術的原因，這就需要汽車領域方面的工程師繼續完善該技術。如果這項技術在未來能得到廣泛的應用，將會對汽車行業產生深遠的影響，對汽車未來的研究做出重大貢獻，對環境的保護也大有益處。

4 結束語

發動機可變氣缸數控制技術既能夠滿足較大排量發動機動力性的要求，又能符合燃油經濟性和環保的要求，在需要時爆發強大動力，而日常使用時維持低油耗。目前小排量發動機可變氣缸技術尚不成熟，隨著時間的推移，這項技術在未來會逐步趨于完善。不論燃油汽車、混合動力汽車還是純電動汽車，最大限度地降低能耗，是汽車領域長久的發展方向。