四缸汽油发动机停缸技术节油性能及能量分配特性研究*

解方喜1,2 王斌1,2 杨国志3 赵平3 李小平1,2 （ 1.吉林大学，汽车仿真与控制国家重点实验室，长春 130025；2.吉林大学，汽车工程学院，长春 130025； 3.一汽铸造有限公司，长春 130011）【摘要】以某款四缸缸内直喷汽油发动机为研究对象，对停缸技术的节能机制进行了探讨，并分析了停止工作气缸气门的不同关闭时刻对发动机性能的影响。研究发现：当气门关闭时刻过早或过迟时，发动机的传热损失、泵气损失和摩擦损失均有所增加，压缩上止点前 30°CA气门关闭时刻可使发动机获得较佳的燃油经济性改善效果，从而有效降低汽油机燃油消耗量；传热损失、泵气损失的降低分别是停缸技术节能的主、次要原因，但其会增加发动机摩擦损失和排气损失。主题词：汽油机 停缸技术 气门关闭时刻 能量分配TK411 A 10.19620/j.cnki.1000-3703.20190333中图分类号： 文献标识码： DOI:

Research on Fuel-Saving Performance and Energy Distribution of FourCylinder Gasoline Engine Using Cylinder Deactivation Technology

Xie Fangxi1,2, Wang Bin1,2, Yang Guozhi3, Zhao Ping3, Li Xiaoping1,2 1. State Key Laboratory of Automobile Simulation and Control, Jilin University, Changchun 130025; 2. College of （ Automotive Engineering, Jilin University, Changchun 130025; 3. FAW Foundry Co., Ltd., Changchun 130011） Abstract In this study, a four- cylinder Gasoline Direct Injection (GDI) engine is used as the research object to【 】investigate the energy saving mechanism of the cylinder deactivation, analyze the influence of different valve closing timing of working cylinder on engine performance. The research finds that, if the valve closes too late or too early, the heat transfer loss, pumping loss and friction loss will increase, and the inlet valve closing timing at the 30° CA before the Compression Top Dead Center (CTDC) has a better improvement on engine fuel economy, thus effectively decrease the fuel consumption of the gasoline engine. Reduction of heat transfer loss and pumping loss are the primary and secondary cause of energy saving of cylinder deactivation, but they will also increase the friction loss and exhaust loss.

Key words: Gasoline engine, Cylinder deactivation, Valve closing timing, Energy distribution 1 前言

发动机的排量设计和匹配大多以满足汽车动力性需求为目标，然而，汽车在城市内行驶时，其发动机大多工作在中、小负荷工况，循环热效率通常较低，燃油经济性差[1- 3]。停缸技术可根据需要实时改变工作气缸数量，使工作的气缸更多地在热效率较高、燃油消耗率较小的负荷率上运转，更好地兼顾发动机的动力性和燃油

经济性[4]。

8 6当前，停缸技术的研发工作已基本涵盖了 缸、

4 3

缸、缸、缸汽油机。国外许多学者对停缸技术进行

Lee N

了相关研究： 发现固定模式下的停缸能够将燃

2.2%~10.0%，

油经济性提高 而变化模式下的停缸能够

2.2%~12.8%[ Ding C 6将燃油经济性提高 5]； 等人在 缸发动机上进行了停缸试验，结果表明，在特定怠速工况

3 39% Aswin K下停 个气缸能够降低 的燃油消耗量[6]；

Ramesh

等人发现在不同负荷下，运用停缸技术和调整

5%~25%

气门关闭时刻可降低 的燃油消耗量，并且有利于后处理热管理[7]。近些年，我国针对停缸技术的

0.33 0.50 0.66研究也日渐增多：班立权在某柴油机 、 及

20%

比功率下进行了停缸技术研究，并实现了 以上的

V6

空载油耗降低[8]；武涛对某 汽油机停缸技术开展了仿真研究，确定了优化停缸工况范围[9]；强强等人模拟

20%~40%

研究了 负荷下不同停缸方案的曲轴扭振特性[10]；俞晓璇等人提出了停缸起始点以及顺序间歇停缸方案，与常规发动机相比，应用停缸技术的发动机燃

20%

油经济性最高可以提升 以上[11]；魏子清等人设计了基于断油回流策略的发动机停缸机构，在中低转速

15%[部分负荷下节油效果明显，最高节油效率可达 12]；

1

陈礼勇等人开发了随机停缸算法，停 个气缸时节

15.28% 3

油率可达 ，随机停个气缸时节油率可达

22.93%[

13]；王瀚轩等人利用仿真和试验测试了停缸位置对四缸柴油机燃油消耗量和有害物排放的影响[14]；汪硕峰等人研究了混氢汽油机不同氢气进气体积比下运用停缸技术时的节能效果，发现在氢气进气体积比

6.5% 2

为 且停个气缸条件下，发动机怠速燃油消耗量

40%[ GT-POWER较原机降低约 15]；黄俊等人利用 建立了四缸柴油机模型，仿真结果表明，停缸技术可有效提高柴油机燃油经济性，并在一定程度上降低碳烟排

Zhao放[16]；王凯等人发现停缸后发动机振动加剧[17]；

Jinxing 2 000 r/min 4 000 r/min

等人发现在发动机 和 部分工况下运用停缸技术可使发动机泵气损失分别降低

58.9%~65.6% 24.5%~35.3%，

和 燃油经济性分别可以提

5.5%~17.6% 3.1%~9.2%[

高 和 18]。

总体看来，国内学者针对停缸技术已经进行了大量研究，然而当前的工作大多集中于停缸技术对发动机性能的影响、停缸技术的实现和组织等方面，对于停缸技术的节能机制还未有清晰的认识和了解。同时，停缸气门的关闭时刻对停缸技术的实际应用效果具有重要影响，但其影响机制和原因也需进一步探究。故本文以某款四缸缸内直喷汽油机为研究对象，基于能量守恒理论针对停缸技术的节能机制通过仿真和试验相结合的方法进行深入探讨，并分析不同的停缸气门关闭时刻对发动机性能影响的差异。

2 研究平台及方案

本文基于一款自然吸气的缸内直喷汽油机搭建了1相应的试验和仿真研究平台，其主要技术参数如表 所示。同时，为保证试验工作的顺利进行，基于飞思卡尔单片机自行开发了电子控制系统，实现了喷油和点火等

GT-POWER

控制参数的灵活调整和控制，并利用 联合

Simulink 1

软件建立了相应的数值模拟平台，如图 所示，依据发动机制造商提供的相关结构图纸及试验测试获得的数据对数值模拟平台的各子模型进行了参数赋值

WoschniGT

及标定。仿真平台开发过程中采用了 传热

Wiebe EngCylTWall

模型、 燃烧模型及 壁温模型。2

图 所示为模拟计算的外特性扭矩和功率曲线与发动机台架试验测试数据的对比结果，仿真结果与试验5%

测试结果误差在 以内。

1 500 r/min 2 500 r/min 4 000 r/min

分别在 、 及 转速

1 2

下进行了停 个气缸和停 个气缸的试验和模拟研

λ 1，

究。研究中发动机总的过量空气系数 始终保持为

1 500 r/min

且采用停缸技术时节气门达到全开状态。 、

2 500 r/min 4 000 r/min 1

及 转速下，停 个气缸时每循

22.6 mg 24.7 mg 26 mg， 2

环的喷油量分别为 、 与 停个

23.9 mg 26.4 mg

气缸时每循环的喷油量分别为 、 及

27.5 mg 2

。相同发动机转速条件下，停 个气缸策略的

1 2

循环喷油量比停 个气缸策略大的主要原因是，停 个气缸时进气系统的节流损失相对较小，进气压力及循环进气量相对升高。

3 研究结果和分析

停缸功能作用时，停止工作气缸的气门关闭时刻决定了其内封闭的气体量，而不工作气缸内封闭气量对发动机机械损失、传热损失、泵气损失和压缩负功等产生一定的影响，进而改变停缸技术对发动机燃油经济性的改善效果，故本文首先针对不工作气缸的气门关闭时间进行研究。

3

图 所示为燃油消耗率和输出扭矩随发动机停止

3

工作气缸气门关闭时刻变化的仿真结果。由图 可知，

1 2

随不工作气缸气门关闭时刻的推迟，停 个气缸和停个气缸策略发动机燃油消耗率均呈现先减小后增大的趋势，而扭矩则呈现先增加后减小的变化趋势。当不工

30° CA（330° CA）

作气缸的气门在进气上止点前 完全关闭时，发动机能获得最低的燃油消耗率及最大的扭矩输

130° CA

出；当不工作气缸的气门关闭时刻提前至 之前

590° CA

或推迟至 之后时，发动机的燃油消耗率和输出扭矩均有所恶化。由此可见，选择合适的气门关闭时刻可更进一步改善发动机燃油经济性。为进一步探明不工作气缸气门关闭时刻对发动机

1 2 130° CA

能耗的影响机制，对停 缸和停 缸策略下 、

330° CA 590° CA 3

和 种气门关闭时刻的有效功、传热损失、排气损失及其他损失的能量分配特性进行仿真，结

6 7

图 和图 进一步给出了其他损失中相应摩擦损失和泵气损失的变化情况。其中，平均摩擦损失指示压力

FMEP）

（ 体现了摩擦损失，平均泵气损失指示压力

PMEP） 6 7 130° CA

（ 体现了泵气损失。由图 、图 可知： 、

330°CA 590°CA

和 气门关闭时刻的排气损失相当，差异

±0.02%

在 范围以内；传热损失和其他损失的变化相对较

130°CA 590°CA 330°CA

大，相对于 气门关闭时刻， 和 气门关闭时刻下的传热损失和其他损失均略有升高。

6 7

同时，通过图 和图 所示的摩擦损失和泵气损失

590° CA 130° CA

变化情况还可以发现，相对于 和 气门

330°CA

关闭时刻， 气门关闭时刻的泵气损失和摩擦损

130° CA 590° CA

失均有所降低。这主要是因为， 、 及

330°CA

气门关闭时刻下停止工作气缸的剩余气体依次减少，不工作气缸的剩余气体量越少时，停止工作气缸内的最高压缩温度越低，散热损失越小，同时，压缩压力依次减小，活塞和壁面等带有摩擦副机构摩擦产生的

FMEP

依次减小，另外，压缩曲线和膨胀曲线重合度提

PMEP

高， 也有所减小。但同时应注意，气缸内压力不应过低，否则可能导致机油泵入气缸影响发动机正常工

30° CA作，因此选择进气上止点前 时刻停缸，此时气缸内部分废气可以保证缸内维持一定压力，防止机油泵入气缸的同时可减小发动机的传热、摩擦、泵气等损失，增加发动机输出的有效功。

对发动机正常及停缸工作模式下的燃油消耗率进行仿真及试验测试。首先手动将不工作气缸转到

130~590°CA

范围内，然后将所需停止气缸的进、排气门摇臂和挺柱取下，并利用自行开发的电控系统停止向其

8

喷油和点火。仿真及试验测试结果如图 所示。8 1 2

由图 可知，停 个缸和停个缸相较于传统四

1 500 r/min

缸工作状态燃油消耗率均有所降低。在 、

2 500 r/min 4 000 r/min 1

、 转速工况下，停 个缸策略测

1.95% 1.20% 1.96%， 2

试燃油消耗率分别降低了 、 和 停

5.94% 5.03%

个缸策略测试燃油消耗率分别降低了 、 和

6.34%

。由此可见，停缸技术是一种有效降低发动机

2 1

燃油消耗量的技术措施，并且发动机停 个缸比停个缸的节油效果更佳。

9 10

图 和图 所示为发动机正常及停缸工作模式下的有效功、传热损失、排气损失及其他损失的能量分配

11 12

特性变化情况。图 和图 所示为其他损失中相应摩擦损失和泵气损失。

9 10 1 2

由图 和图 可知，停 个缸和停 个缸策略排气损失及其他损失与正常四缸工作模式相比均有所升

2 500 r/min

高。然而，停缸技术能显著减小传热损失，

1 2

转速工况下停 个缸和停 个缸策略的传热损失分别较

1.05 2.57 2

正常工作模式减小了 百分点和 百分点，停 个缸策略的传热损失降低更为显著。这主要是因为：发动

4 4

机 个气缸都在正常工作时，个气缸的缸壁、缸盖及活塞都会向外传递大量的热量，传热损失较高；采用停缸技术时，有效热传递壁面显著减少，传热损失降低。停

1 3

个缸策略应用时有 个有效气缸向外显著传递热量，

2 2

停 个缸策略仅有 个气缸可向外显著传递热量，故而

2

停 个缸策略的散热损失降低更为显著。由此可见，散热损失的显著降低是导致停缸技术能够有效降低发动机燃油消耗率的主要因素。

11 12

同时，由图 和图所示的摩擦损失和泵气损失变化进一步可知，采用停缸技术对于降低发动机

2 500 r/min 1

泵气损失极为有利。 转速工况下，停 个

2 PMEP）

缸和停个缸策略的泵气损失（ 分别降低了

17 kPa 34 kPa

和 。这是因为，停缸技术应用时，为保证

4

与发动机个缸正常工作时动力输出一致，需增加工作气缸内的空气总量，进而使得节气门开度增大，节气门处的节流损失减小，进气负压降低，泵气损失改善。然而，停缸技术采用后却对摩擦损失产生了不利

2 500 r/min 1 2

的影响， 转速工况下，停 个缸和停 个缸

FMEP） 6 kPa 16 kPa

策略的摩擦损失（ 分别提升了 和 。

采用停缸技术后，虽然不工作缸的缸内压力减小，摩擦损失下降，但工作气缸内的做功能力却需要提升，燃烧压力升高，导致的摩擦损失加大，加之发动机转动不平衡现象加剧，进而致使发动机总的摩擦损失呈现一定的增加趋势。

4 结束语

本文以某款四缸缸内直喷汽油机为研究对象，通过仿真与试验相结合的方法对停缸技术的节能机制以及不同的停止工作气缸气门关闭时刻对发动机性能的影响进行了研究，得到以下结论：停止工作气缸的气门关闭时刻对停缸技术节能潜力的进一步发挥有一定影响，

30°CA

当气门在其压缩上止点前 关闭时，发动机能获得

130° CA

最佳的燃油改善效果；当气门关闭时刻早于 或

590°CA

迟于 时，发动机的传热损失、泵气损失及摩擦损失均有所增加，燃油消耗率上升；停缸技术能够有效降低四缸汽油机的油耗，在发动机低负荷且采用多缸停缸策略时发动机油耗改善效果更为显著；传热损失降低是停缸技术能够降低汽油机油耗的关键因素。同时，停缸技术对降低发动机泵气损失也有一定的作用，但摩擦损失和排气损失会有所恶化。后续将进一步研究停缸技

NVH

术对发动机 性能的影响。

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（责任编辑 斛畔） 2019 9 17修改稿收到日期为 年 月 日。