◆文/江蘇　范明強(qiáng)

大眾奧迪轎車V8增壓燃油分層直噴式汽油機(jī)（三）

◆文/江蘇范明強(qiáng)

范明強(qiáng)

(本刊編委會(huì)委員)

教授級(jí)高級(jí)工程師，參加過(guò)陜西汽車制造總廠的籌建工作，主管柴油機(jī)的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)；1984年調(diào)往機(jī)械工業(yè)部無(wú)錫油泵油嘴研究所，曾任一汽無(wú)錫柴油機(jī)廠?、第一汽車集團(tuán)公司無(wú)錫研究所高級(jí)技術(shù)顧問(wèn)、湖南奔騰動(dòng)力科技有限公司總工程師。

(接2016年第5期)

十五、汽缸切斷及其節(jié)油效果

汽缸按需工作的汽缸切斷系統(tǒng)，并與發(fā)動(dòng)機(jī)啟停系統(tǒng)相結(jié)合是新的4.0L-V8-TFSI增壓直噴式汽油機(jī)降低燃油消耗的一個(gè)重要因素。

四根凸輪軸的氣門關(guān)閉是由AVS可變氣門升程系統(tǒng)(參見(jiàn)圖6)實(shí)現(xiàn)的：由AVS電磁執(zhí)行器控制可在凸輪軸上來(lái)回活動(dòng)的軸套攜帶著作為附加廓線的零升程凸輪(即具有360°基圓而其廓線升程為零的凸輪片)移動(dòng)，當(dāng)零升程凸輪移動(dòng)到搖臂上方旋轉(zhuǎn)時(shí)，不會(huì)操縱其下的搖臂動(dòng)作，氣門彈簧就使氣門保持關(guān)閉狀態(tài)。AVS可變氣門升程機(jī)構(gòu)可在一個(gè)工作循環(huán)內(nèi)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換，按照V8-TFSI汽油機(jī)的點(diǎn)火次序(1-5-4-8-6-3-7-2)每隔一個(gè)汽缸被切斷，于是就得到一個(gè)經(jīng)調(diào)節(jié)后的汽缸點(diǎn)火次序(1-4-6-7)，從而一列汽缸的內(nèi)側(cè)兩缸氣門(綠色所示)停止動(dòng)作，而另一列汽缸的外側(cè)兩缸氣門(綠色所示)停止動(dòng)作(圖13)。這樣，仍處于工作狀態(tài)的汽缸的運(yùn)行工況點(diǎn)就被移向較高的負(fù)荷，因而提高了工作效率，節(jié)油效果大部分是由于充氣消除了節(jié)流而導(dǎo)致的，而摩擦和壁面熱傳導(dǎo)的減少則進(jìn)一步產(chǎn)生了有利的效果。圖14示出了在不同行駛狀況下汽缸切斷的節(jié)油效果。

圖13　汽缸切斷轉(zhuǎn)換示意圖

圖14　在不同行駛狀況下汽缸切斷的節(jié)油效果

開(kāi)發(fā)這種汽缸切斷系統(tǒng)的最大挑戰(zhàn)是要讓乘客感覺(jué)不到發(fā)動(dòng)機(jī)在所有汽缸和一半汽缸工作之間轉(zhuǎn)換，同時(shí)這種轉(zhuǎn)換必須被設(shè)計(jì)得將轉(zhuǎn)換瞬間不可避免的短暫的效率損失減小到絕對(duì)最小的程度。駕駛員內(nèi)容廣泛的預(yù)告有助于避免例如在環(huán)形交通行駛時(shí)發(fā)生非常短暫的對(duì)節(jié)油反而不利的汽缸切斷階段。

十六、汽缸切斷的運(yùn)行范圍

只要滿足下列條件，就屬于汽缸按需工作(COD)系統(tǒng)的運(yùn)行范圍：

① 冷卻水溫度必須高于門檻值30℃；

② 變速器擋位必須處于3擋或更高擋位；

③ 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速必須處于960～3 500r/min；

④ 發(fā)動(dòng)機(jī)處于中低負(fù)荷時(shí)汽缸切斷系統(tǒng)才起作用；根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的不同，其上限大約處于25～40%最大扭矩之間，這相當(dāng)于160～250Nm之間。

發(fā)動(dòng)機(jī)一半汽缸和全部汽缸運(yùn)行之間能夠如此快速地轉(zhuǎn)換，以致于在裝用自動(dòng)變速器的S系列車型上或處于所謂的動(dòng)態(tài)模式(Dynamic-Modus)時(shí)汽缸切斷功能也能被激活。原則上，采用先進(jìn)的自動(dòng)車速儀恒速行駛時(shí)達(dá)到最大的節(jié)油效果。駕駛員能夠從組合儀表的駕駛員信息顯示屏上得知發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)(圖15)，在發(fā)動(dòng)機(jī)以一半汽缸運(yùn)行時(shí)組合儀表上指示燃油消耗的橫標(biāo)顯示綠色，因此駕駛員能夠選擇經(jīng)常應(yīng)用4個(gè)汽缸節(jié)油運(yùn)行的行駛模式。

十七、轉(zhuǎn)換過(guò)程

當(dāng)預(yù)告存在相應(yīng)的運(yùn)行前提條件并且評(píng)定行駛狀態(tài)足夠長(zhǎng)，因而有節(jié)油效果值得以一半汽缸運(yùn)行時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)就轉(zhuǎn)換到4個(gè)汽缸運(yùn)行。在轉(zhuǎn)換階段，首先汽缸充量增加到大約兩倍，通過(guò)點(diǎn)火時(shí)刻在時(shí)間上的延遲，使得發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出扭矩保持在恒定不變的水平。但是，在這樣的轉(zhuǎn)換階段期間(圖16)，短暫的效率損失是不可避免的。在充量補(bǔ)償完成后，AVS執(zhí)行器就進(jìn)行控制，從而使得氣門在進(jìn)氣行程以后就停止動(dòng)作，噴油也被切斷。在此期間，繼續(xù)工作的汽缸的點(diǎn)火時(shí)刻將向早的方向移動(dòng)，點(diǎn)火角—效率曲線就回跳到其最佳值。在緊接著的4個(gè)汽缸運(yùn)行時(shí)，同樣也會(huì)因點(diǎn)火角而短暫影響到扭矩，同時(shí)例如被切斷汽缸中的氣體彈簧效應(yīng)也會(huì)影響到總的扭矩，因而應(yīng)同步修正點(diǎn)火角。其主要的理由之一是較冷的新鮮空氣替代廢氣被封閉在汽缸中就能將氣體彈簧效應(yīng)減小到最小程度，這就改善了扭矩計(jì)算的精確度，而且減小了活塞環(huán)的壓緊力，但總的效果是因汽缸中封閉著新鮮空氣，帶有效率損失所提供的扭矩總是有所減小。重新恢復(fù)到8個(gè)汽缸運(yùn)行的過(guò)程原則上是與汽缸切斷過(guò)程對(duì)稱進(jìn)行的。

為了減少轉(zhuǎn)換時(shí)刻所增加的燃油消耗，汽缸切斷明顯在充量建立完成前觸發(fā)。為此，已特意為轉(zhuǎn)換過(guò)程開(kāi)發(fā)了一個(gè)調(diào)節(jié)器，它能夠盡可能快速地建立起充量。通過(guò)調(diào)節(jié)器與轉(zhuǎn)換觸發(fā)的協(xié)調(diào)配合，在汽缸切斷時(shí)刻能精確地進(jìn)行正確的充氣，從而能將轉(zhuǎn)換時(shí)間縮短一半以上，使得轉(zhuǎn)換時(shí)刻的燃油消耗甚至被降低到三分之一。另一個(gè)最佳方案是通過(guò)4個(gè)汽缸分級(jí)退出工作狀態(tài)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，但是采用這種方法并不能進(jìn)一步顯著減小轉(zhuǎn)換時(shí)刻的效率損失。由于轉(zhuǎn)換時(shí)刻所達(dá)到的扭矩控制精度，可放棄開(kāi)啟變速箱變扭器的跨接，從而將避免進(jìn)一步損害轉(zhuǎn)換期間的燃油消耗。

圖16　汽缸切斷的轉(zhuǎn)換過(guò)程示意圖

十八、駕駛員意愿預(yù)告及其預(yù)告參數(shù)

如上文所述，優(yōu)化的轉(zhuǎn)換過(guò)程僅使得燃油消耗短時(shí)間稍有提高。為了補(bǔ)償這種燃油消耗的增加，則發(fā)動(dòng)機(jī)必須根據(jù)負(fù)荷工況點(diǎn)將停留在有利于燃油消耗的以一半汽缸運(yùn)行的狀態(tài)保持至少4s，那么才值得轉(zhuǎn)換到4個(gè)汽缸運(yùn)行的模式。因此，重要的是要避免極短暫的以一半汽缸運(yùn)行，其中就要應(yīng)用到駕駛員意愿預(yù)告。駕駛員意愿預(yù)告的基本思想是根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)電控單元中可提供的測(cè)量參數(shù)預(yù)報(bào)下一瞬間發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷需求。

在開(kāi)發(fā)相應(yīng)算法的前期，應(yīng)通過(guò)相關(guān)的分析查明各個(gè)測(cè)量參數(shù)對(duì)所期望的一半汽缸運(yùn)行時(shí)期長(zhǎng)度的重要性。所有由發(fā)動(dòng)機(jī)采集到的測(cè)量參數(shù)都被用作輸入?yún)?shù)，例如行駛速度、車速等級(jí)、加速踏板位置、制動(dòng)壓力、轉(zhuǎn)向角度、負(fù)荷點(diǎn)和道路坡度等，它們都與駕駛員和汽車行駛狀態(tài)直接相關(guān)聯(lián)。判斷時(shí)間點(diǎn)前以及直至判斷時(shí)間點(diǎn)的各個(gè)不同時(shí)刻的這些參數(shù)，及其微分和積分都被用作相關(guān)分析的輸入?yún)?shù)，這樣得到的這些重要的評(píng)估參數(shù)是開(kāi)發(fā)相應(yīng)算法的基礎(chǔ)。

圖17示出了由此所減少的不希望出現(xiàn)的過(guò)于短暫而對(duì)燃油消耗并非有利的汽缸切斷次數(shù)。這些算法的效率明顯高于轉(zhuǎn)換到4個(gè)汽缸運(yùn)行模式前的總滯后時(shí)間，而這種滯后時(shí)間也縮短了足夠長(zhǎng)的發(fā)動(dòng)機(jī)一半汽缸運(yùn)行的時(shí)間，因而也就減小了節(jié)油潛力。駕駛員預(yù)報(bào)的另一個(gè)結(jié)構(gòu)分級(jí)包括導(dǎo)航數(shù)據(jù)在內(nèi)，因此有可能進(jìn)一步縮短過(guò)于短暫的發(fā)動(dòng)機(jī)一半汽缸運(yùn)行的時(shí)間。

圖17　駕駛員預(yù)報(bào)對(duì)可避免的過(guò)于短暫的汽缸切斷次數(shù)的影響

十九、汽車上的汽缸切斷—主動(dòng)系統(tǒng)

在熱力學(xué)上有意義的范圍內(nèi)應(yīng)用汽缸切斷功能總是與發(fā)動(dòng)機(jī)第二階振動(dòng)激勵(lì)(恰好處于4個(gè)汽缸運(yùn)行模式中的較高負(fù)荷)增大聯(lián)系在一起，而這種影響在S系列車型上被兩種主動(dòng)系統(tǒng)有效地克服了。被稱之為“主動(dòng)噪聲抵消”系統(tǒng)(ANC=Active Noise Cancellation)采取有針對(duì)性地抵消音響的方法來(lái)消除不希望有的噪聲，其中應(yīng)用了毀滅性干涉的原理：當(dāng)兩個(gè)頻率相同的波重疊時(shí)，它們的振幅彼此相互抵消，為此所需的前提條件是它們的振幅相同而相位彼此相互錯(cuò)開(kāi)180°，而抵消音響則由音響裝置的擴(kuò)音器輻射，但是不管音響裝置打開(kāi)還是關(guān)閉，主動(dòng)噪聲抵消系統(tǒng)始終起著作用。與開(kāi)發(fā)主動(dòng)噪聲抵消系統(tǒng)的同時(shí)，奧迪公司還開(kāi)發(fā)了第二個(gè)系統(tǒng)—主動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)支承系統(tǒng)，它能抵消發(fā)動(dòng)機(jī)以4個(gè)汽缸運(yùn)行時(shí)所產(chǎn)生的第二階振動(dòng)，這種支承系統(tǒng)能產(chǎn)生相位正好相反的反振動(dòng)(圖18)。這種主動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)支承系統(tǒng)在始終是所有8個(gè)汽缸運(yùn)行的怠速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)仍能發(fā)揮作用，此時(shí)還能夠消除發(fā)動(dòng)機(jī)的第四階振動(dòng)。

圖18　降低汽車噪聲的主動(dòng)系統(tǒng)

(全文完)