可变气缸技术

应用于发动机领域的技术

可变气缸技术通常情况下用于多气缸大排量发动机,例如V6、V8、V12等发动机,因为这些车在日常行驶时并不需要大功率的输出,特别是在越来越拥堵的城市,大排量多气缸的搭配就显得有点浪费,而小排量又无法满足人们对于驾驶乐趣的需求,于是为了解决这样的矛盾,可变气缸技术应运而生,可变气缸可以在不需要大功率的输出时,控制关闭一部分气缸,以减少燃油消耗。当然,今天的小排量发动机领域也同样开始应用可变气缸技术。

可变气缸技术的类别
VCM技术
VCM的全称为Variable Cylinder Management,是一种可变气缸管理技术,它可通过关闭个别气缸的方法,使3.5L V6引擎可在3、4、6缸之间变化,使得引擎排量也能在1.75~3.5L之间变化,从而大大节省燃油。
车辆起步、加速或爬坡等任何需要大功率输出的情况下,该发动机将会把全部6个气缸投入工作。在中速巡航和低发动机负荷工况下,系统仅将运转一个气缸组,即三个气缸。在中等加速、高速巡航和缓坡行驶时,发动机将会用4个气缸来运转。
借助三种工作模式,VCM系统能够细致地确定发动机的工作排量,使其随时与行车要求保持一致。由于系统会自动关闭非工作缸的进气门和排气门,所以可避免与进、排气相关的吸排损失,并进一步提高了燃油经济性。VCM系统综合实现了最高的性能和最高的燃油经济性-这两种特性在常规发动机上通常无法共存。
VCM通过VTEC系统关闭进、排气门,以中止特定气缸的工作,与此同时,由动力传动系控制模块切断这些气缸的燃油供给。在3缸工作模式下,后排气缸组被停止工作。在四缸工作模式下,前排气缸组的左侧和中间气缸正常工作,后排气缸组的右侧和中间气缸正常工作。
非工作缸的火花塞会继续点火,以尽量降低火花塞的温度损失,防止气缸重新投入工作时因不完全燃烧造成火花塞油污。该系统采用电子控制,并采用专用的一体式滑阀,这些滑阀与缸盖内的摇臂轴支架一样起着双重作用。根据系统电子控制装置发出的指令,滑阀会有选择地将油压导向特定气缸的摇臂。然后,该油压会推动同步活塞,实现摇臂的连接和断开。
VCM系统对节气门开度、车速、发动机转速、自动变速箱档位选择及其它因素进行监测,以针对各种工作状态确定适宜的气缸启用方案。此外,该系统还会确定发动机机油压力是否适合VCM进行工作模式的切换,以及催化转化器的温度是否仍会保持在适当范围内。为了使气缸启用或停用时的过渡能够平稳进行,系统会调整点火正时、线控节气门的开度,并相应地启用或解除变矩器锁定。最终,3缸、4缸和6缸工作模式间的过渡,会在驾驶员觉察不到的状态下完成。
VCM技术的代表车型是RDX、雅阁和歌诗图。下图是本田的VCM技术,该发动机采用三级可变气缸管理系统,能够针对路况和行驶状态,在3缸、4缸和6缸模式中切换,提高燃油经济性。
MDS技术
MDS是为克莱斯勒的HEMI发动机量身打造的多级可变排量控制系统,全称为MDS-Multi-Displacement System。
所谓的MDS,实质上与其它的可变排量技术一样,都是依靠关闭相应的气缸来达到节省能耗的目的。由于HEMI发动机采用的是OHV的结构,凸轮轴上布满了凸轮,无法像本田的VCM发动机那样设计比较复杂的副摇臂和液压控制的连接机构,所以只能在原先的结构上想办法。
HEMI发动机的气门是由凸轮轴-挺柱-推杆-气门摇臂这些机构的串联动作来驱动的,任何一个环节如果能够中断便能够实现关闭气门的设想,但是由于发动机的工况需求,要求气门的开启和关闭控制都足够迅速,这样才能够保证平顺性和较快的响应速度,保证V8发动机原本应有的乐趣。
最后工程师们决定在与凸轮接触的挺柱上面做文章,他们为HEMI发动机的挺柱设计了独特的滑块结构,滑块与气门推杆相连,滑块下方有一个可以定位的卡销,卡销可以使滑块与挺柱成为一体,推动气门推杆,或者使滑块活动,使挺柱无法推动气门推杆。工程师们为卡销在发动机中设计了独特的油道,依靠润滑系统中的润滑油提供液压推动卡销(电磁阀控制),卡销本身带有回位弹簧,当液压消失时便能够自动回位。在发动机正常运转时,卡销将卡住滑块使之不能上下自由移动,挺柱直接推动推杆驱动气门摇臂,而当发动机需要关闭气缸时,卡销松开,滑块便能够上下滑动,挺柱上下移动时滑块与挺柱发生相对运动,不再推动推杆,这样一来气门就被关闭,同时ECU停止向该气缸喷油,便达到了“关闭气缸”的效果,实现了“排量可变”。
2005年,第三代大切诺基以及克莱斯勒300C首次装备了带有MDS系统的5.7升HEMI V8发动机。
DOD技术
DOD可变排量控制技术在发动机负荷较小的情况下,能将发动机的6缸燃烧智能切换成3缸燃烧,达到节省燃油、降低排放的双重功效;当急加速或爬坡需要加大动力时,DOD又会启动所有气缸,快速提升发动机的动力输出能量。
DOD可变排量控制技术的切换速度非常之快,以毫秒计的时间无从影响发动机的转速,驾驶者不会感觉到发动机切换的变化。DOD可变排量控制技术是美国通用公司研制的最为实效的节能技术,它是通过细分引擎工作状态,从根本上减少工作缸数,以最直接的方式达到节约燃油的目的。
君越旗舰版的3.0升V6发动机是在美国通用本土研发。这款发动机最大功率为131kW/5400r/min,最大扭矩为244N·m/4400r/min。虽然没有君越豪华版和精英版所配备的2.4升全铝4缸发动机出名,但采用了通用最新的AFM智能燃油管理技术和DOD可变排量控制技术,AFM直译为“智能燃油管理系统”。在AFM的管理下,君越的V6发动机拥有DOD可变排量控制技术,中央处理器会根据各数码传感器收集到的信息进行综合分析判断,当发动机的载荷较小,不需要那么多的动力时,电脑发出指令,停止半数缸,也就是3个缸的喷油、点火工作,让另外的3个缸继续足以胜任工作。而当驾驶者踩下油门加速,或车辆在自动巡航时遇到上大坡的情况,电脑迅速反应,开启所有气缸投入工作。这一切都是自动进行,DOD状态的切换时间以毫秒记。
ACT技术
大众引入全新的MQB平台让新高尔夫7带来了更多质变,其中ACT主动式可变气缸管理系统 (Active Cylinder Management)的应用让大众在增压+直喷发动机技术的基础上更进了一步。发动机的运转变得更加高效而节能,拥有ACT技术的高尔夫7 1.4TSI车型百公里油耗仅4.8升,ACT技术是应用在小排量发动机上的代表。
ACT系统的重要部件:啮合系统Tooth System
在构造方面,基于大众最新MQB模块化系统打造的全新EA211系列1.4升TSI涡轮增压发动机其实和一般的直列4缸增压发动机差别不大。它的独特之处在于,大众工程师专门在进气与排气两根凸轮轴上方装上了两组啮合系统的控制装置,它们位于负责控制第2和第3气缸、经过特殊设计的螺状凸轮上方,从而构成了ACT系统的机械部件
当发动机监测程序需要停止气缸工作时,便会向凸轮轴总成内的ACT电子控制单元下达指令,让啮合系统中的针状物伸进双轨设计的螺状凸轮件,进而移动整根凸轮轴、让凸轮从原本顶压气门的位置挪开,如此一来气门便暂时关闭,停止进气与燃烧动作。而如果是ACT电子控制单元接收到气门恢复工作的指令,那么负责重新开启气缸的另一根针状物便会工作,重新让凸轮回到原本位置上,再次提供发动机所需的空气与燃料。大众官方表示,根据发动机转速的不同,气缸的停止与重启只需要13至36毫秒。
大众的ACT系统可在发动机转速1250转至4000转的区间内都进行工作,而在正常的驾驶情况下、在近70%的时间里发动机转速都在上述区间之内,因此说ACT系统能够很好的帮助发动机节省燃油。根据官方公布的数据来看,有了ACT系统,最新一代高尔夫7 的1.4 TSI车型百公里可节油0.4升,同时每公里减少8克的二氧化碳排放量。如果车型还配有Start/Stop怠速熄火系统,车辆在中低挡位行驶的情况下每百公里更能够节省0.6升;而若是在3挡或4挡高挡位以50公里/小时的速度行驶的话,每百公里油耗更可以减少1升。
可变气缸技术的问题
发动机动平衡
可变气缸技术很可能打破发动机原有的动平衡,特别是对于像本田J35发动机,当处在3缸工作状态时,V6发动机只有一侧的3缸处在工作状态,而另一侧的3缸处于从动状态,发动机就会处于不平衡的状态。工程师利用主动控制发动机支座(ACM)很好地解决了这一问题。该系统利用左右两侧的主动液压减震单元,通过施以反向震动以抵消由于关闭气缸所产生的不平衡。加上VCM发动机以横向布置,所以绝不会产生车身左右震动。
可变气缸发动机噪音
可变气缸技术有可能破坏发动机动平衡,使得震动增加,进而增加发动机噪音。本田的工程师除了采用主动控制发动机支座来降低震动,ANC主动降噪功能也同样能降低震动所带来的噪音问题。类似于BOSE的主动降噪功能,ANC同样利用车内音响系统制造反向波来抑制噪声,特别是在中高速行使时能有效降低车厢内的噪音分贝值。
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