燃油經濟性是目前内燃機研發的首要目标,法律法規不會要求發動機能有多強勁的輸出,但是對于氮氧化物、顆粒物的排放卻有着明确的要求,所以燃油經濟性、排放是内燃機最大的考驗。
所以很多汽車廠商推出各種手段,目的是為了在不降低功率的前提下保證發動機能滿足更嚴格的排放法規要求,其中雙噴射、提高壓縮比、高滾流進氣道等都是辦法,但今天要說的是另外一個辦法——閉缸。
與其利用各種手段擠牙膏式減排,閉缸會不會是一個比較簡單粗暴的方法?閉缸技術在很多大排量多氣缸車型上會看到,主要是在車輛巡航或者低負載低轉速情況下關閉部分氣缸,達到節能減排的目的;而目前凱迪拉克上的四缸發動機上也能關閉兩個氣缸,在低負載時使用兩個氣缸運轉。
有趣的是,這項技術在排量越大,氣缸數越多的發動機上效果會越明顯,當然,也不是說小排量的發動機效率不高,理論上小排量發動機是更高效、省油的,因為他們的摩擦損耗更小,而且重量、體積都更小。所以閉缸技術并不能讓效率已經很高的小排量發動機提升效果如大排量發動機般明顯。
讓大排量發動機的效率接近小排量發動機這就是閉缸技術的目的,它的作用就是讓車輛具備完全可調的氣缸關閉能力。比如說一台V8發動機,可以通過電腦控制隻運行一個氣缸或者8個氣缸,或者1-8個氣缸任意組合,這就是動态閉缸技術的神奇之處,但是一般情況下很多廠家為了統一設計或者使得這項技術更加可靠,會讓固定的氣缸關閉,而某些氣缸會長期運行,通過閉缸技術可以做到理論極限以及最大效率的提升。
其中一種方式是通過關閉進排氣門實現閉缸,而關閉進排氣門的方式也有很多,這裡主要說的是使用鎖止銷的方式,由于進排氣門的結構近似,所以在關閉某個氣缸時,會同時關閉它的進排氣門。
發動機正常工作時和平常一樣,凸輪軸通過搖臂來控制氣門開關,鎖止銷會起到鉸鍊的作用,随着凸輪轉動,搖臂以鎖止銷為支點擺動,下壓開啟氣門;鎖止銷通過液壓作用保持在固定的位置,而鎖止銷是可以進行實時控制的,當你想要關閉這個氣缸時,就可以通過鎖止銷來實現。
液壓油會從油路進入鎖止銷(類似活塞設計,左右皆可有液壓油),将鎖止銷推開,不再和搖臂連接,當凸輪軸再轉過來時,就變成了搖臂以氣門為支點,将搖臂從另一邊壓下,這樣氣門就不會被打開,氣缸也不會點火。
理論上這個技術可以以任意的氣缸數和氣缸組合進行閉缸,所以電腦檢測到當前工況所需要的的最少氣缸數,比如在高速續航時,也許隻需要兩個氣缸就可以滿足動力需求,而且因為它可以動态控制任意氣缸的關閉和點火,所以可以通過選擇最佳的點火順序做到良好的運轉平衡,因此和一般用在四缸機和八缸機上的閉缸技術相比較,動态閉缸技術的平衡性更好,效率也更高,也不用擔心因為缺少了某個氣缸會導緻震動等現象。
最重要的原因是隻運行1個氣缸的泵氣損失會小很多,如果從節氣門開度的角度考慮,當發動機隻運行1個氣缸時,為了讓它吸入足夠的空氣,節氣門要相對開得大一些;如果多個氣缸同時工作,每次就不需要那麼大的進氣量,節氣門開度相對單缸工作時就要相對小一些。節氣門開度變小,意味着發動機要做更多的功來吸氣,而發動機的泵氣損失等于(排氣壓力Pe-進氣壓力Pi)x排量V,所以我們可以知道進排氣壓力的作用,如果進氣壓力非常高,等式中括号裡的數值就會變小,意味着泵氣損失更小,或者排氣壓力非常小,泵氣損失也會減少。
這就意味着能量能夠得到最大化使用,如果所有的壓力都用來做有用功,當排氣門打開時排氣壓力就為零,當然這是理想化狀态。進氣時同理,如果外界空氣的壓力很高,發動機不需要浪費大量的能量去吸入空氣,那麼發動機的運轉效率就會更高,這是隻使用單個氣缸和多個氣缸産生相同功率的最大優勢,節氣門開度更大,泵氣損失更小。節氣門開度很小時,有點類似減震器的工作原理,從很小的開口吸入空氣會産生熱量,進一步浪費發動機的能量。
另一個原因是:發動機在低負載下多缸工作時從氣缸套流失的熱能更多。如果低負載時每個氣缸産生的熱量隻有平時的一小部分,而氣缸套的散熱能力不變,和高負載運行時相比,多缸低負載流失熱量的比例更高,發動機在負載較高時運轉更有效率,雖然燒了更多的油,但是也産生了更多的馬力,所以可以通過閉缸技術來避免這些功率的損失。在維持低負載的馬力需求時,也提高了燃油經濟性。
上文說過,這項技術在氣缸數越多的發動機上效果越明顯。假設我們有一台16缸的發動機,但是這時候的運轉負載很低,這時的節氣門幾乎處于微弱打開狀态,16個氣缸同時運行和單個氣缸運行相比,泵氣損失的差距是比較大的,所以單缸運行的效率會高很多。
采用閉缸技術的另一個好處在于發動機的進排氣門都關閉了,而且氣缸内沒有點火,因為氣缸内部沒有空氣進出,所以其他氣缸是沒有泵氣損失的。
根據某些研究,閉缸技術可以減少7%-15%的二氧化碳排放,降低10%-20%的油耗,而且這些數字會随着發動機的體型變得更優秀,越大排量,越多缸數的發動機表現會越出色,但小排量發動機不會有大排量發動機般變化明顯。
這項技術省油最核心的原因是減少了泵氣損失,減少了泵氣損失發動機的效率自然就提高了,而大排量多缸發動機在低負載時的泵氣損失要比小排量發動機更大,所以閉缸技術應用在大排量發動機上作用更加明顯。除了以上這種方式以外,還有很多諸如切換凸輪閉缸的技術,隻是實現手段上的不同,但作用是一樣的。
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