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TUhjnbcbe - 2021/12/17 15:19:00
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不久前的洛杉矶车展上,马自达发布了新马自达6,其搭载的创驰蓝天2.5L自然吸气发动机,这款发动机有趣的地方在于:拥有可变气缸技术,即停缸技术。这是一款四缸发动机,在低速行驶中可以关闭两个气缸,以此来提高燃油经济性。

显而易见,两个缸工作的时候相比四个缸工作会将近节约一半的油,这就是停缸技术带来的好处。

随着油价的不断飙升,发动机的各项节油技术也成为商家们最为推崇的一大卖点,而在纷繁复杂的高科技中,“停缸”则成为大排量多缸车的主推技术。

其实对停缸技术我们并不陌生,福特、奔驰,都曾在上世纪70年代开始使用停缸技术,但由于技术限制,只能用于V8、V6发动机。

闭缸的核心技术是什么?

闭缸技术的基本原理是:火花塞不点火+不喷油+进排气门关闭;行车电脑再根据汽车负载情况:如节气门位置、发动机转速、车速、档位、水温、空调等等确定该什么时候停缸。在需要停缸时,通过停缸机构立即关闭进、排气门,同时相应的喷油系统也被关闭,当行车需要大负荷时候,行车电脑再根据传感器反馈的信号重新让停止的缸恢复燃烧,对外做功。

对于停缸技术来说,其中的进排气门关闭属于关键技术。比较传统的技术方式为:一种特殊的机械结构实现进排气门的关闭。如气门机构为摇臂式的结构时,通过一个可切换式的液压挺杆替换需停缸的原机构实现气门关闭,如下图所示:

机构最核心部件是锁销,停缸时,锁销在高压机油作用下与挺杆外壳脱离,挺杆内壳在凸轮驱动下和空转弹簧作用下往复运动,但不会驱动气门,保证了气门关闭。正常工作时,机油压力降低,锁销进入外壳内连成一体,在凸轮驱动下共同运动。

目前比较先进的关闭进排气门技术是,电磁阀驱动气门技术。因为电磁驱动气门,每个气缸的进、排气门开启和关闭时刻都可独立控制与调节,这就可以非常容易的通过实现进排气门的关闭来进行停缸。

众所周知,停缸技术在节油上是具有重大贡献的,大约可以节油30%以上,这是个非常了不起的数据,但是停缸也会带来诸多缺点,第一是动力下降,这点可以通过靠调节气门闭合度,喷油量来弥补。

另外一点是,停缸带来的振动变得很差;所以从停缸技术面世以来到现在,停缸技术基本都在8缸机,6缸机以上得以应用。8缸机停止了4缸,还有4个缸在工作,6个缸停止了2缸,也还有4个缸在工作。为什么一定要剩四个缸在工作呢?因为四缸机的振动效果是比较好的。四缸机是解决一阶振动的最小缸数,说到这,我们再啰嗦下一阶振动。

四缸机的点火顺序一般为:1-3-4-2。1、4缸和2、3缸为两组,每组活塞同时向一个方向运动,虽然点火的时间不同,但是都是同时向上或向下,如1,4缸同时向下运动,1缸在做功,而第4缸在进气。都是同时向下运动,起到平衡的作用,如若不是,则以发动机曲轴中心为支点,曲轴前后受力不均,发生摇摆振动,即一阶振动。

马自达为啥关闭两个气缸?

而阿特兹上面的2.5L四缸发动机,还要关闭两个气缸,只剩下两个气缸工作,甚至再大胆想象一下只剩下一缸来工作,这些需要解决哪些问题呢?那我们先说说剩下1缸工作的情况。如果如此,那么这款马自达2.5L发动机的最大功率为kW,最大扭矩为Nm,单缸为0.6L,可以发出35.2kW的功率,64Nm的扭矩。

工程师首先要计算,车辆最小负荷需要用到的发动机功率和扭矩。比如车辆挂到最高档位,车速为80km/h的这个点就可能是车辆负荷最小的点,通过个点可以反推出发动机需输出的最小功率、扭矩是多少。经过初步估算,1.6吨左右的阿特兹要满足正常行驶至少需要65KW左右的发动机来驱动,当然可以评估小于65KW,在某些工况可以让汽车工作。

如以上说的最小负荷点,小于65KW,也可以让汽车正常行驶。如果从这点来考虑,在高速负荷很小的时候,是可以停止3缸,只让1缸来工作的。

但是工程师除了要考虑发动机能够满足最小负荷点所需求的最小功率外,还要考虑其他的方面,相对乘客和驾驶者来说,就是乘坐舒适性。影响车辆乘坐舒适性的主要因素就是发动机的NVH性能,即振动和噪声通过车身,等传递到驾驶舱。

那么问题来了,1缸的振动性有多差呢?1缸工作,点火间隔为度,在进气、压缩、做功、排气四个冲程中,只有一个做功冲程是有用的,再到下一次做功需要间隔度。动力输出间隔为总循环的四分之三,动力输出非常不连贯,当然振动性是最差的。且一阶振动完全无法避免,所以摩托车的单缸发动机曲柄一般都做得较大、重,来平衡这种一阶振动,有点相当于平衡轴的作用,但是效果是很差的。

那么停止两缸呢,是否会好一点?如新款阿特兹上的那款发动机。在低负荷时采取停止两缸来达到节油的效果,停止两缸,剩下另外的两个缸来工作。点火间隔为度,在一个缸进气行程时,另外一个缸是做功冲程,也就是两组活塞同时向上或者向下运动,所以从这点可以分析出四缸采取停缸技术,要么只能停止1、4缸让2、3缸工作,要么只能停止2、3缸,让缸1、4工作。

如果1、4缸停止,2、3缸工作,这种状态虽然1、4缸没有对外做功,但曲轴是一个整体式的结构,1、4缸的活塞还是在曲轴的旋转运动惯性带动下,不断地做着上下往复运动,而方向相反。因为停止的两缸没有做功的关系,一阶振动能够抵消一部分,大部分还存在,要解决剩下的一阶振动带给用户的不适感,主要靠振动路径上来解决。

如发动机的安装点都可安装发动机托架上,而不是车身纵梁,这样振动就可以得到衰减、而让乘客体会不到强烈的振动,还有悬置技术的先进化,如空气悬置的运用,双质量飞轮的应用也可以让振动得到有效衰减,从而满足乘客的乘坐舒适性。可以评估新马自达6在隔振技术上是下足了功夫的。

AL频道小结

目前,美国三大汽车公司生产的超过万辆的汽车应用了停缸技术,后续肯定会继续普及。“停缸”这项当初还被少数人称为过渡时期的技术,随着NVH技术的不断进步,使它离主流技术越来越近,不仅8缸机,6缸机上会不断出现停缸技术,相信在不少主机厂的下一代四缸机产品中,这项技术都将成为不可缺少的一部分。

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