Влияние технологии деактивации цилиндров на экономию топлива в двигателях цикла Отто

Тихая революция в эффективности двигателя

Неустанное стремление к большей энергоэффективности и снижению выбросов выхлопных газов изменило современный двигатель внутреннего сгорания. Среди многих инноваций, введенных за последние несколько десятилетий, технология деактивации цилиндров появилась как практическая и все более совершенная стратегия для улучшения экономии топлива циклических двигателей Отто. Позволяя двигателю временно уменьшить его эффективное смещение, этот подход устраняет разрыв между требованиями к мощности энергичного вождения и экономичностью, необходимой во время плавания в устойчивом состоянии. То, что началось как проблемный эксперимент в начале 1980-х годов, превратилось в сложную систему электронного управления, которая теперь является краеугольным камнем конструкции силовой установки, ориентированной на эффективность. Сегодня миллионы транспортных средств на дороге полагаются на эту технологию для экономии топлива без ущерба для управляемости, и текущие достижения продолжают раздвигать границы того, что может достичь двигатель с искровым зажиганием.

Понимание деактивации цилиндров

Цилиндровая деактивация— также называемая переменным смещением или смещением по требованию— представляет собой экономичный метод, который отключает заданное количество цилиндров, когда двигатель работает при легкой нагрузке, чаще всего при скоростных магистралях или при мягком замедлении. В восьмицилиндровом двигателе, например, система может легко отключить четыре цилиндра, преобразовывая силовую установку в четырехцилиндровый блок. Остальные активные цилиндры затем работают при более высокой нагрузке, приближаясь к своему наиболее эффективному диапазону на конкретной карте потребления топлива. Когда водитель требует большего крутящего момента, спящие цилиндры реактивируются почти незаметно, восстанавливая полное смещение. Основная идея проста: доставить только столько мощности двигателя, сколько необходимо в любой данный момент, и тратить как можно меньше топлива в процессе.

Концепция не нова. General Motors представила первую систему деактивации цилиндров производства в 1981 году на своем 6,0-литровом V8, продаваемом как двигатель V8-6-4. Система использовала примитивный электронный контроллер и гидравлически приводимые в действие соленоиды для отключения двух или четырех цилиндров. Однако из-за медленных скоростей обработки, ненадежных клапанных подъемников и отсутствия сложного управления крутящим моментом система страдала от грубых переходов, плохой надежности и обратной реакции клиентов. Всего через два модельных года GM прекратила эту опцию, оставив негативное впечатление, которое потребовалось десятилетия, чтобы преодолеть. Только в конце 1990-х и начале 2000-х годов автопроизводители смогли с уверенностью вернуться к деактивации цилиндров. Honda запустила свою систему переменного цилиндра (VCM) в 2003 году на V6 Accord, а Chrysler последовал за своей системой многоразового перемещения (MDS) на 5,7-литровом HEMI V8 в 2005 году. Сегодня технология широко используется в семействах двигателей от четырех цилиндров до V12, с уровнями уточнения, которые делают переходы почти неза

Как работает деактивация цилиндров в отто-циклах

Цикл Отто следует последовательности четырехтактного впуска, сжатия, мощности и выхлопа. Традиционно все цилиндры выполняют эту последовательность непрерывно, даже когда используется только часть потенциального крутящего момента. Деактивация цилиндра изменяет этот ритм, предотвращая открытие впускных и выпускных клапанов на деактивированных цилиндрах, эффективно захватывая фиксированное количество газа внутри камеры сгорания. Без поступления свежего воздуха впрыск топлива и искра также подвешены, превращая эти цилиндры в невкладывающие компоненты, которые действуют как воздушные пружины. Техническое исполнение варьируется среди автопроизводителей, но принцип непротиворечив: клапанный поезд двигателя выборочно отключается, чтобы остановить работу насоса и расход топлива в выбранных цилиндрах.

Механизмы контроля клапанов

Большинство производственных систем полагаются на гидравлически приводимые в действие клапанные подъемники. Соленоид, управляемый компьютером управления двигателем, направляет герметичное масло к запирающему штифту внутри подъемника. При отключении штифта штифт движется, чтобы позволить лопатке распределительного вала схлопываться, предотвращая движение кулачкового вала к рычагу толкателя или качели. Клапан остается закрытым. В верхних кулачных двигателях аналогичные электрогидравлические переключающие элементы интегрированы в рычаги качения или ковшовые краны. Например, VCM Honda&rsquo использует специальный качающий рычаг с гидравлически управляемым штифтом, который отключает кулачковый штифт от стебля клапана. В более совершенных системах, таких как найденные на некоторых двигателях Ford и Mercedes-Benz, гидравлическая цепь дополняется аккумулятором, который поддерживает стабильное давление масла во время быстрого выключения цикла, обеспечивая последовательное приведение в действие всех цилиндров. Реактивация происходит, когда соленоид разрезает давление

Качество масла играет решающую роль. Деактивация соленоидов и подъемников опирается на чистое масло с правильной вязкостью. Недостаточное давление масла или вязкое масло может привести к прилипанию штифтов, что приводит к неполной деактивации или, что еще хуже, непреднамеренной реактивации под неправильным углом коленчатого вала. Многие автопроизводители указывают синтетические масла низкой вязкости (0W-20 или 5W-30) для обеспечения быстрого гидравлического ответа даже при низких температурах. Некоторые двигатели также включают вспомогательные масляные насосы или аккумуляторы давления для поддержания потока во время сценариев бездействия или деактивации с низким РПМ.

Управление двигателем и логика перехода

Блок управления двигателем (ECU) непрерывно контролирует такие параметры, как скорость транспортного средства, положение дроссельной заслонки, нагрузка двигателя, температура охлаждающей жидкости и давление коллектора. Когда условия указывают на устойчивую работу с низким спросом в течение калиброванного периода, ECU инициирует переход. Сначала он уменьшает крутящий момент от цилиндров, которые должны быть отключены, сокращает топливо и искру до этих блоков, и только затем приводит в действие клапанные соленоиды. Это секвенирование предотвращает внезапный дисбаланс крутящего момента и обеспечивает плавный опыт водителя. Чтобы маскировать любой тонкий сдвиг, современные транспортные средства используют активные крепления двигателя, которые генерируют встречные фазы вибрации, и активные системы шумоподавления, которые излучают противоположные звуковые волны через аудиосистему. Эти дополнительные меры имеют решающее значение для поддержания изысканности, особенно в роскошных транспортных средствах, где тишина салона является ключевой точкой продажи.

Логика перехода также учитывает тепловые состояния. Во время холодного запуска деактивация цилиндра обычно ингибируется до тех пор, пока двигатель не достигнет рабочей температуры, потому что холодный каталитический преобразователь не может эффективно обрабатывать переходный всплеск углеводородов, который происходит во время реактивации. Аналогично, если передача находится в низкой передаче или транспортное средство находится на крутом сорте, система может задержать деактивацию, чтобы избежать частых изменений режима, которые могут раздражать водителя. Некоторые алгоритмы изучают поведение водителя: если водитель часто применяет и выпускает дросселя, ECU может деактивировать деактивацию, чтобы предотвратить ненужное езду на велосипеде.

Фиксированные шаблоны против динамических промахов огня

Традиционные системы деактивации цилиндров работают на фиксированных шаблонах; V8 переключается на V4, V6 работает на трех цилиндрах, а встроенная четверка может стать двухцилиндровой. В то время как эффективная, эта жесткость оставляет повышение эффективности на столе. Новая парадигма, известная как динамический промах огня (DSF), была разработана такими компаниями, как Tula Technology и в настоящее время лицензируется крупными OEM-производителями. DSF оценивает каждую возможность стрельбы индивидуально, сотни раз в секунду, и решает, следует ли запускать или пропускать данный цилиндр на основе мгновенного крутящего момента. Этот подход может управлять двигателем ближе к его пиковой эффективности в более широком спектре сценариев вождения, что дает экономию топлива за пределами обычных систем фиксированного шаблона. DSF также помогает решать некоторые проблемы с шумом, вибрацией и жесткостью (NVH), которые сопровождают фиксированные переходы шаблона, распространяя пропущенные события на цилиндрах таким образом, что вместо деактивации всех цилиндров на одном берегу, DSF может пропустить один цилиндр на лев

Tula&rsquo's DSF была внедрена в серийные автомобили от General Motors (Dynamic Fuel Management) и оценивается другими автопроизводителями. Исследования, представленные на SAE International, показывают, что DSF может улучшить экономию топлива на 5-15% по системам фиксированного типа, в зависимости от цикла привода. Технология также хорошо интегрируется с гибридными системами, где электродвигатель может заполнять крутящие отверстия во время пропущенных огневых событий, что делает двигатель внутреннего сгорания еще более плавным.

Проблемы термоменеджмента

Одной из менее обсуждаемых инженерных проблем является тепловой дисбаланс, создаваемый, когда некоторые цилиндры прекращают стрелять. Активные цилиндры вырабатывают тепло сгорания, в то время как неактивные охлаждаются, вызывая неравномерное тепловое расширение в блоке цилиндров и головке. Со временем это может привести к увеличению потребления масла, искажению цилиндров и ускоренному износу, если не учитывать должным образом. Производители решают эту проблему, добавляя поршневые масляные сквиртеры, которые охлаждают активные стенки цилиндров, используя высокопрочные цилиндрические покрытия, такие как плазменно-переносные проволочные дуги (PTWA) или железо-никелевые лайнеры, и программируя ECU для периодического деактивации различных пар цилиндров для более равномерного распределения тепловых нагрузок. Некоторые двигатели V8 вращают деактивацию между банками на таймере, гарантируя, что обе стороны испытывают аналогичные температурные градиенты в течение срока службы транспортного средства. Кроме того, система охлаждения может включать вспомогательный водяной насос или термостат, который регулирует поток на основе схемы деактивации, предотвращая

Экономия топлива растет в повседневном вождении

Основная привлекательность деактивации цилиндров - это ее измеримое влияние на потребление топлива в реальном мире. Когда двигатель вращает меньше цилиндров, оставшиеся активные должны производить большую долю требуемого крутящего момента, что означает, что они работают с более широким открытым дроссельным заслоном. Это уменьшает потери насоса; энергия тратится, когда двигатель работает, чтобы протянуть воздух мимо частично закрытой пластины дросселя. Более низкие потери насоса напрямую приводят к повышению тепловой эффективности. Согласно Агентство по охране окружающей среды США , деактивация цилиндров может снизить потребление топлива до 7,5% при движении по шоссе, хотя точная цифра зависит от архитектуры двигателя, веса транспортного средства и шестерни.

В двигателях V8 с большим перемещением, используемых в полноразмерных грузовиках и внедорожниках, экономия может быть особенно значимой. Автомобиль, который в противном случае возвращал бы 18 миль на галлон, может увидеть улучшение от 1 до 2 миль на галлон, что значительно увеличивает годовой пробег автопарка. Для небольших двигателей V6 преимущество более скромное, но все же стоящее, как правило, в диапазоне от 3% до 5% во время круиза. Даже некоторые рядные четыре двигателя приняли деактивацию, особенно в сочетании с турбонаддувом, для обрезки использования топлива при очень легких нагрузках. Технология наиболее эффективна при устойчивых скоростях от 45 до 70 миль в час, где двигатель легко загружается в течение длительных периодов времени, что делает его естественным для пассажиров на шоссе и путешественников на большие расстояния.

Данные реальных операторов автопарка подтверждают эти оценки. Исследование грузовиков Chevrolet Silverado, оснащенных системой Active Fuel Management, показало улучшение экономии топлива на шоссе на 6-8% по сравнению с идентичной моделью без функции. Прирост менее выражен в городском движении, где частое ускорение предотвращает устойчивую деактивацию. Однако даже в городских условиях системы с динамическим промахом огня могут активировать деактивацию во время остановки-и-года и мягкое замедление, способствуя скромной экономии.

Синергия с другими топливосберегающими технологиями

Цилиндровая деактивация не работает изолированно. При интеграции с прямым впрыском топлива и переменным временем клапана коэффициент полезного действия умножается. Прямая инъекция обеспечивает точный учет расхода топлива, который помогает управлять процессом реактивации с минимальными несгоревшими углеводородными шипами. Переменная фаза клапана может регулировать активное сгорание цилиндров’ кулачковая фаза для дальнейшей оптимизации сгорания при более высоких нагрузках. Турбонаддув представляет собой как возможность, так и проблему: турбодвигатель может использовать деактивацию для снижения потерь насоса при низкой нагрузке при использовании импульса для поддержания мощности при стрельбе всех цилиндров. Переход от состояния повышенной нагрузки к деактивированному состоянию требует тщательной калибровки, чтобы избежать скачка компрессора, но современные системы управления двигателем освоили это взаимодействие. Кроме того, 48-вольтная мягкая гибридная система может сгладить переходы деактивации с помощью небольшого электрического крутящего момента через ременный стартер-генератор, заполнение в любой момент времени колебания и повышение планки для уточнен

NVH и уточнение контрмер

Шум, вибрация и жесткость остаются наиболее потребительской проблемой для деактивации цилиндров. Водители автомобилей премиум-класса в частности, уведомляют — и отвергают — любую шероховатость, дрон или вибрацию, которая предает работу системы. Инженеры вложили значительные средства в несколько контрмер. Активные выхлопные клапаны изменяют порядок выпуска, чтобы скрыть изменение порядка стрельбы, иногда открывая клапаны, которые уменьшают обратное давление или переключаясь на другую звуковую трубку. Структурные улучшения блока двигателя и приводного колокольчика, наряду с заполненными жидкостью креплениями, помогают изолировать вибрации. В некоторых транспортных средствах небольшое изменение выхлопной ноты является единственным намеком на то, что двигатель переключается режимы; в других, переход действительно бесшовный.

Электронная отмена NVH значительно продвинулась. Микрофоны в салоне обнаруживают низкочастотный дрон, а аудиосистема выдает противоположную фазовую волну для его отмены. Это особенно эффективно против грохота, который может произойти, когда V8 падает до четырех цилиндров. Активные крепления двигателя используют приводы или камеры жидкости, которые изменяют жесткость в ответ на частоту возбуждения, эффективно отсоединяя двигатель от шасси во время смены режима. Некоторые роскошные автомобили даже корректируют график смены трансмиссии в периоды деактивации, чтобы сохранить двигатель в диапазоне скоростей, который минимизирует вибрацию.

Калибровка программного обеспечения также играет важную роль. Инженеры тратят тысячи часов на настройку переходных карт, чтобы избежать неприятных частот. Они могут намеренно задержать реактивацию на долю секунды, чтобы позволить скорости двигателя осесть, или они могут деактивировать цилиндры в пошаговой последовательности, а не все сразу. В результате большинство современных систем практически прозрачны для среднего водителя; только внимательный наблюдатель, наблюдающий за приборным кластером, может заметить свет индикатора, который сигнализирует об изменении смещения.

Последствия выбросов

Сокращение расхода топлива естественным образом снижает расход выхлопных газов, но воздействие на критерии загрязняющих веществ более нюансировано. Пока двигатель находится в деактивированном режиме, неактивные цилиндры действуют как воздушные пружины, а температура камеры сгорания может понизиться. Когда эти цилиндры реактивируются, первоначально более холодные стенки могут вызвать короткий период неполного сгорания, приводя к всплеску несгоревших углеводородов. Для противодействия этому ECU обычно реализует стратегию обогащения реактивации и может на короткое время задержать повторное включение деактивированных цилиндров до оптимальных условий. Каталитические нейтрализаторы, после прогрева, высокоэффективны при управлении переходными выбросами, но в течение первых минут после холодного запуска деактивация цилиндров обычно ингибируется для приоритизации разогрева катализатора и предотвращения любых штрафов за выбросы. В течение полного цикла привода чистое воздействие на регулируемые выбросы нейтрально к положительному, благодаря общему сокращению сожженного топлива.

Некоторые исследования показали, что динамический пропуск огня может уменьшить пики углеводородов по сравнению с деактивацией с фиксированным шаблоном, поскольку пропущенные цилиндры могут стрелять при низких нагрузках до полной деактивации, поддерживая более высокие температуры катализатора. Кроме того, система управления двигателем может регулировать соотношение воздуха и топлива активных цилиндров, чтобы быть немного богаче или стройнее для оптимизации эффективности катализатора во время события деактивации. В транспортных средствах с бензиновыми фильтрами твердых частиц (GPF), деактивация цилиндров может влиять на накопление сажи, но тщательная калибровка сохраняет выбросы твердых частиц в пределах нормативных ограничений.

На выбросы оксида азота (NOx) эффект в целом нейтральный. Более высокие нагрузки на активные цилиндры могут повышать температуру сгорания, потенциально повышая образование NOx, но снижение общего сжигания топлива компенсирует это. Передовые системы последующей обработки выхлопных газов, включая бережливые ловушки NOx и селективное каталитическое снижение, уже распространены на современных бензиновых двигателях для удовлетворения строгих стандартов, таких как SULEV30.

Усыновление промышленности и примеры из реального мира

Деактивация цилиндров стала стандартной функцией во многих бензиновых платформах. General Motors предлагает Active Fuel Management (AFM) и Dynamic Fuel Management (DFM) в своих линейках грузовиков и внедорожников V8. Последнее поколение DFM, которое использует технологию DSF Tula &rsquo, деактивирует цилиндры по отдельности в любом рисунке и способно работать на одном цилиндре при очень легкой нагрузке. General Motors утверждает, что DFM может повысить экономию топлива до 12% в определенных условиях вождения. Stellantis использует технологию Multi-Displacement System (MDS) в своих двигателях HEMI V8, деактивируя четыре цилиндра при крейсерском движении. Система была усовершенствована в течение нескольких поколений для уменьшения NVH, и теперь она включает активный выпускной клапан, который изменяет звук, когда MDS активен.

Honda впервые применила Variable Cylinder Management (VCM) на своих двигателях V6 для моделей Acura и Honda, часто деактивируя два или три цилиндра в зависимости от нагрузки. Последняя система VCM i-VTEC сочетает в себе переменное время клапана и подъем с деактивацией цилиндров, позволяя двигателю работать в 6-цилиндровом, 4-цилиндровом или 3-цилиндровом режимах. Volkswagen Group представила Active Cylinder Technology (ACT) на своих четырехцилиндровых двигателях TSI, демонстрируя, что даже двигатели с малым перемещением выигрывают от стратегии. В 1.4 TSI, найденном в Golf и Audi A3, ACT деактивирует два из четырех цилиндров во время работы с низкой нагрузкой, улучшая экономию топлива примерно на 4-6% на шоссе. Обзор данных экономии топлива EPA показывает, что модели, оснащенные деактивацией цилиндров, последовательно занимают место среди более эффективных предложений в своем классе транспортных средств, особенно среди негибридов.

Помимо легковых автомобилей, деактивация цилиндров нашла применение в морских и промышленных двигателях. Большие подвесные двигатели V8 и V12 от Mercury Marine используют систему под названием Active Cylinder Management (ACM) для повышения эффективности использования топлива на крейсерских скоростях, снижая расход топлива до 10%. Это демонстрирует универсальность технологии в различных сегментах рынка.

Будущие направления и электрификация Nexus

По мере того, как индустрия ускоряется к электрификации, деактивация цилиндров развивается, а не исчезает. Динамический пропуск огня набирает тягу, потому что он может улучшить экономию топлива на дополнительные 5-15% по системам фиксированного шаблона, согласно исследованию, документально подтвержденному SAE International. Несколько автопроизводителей изучают, как DSF может работать вместе с 48-вольтовыми мягкими гибридными архитектурами, где электродвигатель может компенсировать прерывания крутящего момента, которые происходят во время пропущенных событий стрельбы. Эта комбинация обещает почти бесшовную работу и показатели экономии топлива, которые приближаются к полным гибридам без стоимости и веса высоковольтного аккумулятора. Tula Technology также разрабатывает DSF для использования с передовыми концепциями сгорания, такими как однородное воспламенение сжатия заряда (HCCI) и воспламенение сжатия бензина (GCI), где деактивация цилиндра может помочь управлять узкими рабочими окнами этих режимов.

Более строгие стандарты корпоративной средней топливной экономики (CAFE) в Соединенных Штатах, наряду с ужесточением целевых показателей CO2 в Европе и Азии, подталкивают производителей к тому, чтобы выжать все возможные выгоды от эффективности от двигателей внутреннего сгорания. Деактивация цилиндров, которая может быть добавлена к существующему семейству двигателей с относительно скромными изменениями в инструментах, предлагает экономически эффективный путь соответствия. Она также может продлить коммерческий срок службы двигателей большего объема, сделав их социально приемлемыми в эпоху, которая наказывает отходы топлива.

Заглядывая дальше, деактивация цилиндров может найти новую роль в двигателях расширения диапазона для подключаемых гибридных транспортных средств. В таких приложениях двигатель работает только время от времени и в первую очередь как генератор; деактивация цилиндров при низком электрическом спросе может еще больше уменьшить сжигание топлива и шум, делая транспортное средство еще более изысканным. По мере развития технологии он может стать в значительной степени прозрачной функцией, ожидаемой, но больше не празднуемой, тихо обеспечивающей экономию мили за милей.

Соображения по обслуживанию операторов флота

Для автопарков, которые полагаются на грузовики и фургоны с бензиновым двигателем, отключение цилиндров напрямую снижает общую стоимость владения. Экономия топлива на транспортное средство может показаться постепенной, но на сотни единиц воздействие существенно. Однако руководители флота должны знать, что технология требует соблюдения строгих интервалов изменения масла и использования утвержденных производителем спецификаций масла. Гидравлические соленоиды и подъемники чувствительны к вязкости и чистоте масла. Известно, что некоторые системы разрабатывают проблемы при использовании низкокачественного или неправильного сорта масла, что приводит к обрушению подъемника и дорогостоящему ремонту. Мониторинг состояния масла посредством регулярного анализа и оснащения транспортных средств OEM-указанными компонентами во время капитального ремонта позволит максимизировать время безотказной работы и защитить инвестиции в топливосберегающее оборудование.

Общие режимы отказа включают: застрявшие соленоиды из-за лакирования масла, обрушенные подъемники из мусора или низкого давления масла и активные сбои монтажа. Когда соленоид деактивации выходит из строя, двигатель может установить контрольный свет двигателя и войти в режим пониженной производительности. Во многих случаях система полностью отключит деактивацию цилиндра, отрицая выгоду экономии топлива до ремонта. Чтобы смягчить эти риски, операторы флота должны: использовать только рекомендуемое синтетическое масло и изменять его через более короткие промежутки времени, чем суровый график обслуживания (например, каждые 5000 миль вместо 7500), установить масляные фильтры с высокой способностью удерживать грязь и рассмотреть возможность использования масляных добавок, которые уменьшают образование лака. Кроме того, обучение водителей избегать чрезвычайно мягкого вождения, которое может вызвать чрезмерную деактивацию, езда на велосипеде может продлить срок службы лифтера.

Некоторые производители пересмотрели свои конструкции деактивации цилиндров, чтобы повысить надежность. General Motors, например, перепроектировала проходы нефтяных камбузов в своих двигателях V8, чтобы снизить риск блокировки соленоидов, а Honda обновила свою систему VCM, чтобы включить отказоустойчивую систему, которая предотвращает деактивацию, если температура масла ниже порога. Несмотря на эти улучшения, дополнительная сложность означает, что двигатели с деактивацией цилиндров обычно имеют более высокие затраты на ремонт, чем их аналоги без деактивации, когда происходят сбои. Однако для автопарков, которые накапливают высокий пробег, экономия топлива часто перевешивает увеличенные расходы на техническое обслуживание по сравнению с жизнью автомобиля.

Заключение

Технология деактивации цилиндров воплощает современную инженерную философию делать больше с меньшими затратами. Благодаря стратегическому отключению цилиндров при легких нагрузках циклические двигатели Otto достигают значительных улучшений в экономии топлива и сокращении выбросов CO2 без ущерба для управляемости. Технология созрела из своего проблемного происхождения в надежную, электронно-оргкомитетную систему, подкрепленную надежными контрмерами NVH, передовым управлением тепловыми потоками и сложными алгоритмами управления. Она работает рука об руку с прямым впрыском, турбонаддувом, переменным временем клапана и мягкой гибридизацией, и она продолжает развиваться благодаря инновациям, таким как динамический пропуск огня. Поскольку двигатели внутреннего сгорания остаются значительной частью глобального парка транспортных средств в обозримом будущем. особенно в тяжелых грузовиках и рабочих транспортных средствах, где электрификация отстает и деактивация цилиндров выступает в качестве практического, экономически эффективного инструмента для согласования производительности с экологической ответственностью. Для операторов флота и отдельных водителей, тихий гул меньшего количества цилиндров на скоростях шоссе является небольшим, но значительным вкладом в более эффективную транспортную экосистему.