發(fā)動機搖臂式停缸系統(tǒng)研究

施金彪，任彥平

(1.泛亞汽車技術中心有限公司，上海 201208；2.綿陽富臨精工股份有限公司，四川綿陽 621000)

0 引言

《節(jié)能與新能源汽車技術路線圖》建議未來的Cafe (Corporate Average Fuel Economy)指標：2025年目標為4 L/100 km，2030年目標為3.2 L/100 km。傳統(tǒng)汽車發(fā)動機的油耗目標越來越具有挑戰(zhàn)性，各種降油耗的新技術在汽車發(fā)動機上得到了應用。發(fā)動機停缸技術作為一種有效的節(jié)能減排措施近年來受到各OEM的重視。

在各類停缸技術中，有機械式的，也有液壓式的，有凸輪軸移動式的，有可變挺柱式的，也有可變搖臂式的。其中搖臂式停缸系統(tǒng)由于其成本低、布置方便具有很大的研究價值。

本文在某款發(fā)動機的缸蓋總成上進行了改造，布置搖臂式發(fā)動機停缸系統(tǒng)。通過設計、制造樣件、總成裝配、臺架測試和驗證，系統(tǒng)地介紹了搖臂式停缸系統(tǒng)的主要零部件及系統(tǒng)的各項性能，從系統(tǒng)角度較為全面地論述了整機應用的可行性。

1 停缸系統(tǒng)設計

1.1 發(fā)動機停缸系統(tǒng)原理

在中低速小負荷工況下，節(jié)氣門接近關閉，每缸進氣壓力很小，導致泵氣損失很大。在這種工況下，停止一個缸或幾個缸的工作，可以大幅提高工作缸的進氣壓力，減少泵氣損失，增加有效功輸出，降低油耗。

同時，同樣的工況下，工作缸進氣壓力提高，噴油增多，燃燒壓力和溫度升高，燃燒效率也得到提升，也可以降低油耗。

搖臂式停缸系統(tǒng)主要包括電磁閥、停缸搖臂、挺柱三個關鍵部件，同時凸輪軸和缸蓋需要更改設計。電磁閥是普通的通斷電磁閥，控制油路的開關。

其工作原理如下：

當ECU監(jiān)控到發(fā)動機工況可進行停缸時，對停缸電磁閥通電，電磁閥將發(fā)動機油道和控制油道連通。發(fā)動機機油通過控制油道、挺柱進入停缸搖臂內，搖臂內鎖銷在機油壓力作用下回縮，使內、外搖臂脫離。凸輪驅動內搖臂空擺，外搖臂不動，實現(xiàn)氣門關閉。

當ECU監(jiān)控到發(fā)動機負荷增加，需增加發(fā)動機功率輸出，對停缸電磁閥斷電，搖臂內鎖銷端油壓消失，在鎖銷彈簧力的作用下，鎖銷伸出，使內外搖臂卡合，實現(xiàn)正常的氣門開閉。

1.2 缸蓋更改設計

原發(fā)動機為三缸機，改為第二缸具備停缸功能。原缸蓋為普通液壓挺柱結構，進排氣側各有一根油道給液壓挺柱供油，本次開發(fā)的搖臂式停缸系統(tǒng)需要專門油道給搖臂提供油壓，考慮到油壓的穩(wěn)定性，決定把普通液壓挺柱替換為雙油道挺柱，這樣就需要另外一路機油提供給雙油道挺柱。為完成此功能，設計一個方型油道支架，安裝在缸蓋上，支架內設計電磁閥安裝孔、橫向油道和豎向油道，在臺架上專門安排一路機油進入橫向油道，通過電磁閥，再通過豎向油道進入缸蓋，缸蓋上設計4根斜油道，通到液壓挺柱的上部控制油道，具體方案見圖1。

圖1 缸蓋更改設計圖

1.3 凸輪軸更改設計

對進排氣凸輪軸的第二缸凸輪進行更改，改成三凸輪結構，即原來的一個凸輪改成三個凸輪，圖1中凸輪軸一項，中間為高升程，兩邊為零升程，高升程與停缸搖臂的內搖臂配合，零升程與停缸搖臂的外搖臂配合，實現(xiàn)停缸功能。

1.4 雙油道液壓挺柱設計

把原普通液壓挺柱替換為雙油道液壓挺柱，增加一個油道，給停缸搖臂提供控制機油，安裝尺寸保持不變，見圖2。

圖2 雙油道液壓挺柱剖面圖

1.5 停缸搖臂設計

停缸搖臂的主要結構和外形和普通搖臂相似，但搖臂體分成了內搖臂和外搖臂，內外搖臂通過鎖銷機構連接，實現(xiàn)鎖止和解鎖兩種狀態(tài)，對應凸輪大升程和零升程。鎖銷機構由鎖銷、鎖銷彈簧、鎖銷彈簧座及外搖臂的鎖銷孔構成。內外搖臂在氣門端通過銷子連接，并通過復位彈簧使內搖臂在下行后能復位上行。見圖3。

圖3 停缸搖臂剖面圖

2 停缸系統(tǒng)測試

2.1 停缸搖臂響應時間測試

2.1.1 測試原理和臺架

把被測搖臂放在臺架工裝上，激光位移傳感器對準鎖銷，在示波器上讀出鎖銷從開始運動到運動終了的時間，即為響應時間，見圖4。

圖4 響應測試臺架

2.1.2 響應時間標準確定

確定Spec: t<=15 ms。計算方法如下：

以3 000 r/min為停缸使用的最高轉速，即曲軸50 r/s，凸輪軸25 r/s，每轉40 ms。在鎖止動作時，當有升程時內搖臂下行，鎖銷不能伸出，是不能切換的。在解鎖動作時，當有升程時內搖臂壓在鎖銷上，壓力使鎖銷不能移動，即不能解鎖。因此切換必須在基圓上進行，基圓段約占一周2/3，40×2/3=27 ms, 根據(jù)上述計算和經驗，選取15 ms作為響應時間的上限，27/15=1.7，15 ms的spec安全系數(shù)為1.7，確保切換可以順利進行。

2.1.3 響應時間測試結果(包含低溫和高溫)

高溫測試結果和低溫測試結果分別見表1和表2。

表1 中高溫響應時間測試結果

表2 低溫響應時間測試結果

油壓在1.2 bar以下，響應時間不能滿足要求。

從測試結果可知，25℃以下，響應時間不能滿足要求。

對于測試響應時間不合格的低溫低油壓區(qū)域，后續(xù)在發(fā)動機開發(fā)時需注意，不能在這些區(qū)域進入停缸模式工作，即標定時要避開。

2.2 凸輪軸工作狀態(tài)測試

2.2.1 氣門升程測試

氣門升程測試是測試凸輪軸旋轉時氣門的開啟高度，評判標準是設計的理論氣門升程型線。正常狀態(tài)見圖5，實測最大氣門升程10 mm，與設計值吻合。停缸狀態(tài)見圖6，氣門升程理論值應為0，實測氣門升程±0.06，屬于測量誤差，實際氣門處于關閉狀態(tài)。從實測升程可知，正常狀態(tài)和停缸狀態(tài)的氣門升程均滿足設計要求。

圖5 正常狀態(tài)凸輪軸一周進氣門升程

圖6 停缸狀態(tài)凸輪軸一周進氣門升程

2.2.2 凸輪軸扭矩測試

由實測凸輪軸扭矩可知，一缸和三缸的瞬態(tài)扭矩在停缸和不停缸狀態(tài)下基本一致，二缸不停缸時與一、三缸接近(見圖7)，二缸在停缸時扭矩接近零(見圖8)，說明二缸在停缸狀態(tài)，凸輪只驅動內搖臂運動，外搖臂不動，氣門彈簧不動，體現(xiàn)在凸輪軸上扭矩為零，符合預期。

圖7 正常狀態(tài)進氣凸輪軸扭矩

圖8 停缸狀態(tài)進氣凸輪軸扭矩

2.3 耐久試驗

耐久試驗做三種狀態(tài)(大升程、零升程、切換耐久)，在耐久試驗臺架上進行，見圖9。

圖9 耐久試驗臺架

2.3.1 大升程耐久試驗

大升程耐久試驗就是保持不停缸狀態(tài)，即保持停缸搖臂處于鎖止狀態(tài)，二缸一直處于高升程，按耐久規(guī)范運行300 h。

試驗后檢查零件狀態(tài)，搖臂無異常磨損或斷裂失效，檢測搖臂關鍵指標參數(shù)，均滿足圖紙要求。試驗結果合格，達到應用要求。

2.3.2 零升程耐久試驗

零升程耐久試驗就是保持在停缸狀態(tài)，即保持停缸搖臂處于解鎖狀態(tài)，二缸一直處于零升程，按耐久規(guī)范運行300 h。

試驗后檢查零件狀態(tài)，搖臂無異常磨損或斷裂失效，檢測搖臂關鍵指標參數(shù)，均滿足圖紙要求。試驗結果合格，達到應用要求。

2.3.3 切換耐久試驗

切換耐久試驗是通過電磁閥控制停缸搖臂，使凸輪在這一圈是高升程，下一圈是零升程，如此循環(huán)，完成300萬次循環(huán)。記錄電磁閥的通電次數(shù)和接近開關采集的搖臂切換次數(shù)。實測數(shù)據(jù)顯示，通電次數(shù)和切換次數(shù)一致，試驗結果合格，見圖10。

圖10 切換試驗臺架和設備

3 結論

(1)通過設計、制造搖臂式停缸系統(tǒng)，實現(xiàn)該系統(tǒng)能夠工作，可以進行大升程和零升程的來回切換。

(2)通過停缸搖臂響應試驗，初步掌握響應時間和油壓、溫度的關系，為將來建立復雜的控制模型打下初步基礎。

(3)通過測量獲取大升程狀態(tài)和停缸狀態(tài)凸輪軸扭矩數(shù)據(jù)、正常狀態(tài)和停缸狀態(tài)的氣門升程數(shù)據(jù)，總體正常，可作為將來凸輪軸結構優(yōu)化參考。

(4)通過大升程耐久試驗、零升程耐久試驗和切換耐久試驗，證明該機構的耐久性和切換可靠性合格，已達到應用要求。