气缸休止技术:让发动机一半"入睡"

追逐不必要动力的发动机会白白消耗燃油;闭缸技术正是通过让这些闲置气缸休眠来实现节省.
追逐不必要动力的发动机会白白消耗燃油;闭缸技术正是通过让这些闲置气缸休眠来实现节省.

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闭缸技术是一种提升燃油效率的技术,在发动机不需要全部功率时,通过关闭特定气门的气门使其停用,从而让发动机实际上以较小的排量运转.在怠速、高速公路巡航或轻油门状态下,系统不会向停用的气缸喷油,这样发动机就无需为产生用不到的功率而消耗燃油.在现代应用中,这种切换平滑到大多数驾驶者几乎察觉不到的程度,并视工况不同可带来可测量的燃油消耗改善.

亮点

  • 闭缸技术通常关闭发动机的一半气缸:V8降至四缸,四缸发动机降至两缸.
  • 据美国能源部估计,燃油经济性改善约为 7.5%;在高速公路工况下,降幅可能在 8-25% 之间.
  • 关闭的气缸内会形成空气弹簧效应;被压缩的废气不会给发动机带来净负荷.
  • 该技术自1981年 凯迪拉克 V8-6-4 的尝试以来,已伴随电子控制日趋成熟.
  • 官方召回(奔驰、马自达)表明该系统在发生故障时可能相当严重.

闭缸技术是如何工作的?

Şehir içinde giden bir aracın gücüne aslında yarım motor yeter; kalan silindirler vanaları kapalı olarak boşuna yakıt yakmaz.

基本原理很简单:多缸发动机在大多数时候只需要部分功率.要让一辆在平路上匀速行驶的车保持前进,四个或六个气缸就已绰绰有余.闭缸系统正是在此时介入,通过让部分气缸的进气门和排气门保持关闭,切断向这些气缸的燃油喷射.气门关闭后,相关气缸便退出点火循环,发动机就像排量更小一样运转.

那么气门关闭的气缸内的活塞在做什么呢?废气被困在燃烧室内,活塞上行时被压缩,下行时再次膨胀.这种“空气弹簧”效应在两个方向上相互抵消,关闭的气缸不会给发动机带来净负荷.也就是说,被关闭的气缸不是在拖累发动机,而是安静地处于“休假”状态.

做出决定的是发动机控制单元(ECU).ECU持续监测车速、发动机负荷和节气门位置等传感器数据,在低负荷工况下停用气缸;当驾驶者踩下油门时,系统会在几毫秒内重新点燃全部气缸.在汽油机上,其目的是减少节气门换气损失:轻负荷时节气门几乎关闭,发动机为吸入空气不得不做无用功.当更少的气缸工作时,每个气缸负荷更大,节气门需要开得更大,发动机便能工作在更高效的区域.

而在柴油机上,目的则有所不同

柴油发动机采用闭缸技术的主要动机是加热排气.柴油机在低负荷下很难将排气温度提升到足够水平;而当剩余气缸在更高负荷下工作时,会产生更多热量.这些热量能使排气后处理系统更快达到工作温度,从而降低排放.在重型车辆应用中,从6缸切换到4缸可使怠速油耗 %14-18 得到改善.

在什么条件下哪些气缸会关闭?

大多数系统会同时关闭一半的气缸:V8发动机会降至4缸,V6降至3缸,四缸发动机则降至2缸.目的是在不破坏发动机平衡的前提下保持点火间隔;因此会选择均衡的气缸对,而非不规则分布.不过,各家制造商的方法并不相同.

早期的例子就体现了这种多样性. Mitsubishi MD (1982)系统在车速低于70 km/h、怠速和减速时关闭第1和第4缸;油耗改善约 %20 ,但发动机在双缸模式下运转抖动明显. Honda的VCM 系统(自2003年起)通过关闭气缸组,可以在6缸、4缸和3缸之间切换.更有意思的是GM于2018年推出的 Dynamic Fuel Management:该系统基于Tula Technology的"Dynamic Skip Fire"方法,可根据需要以不同组合关闭任意数量的气缸——也就是说,点火顺序中的所有气缸都可以被逐个跳过.

而Mazda则选择让其2.5升自然吸气发动机的中间气缸继续点火:轻负荷时关闭第1和第4缸,第2和第3缸继续工作.

驾驶者能察觉到吗?振动与NVH工程

这个问题的答案随着这项技术的发展历程发生了很大变化.在第一代系统中,察觉到切换并不难,甚至很容易. Cadillac V8-6-4 (1981)在切换时出现了生硬和迟滞;尽管进行了13次软件更新,该系统仅在推出一个车型年后就被取消,且前一年售出的车辆上的系统被永久禁用.Mitsubishi早期的MD系统也不得不与双缸模式的抖动作斗争:采用了特制液压减振发动机支架、可弯曲的排气管道段、重70%的飞轮,以及冷却液温度未达到70°C前系统不启用等措施.

Mitsubishi于1993年推出的第二代MIVEC-MD系统,凭借更先进的电子控制,使从4缸到2缸的切换几乎无法察觉——如今系统的雏形正是在这个阶段形成的.现代系统的切换几乎是瞬时完成的,并通过点火提前角、气门正时和电子节气门调整加以平滑.而在V6发动机上,由于点火顺序和扭矩变化带来的严峻NVH(噪声、振动、平顺性)挑战依然存在,这类配置在工程上属于最具挑战性的方案之一.

气门如何关闭?

该机制因发动机的气门布置方式而异:

  • 带推杆(pushrod)的发动机: 电磁阀改变发送至挺柱锁止销的油压;销退出后挺柱失效,气门保持关闭.
  • 顶置凸轮轴(overhead cam)发动机: 每个气门使用一对相互锁定的摇臂;当电磁阀控制的油压释放锁止销时,一个跟随凸轮,另一个保持不动.
  • Mazda的解决方案: 在液压气门调节器中加入的锁定装置,通过改变摇臂支点来阻止气门运动.

油耗方面实际能节省多少?

数据因应用场景和条件而在很大范围内波动.美国能源部估计燃油经济性改善约为 7.5%;而制造商则声称 20%的效率提升.据称在高速公路条件下,油耗降低幅度可在 8-25% 之间.在柴油发动机方面,通过CDA和排气门提前关闭技术,目标是将油耗降低 5-25% 的范围.

现实世界的测试结果可能更为保守.在重型柴油车的标准燃油测试中测得 2.76%的节省,在一条配送线路上测得 2% 的节省——日常驾驶中混杂的交通、载重和气候条件,使达到实验室环境上限变得困难.历史上的宣称也呈现出类似的图景: Cadillac V8-6-4 承诺高达15%的改善; Alfa Romeo Alfetta CEM (1983)相比无变排量版本测得12%的降低,相比化油器车型几乎降低25%.总之:节油效果是真实的,但幅度完全取决于你能以闭缸状态行驶多长时间——在拥堵的城市交通中频繁加减速的驾驶者,相比在高速公路上以恒定速度行驶的人,获益要少得多.

自然吸气和涡轮增压发动机的应用差异

闭缸技术在某种程度上为小排量涡轮增压发动机提供了另一种思路:两者都朝着"需要时强劲、无需时高效"的目标努力.涡轮增压方案从一开始就使用小排量发动机;闭缸技术则从一开始使用大排量发动机,然后在轻负载下实际上将其"缩小".尽管两者各有优缺点,但闭缸技术与涡轮增压固有的迟滞和响应问题相比,提供了不同的平衡点.

应用范围也扩大到令人惊讶的程度.2016年推出的、可关闭一个气缸的三缸 Ford EcoBoost,是已知搭载该技术的最小发动机. Mazda Skyactiv-G 2.5 则从2018年开始成为自然吸气发动机应用闭缸技术的实例之一.在柴油发动机方面,已证明闭缸可在低负载下应用且不牺牲扭矩和动力性能,且未发现对发动机响应有负面影响.

关于该技术普及程度的具体数据:2020款车型年度在美国销售的轻型商用车中约有 15%中包含闭缸技术;其中大部分是Mazda、GM、Honda和FCA的产品.

长期可靠性:该系统真的会磨损发动机吗?

在这个话题下,最诚实的做法是两面看待.一方面,所有气缸定期运转,使该系统对大多数用户而言不再成为问题;另一方面,系统本身凭借其附加机构带来了新的故障点.

官方召回说了什么?

两个大型案例展示了该系统可能的故障模式.Mercedes召回了2021-2023年款的26,200辆 S580 和Maybach轿车:如果Camtronic系统发生故障,喷油器可能喷射过多燃油并损坏催化转化器,最坏的情况下甚至有发动机熄火的风险.Mazda则召回了包括CX-5、Mazda 6和Mazda 3在内的262,000辆汽车;从闭缸模式切换到全开模式时发生的故障可能导致车辆熄火并无法重新启动.

用户投诉与保养现实

现场反馈的问题更常见,但验证程度较低.GM的AFM系统中,挺柱失效是常见的投诉;据报道,如果未能及早发现,可能导致推杆弯曲,维修费用可达数千美元.其他报告的问题还包括机油消耗过大、积碳以及切换瞬间的震动——一些Mazda CX-30车主表示,他们能通过声音和感觉察觉到2缸和4缸模式之间的生硬切换.由于这些都是基于论坛的个别用户体验,将其推广到所有车辆上会有误导性.

在保养方面有几点实用事项需要了解.在某些系统中,如果车辆保养延误,电脑会出于安全考虑不启用闭缸功能——也就是说,系统本身没问题,保养状况才是决定因素.通过软件禁用该系统则是一把双刃剑:一方面,挺柱故障的风险似乎消失了;另一方面,所有气缸经历每一个点火循环,理论上可能会缩短部件寿命.最合理的态度是接受系统现状,不耽误定期保养,并定期检查机油液位;基于挺柱和机油压力的机构,正是受污浊或不足机油影响最大的部件.

结论:一个聪明想法的成熟形态

闭缸技术是一项漫长成熟历程的产物:从19世纪末的"hit-and-miss"发动机,到1981年糟糕的凯迪拉克尝试,再到如今在数百万辆汽车中悄然运转的系统.其基本逻辑——不生产用不到的动力——是完美的常识;剩下的都是让切换过程不被察觉的工程细节,而现代电子控制已在很大程度上克服了这一障碍.实际的节油效果因工况而异:高速巡航时效果可观,城市行驶中则较为有限.可靠性方面的争论确实有其道理,但应理性看待、不宜走向极端:尽管官方召回事件很严重,但问题已得到修复,如今这项技术已作为标准方案广泛应用于各种车型.

参考资料