柴油机停缸技术试验研究
Experimental Study on the Engine Stop Cylinder Technology
田舯
(广西玉柴机器股份有限公司）
摘要：在一台6缸高压共轨柴油机上研究了不同的停缸方案对倒拖功率、油耗和排放等性能指标的影响。研究结果表明：停缸技 术能有效的改善小负荷的油耗率，负荷率越小停缸改善油耗的幅度越大；停缸技术能较大幅度改善发动机的N O x等废气污染物的排 放；停缸技术能显著提升S C R催化器的入口温度。
关键词：柴油机；排放；停缸；节油
0引言
随着能源紧缺和环境污染问题的日益严重，当前国内 外对柴油机节能与减排的呼声越来越高。刚刚发布的国6 排放标准和呼之欲出的第四阶段整车油耗限值标准给发 动机带来了前所未有的挑战。众所周知，现阶段传统的技 术在节能和减排存在一定程度的冲突：减少有害污染物排 放的同时往往是以牺牲发动机的燃油消耗为代价。因此，寻一种既能减少有害废气污染物排放，又能减少燃油消 耗的技术是各个发动机工
作者一直在研究的方向。诸如混 合动力、米勒循环、高效SCR、温度管理等都是解决油耗和 排放冲突的重要技术。
众所周知，柴油机小负荷的热效率远低于中高负荷，如果在相同的有效功率输出前提下能提升发动机的负荷 率，那发动机的热效率一定能提高。同时，负荷率的提高也 带来排气温度的升高，这对于采用SC R技术的后处理系 统来说是至关重要的。温度的提高会提高SC R催化器的 转化效率。基于上述思路，我们对发动机的停缸技术进行 了较为深入的研究。本文详细介绍了不用的停缸方案对油 耗、NOx排放及排温的影响。
式中：Q为总换热量;A为换热面积；K为导热系数;T 溢流蒸汽温度;t轴加疏水温度。
由热量计算公式：Q=cmAt可知凝结水在轴封加热器 中的温升为：
At=Q/cm
=7015754kJ/h/(4.2kJ/(kg益）*700*1000kg/h)
=2.3863益
式中：A t为轴封溢流蒸汽引至轴加后凝结水的温升；Q为总换热量；c为水的比热4.2kJ/(kg益）；m为凝结 水流量。
由轴封加热器运行情况可知，当负荷在160MW左右 时，由于凝结水流量低，最高温升可达4.5益左右，说明其 允许温升在4.5益以上（轴封加热器的允许温升说明书中 未到），而在350MW时，由于凝结水流量较大，最高温 升知能达到2.2益左右。所以在350MW时，将轴封溢流蒸 汽引入轴加，其热量是完全可以被凝结水吸收，不会出现 因为轴封溢流蒸汽不完全凝结引起轴封加热器负压发生
1试验装置及试验方法
1.1发动机和台架信息
研究工作在一台高压共轨、直喷柴油机上开展，表1为该发动机的主要技术参数。该发动机采用BOSCH高压 共轨系统、WasteGate高效增压器和高效中冷技术，后处理 系统采用了带氨存储策略的高效SC R系统；发动机采用 了单缸四气门结构，以提高发动机的充气效率和提高发动 机的燃烧效率。该发动机采用了强化设计，使用爆发压力 可达160bai•，设计爆发压力为180bai•。燃油系统采用了 BOSCHEDC17高压共轨系统，许用喷射压力为1600bar；由于本次试验仅研究停缸对油耗和原机排放的影响，因此 实验过程中没有带后处理开展试验。
表1发动机技术参数
缸径/mm108
行程/mm132
压缩比/-17:1
标定功率/kW198
标定转速/r/min2200
电控系统：BOSCHEDC17高压共轨系统
喷射压力/bar1600
变化而导致轴封系统的异常。
4结论
轴封溢流蒸汽引至轴封加热器的改造，可为2号机组 全年减少70余万元的损失，能达到节能降耗的目的。另有 一种改造方案是将轴封溢流蒸汽引入八号低压加热器，虽然可以达到同样的目的，但改造难度大，费用高，同时可能 会因为轴封溢流压力、温度和八段抽汽压力、温度不匹配 而导致轴封溢流蒸汽进入汽轮机做功而影响机组安全，而轴封溢流蒸汽引入轴封加热器不仅能保证机组在正常和 事故两种情况下运行，而且易改造，费用低，同时也不会影 响机组的正常运行。
参考文献：
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本次实验工作在一个电力测功机台架上开展。测功机 为A V L电力测功机，气体污染物排放设备为AVL- AMAi60分析仪，烟度机采用AVL-415和AVL439烟度 计。发动机试验台台架如图1所示。
图1发动机试验台架示意图
1.2停缸装置介绍
停缸系统由两部分来实现：BOSCH高压共轨系统和 国外某供应商提供的气门液压系统。BOSCH高压共轨系 统如图2所示，在停缸系统中的主要的功能是实现气缸的 停止喷油功能和不同停缸控制策略实现功能；气门液压系 统如图3、图4所示，在停缸系统中气门液压系统用来实 现气门的灵活开关功能。
图3停缸液压系统示意图
图4停缸液压系统实物装配
气门液压系统的工作原理：ECU控制液压系统电磁 阀，电磁阀通过控制气门液压装置的机油进回油大小实 现对气门开启的控制。停缸系统中用的气门液压系统目 前的系统只能实现气门的两种变化：气门正常开启和气 门全关。
说的不停缸指的是发动机不喷油，但是气门正常开启 的情况。停三缸表示发动机所有缸都不喷油，但是三个缸 的气门处于常闭情况。停六缸表示发动机六个缸都不喷 油，同时六个缸的气门都处于常闭状态。
1.3试验方法
本次试验研究过程过程中，发动机的工况选取：转速 选取常用转速段1900r/min-900r/min，负荷率选取需要停 缸的中小负荷5%-40% ；通过倒拖和负荷特性试验研究发 动机的机械效率变化情况和性能指标变化规律。
试验重点研究不同的停缸方案对倒拖和正常燃烧工 况的影响。倒拖工况用来研究不同的停缸方案发动机的泵 气损失大小的变化规律；正常燃烧工况用来研究不同的停 缸方案下发动机的性能参数变化规律；研究停缸的过程 中，电控MAP采用原机的标定MAP。
2试验结果及分析
2.1不同停缸方案对倒拖功率的影响
发动机的倒拖功率包括了三部分的内容：摩擦损失功 率、泵气损失功率和附件损失功率。倒拖功率是间接评价 发动机机械效率高低的指标之一。由于倒拖试验具有方便 操作等优点，现在被广泛地应用于发动机的性能研究过程 中。倒拖试验的方法：首先运行发动机，并进行发动机的热 机过程（发动机水温达到88±5益，机油温度达到90±2益），然后停机但不断E C U电用电力测功机拖动发动机运转，并用测功机记录相应性能指标。
在研究不同停机方案对倒拖功率的影响实过程中，倒拖功率的变化实际上间接的反应泵气功的大小变化。
由于受停缸液压系统的功能制约，本次实验仅仅研究了 不停缸、停前三缸（1、2、3缸）、停后三缸（4、5、6缸）等三 种情况。
图5表示气门正常开启（不停缸）、三缸气门常闭（停 三缸）和六缸气门常闭（停六缸）三种情况倒拖功率的变 化。图中FMEP表示将倒拖功率计算成平均压力单位，FMEP越大表示倒拖功率越大，发动机的阻力越大。从图 中可以看出：气门开启状态对非燃烧情况下倒拖阻力的影 响较大，六缸全关的倒拖
阻力大小仅为气门正常开启的 50%左右。因此，在正常燃烧过程中采用气门常闭的方式 一定比气门正常开启的停缸更省油。
图6表示停前三缸（1、2、3缸）和停后三缸（4、5、6 缸）倒拖功率的对比结果。由图中可以看出，发动机停前 三个缸和停后三缸的效果基本上一致，倒拖功率并无太 大的差异。
由上面的实验结果分析可以得出的结论：发动机运转 时，气门正常开启过程中存在较大的泵气损失，耗功更大；气门常闭状态功耗更小一些；气门常闭缸数越多，倒拖阻 力越小；
气门常闭技术更适合于停缸过程。
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450
扭矩/(N m >
图8 1400r p m 停缸对油耗率影响
正常进行着，因此过量空气系数并未和不停缸过程有太
大的差异。
图5不同停缸方案倒拖功率对比
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450
扭矩/(N m )
图10不同停缸方案对混合气浓度影响
2.4不同的停缸方案对排放的影响
我们对不同的停缸方案对NOx 的排放影响进行研 究。图11表示发动机B 转速不同的停缸方案对NOx 比
排放的影响。从图中可以看出，停缸后发动机的比排放
均有较大幅度的降低，其中进排气门全关方案对NOx 比 排放的影响最大。
产生这一现象的原因有三点：
① 发动机大幅的提前角比中小负荷要小一些（主要 是考虑油耗的原因），单缸负荷率提高后喷油提前角变 小带来滞燃期变短，从而导致NOx 排放降低；
② 单缸混合气浓度降低后，NOx 排放降低；
③ 进气量降低后比NOx 计算值会降低。
发动机转速/ (r /m in )
图6停缸先后顺序和停缸缸数倒拖功率对比
2.2不同的停缸方案对油耗的影响研究
在研究停缸对于油耗的影响过程中，我们研究了同时 停三缸气门正常开启和气门常闭两种方案对油耗率的影 响。图7、图8、图9是在不同的转速下两种停缸方案对于 油耗的影响。
由图7-图9可以看出：和不停缸相比，停缸后如果 气门正常开启，油耗会恶化，气门常闭方案油耗会改善;
转速越高，小负荷的油耗越差；转速越低，停缸节油效果 越显著。
2.3不同的停缸方案对缸内混合汽浓度的影响
图10表示不同的停缸方案对过量空气系数的影 响。不停缸时，各缸的混合气浓度最稀，停三缸进排气门
全关方案混合器浓度最浓；停缸进排气门正常开启方 案，由于停缸气缸仍然存在着充量的变换，吸气和扫气
5(0(5(0(5<；加 44 3 3 2 C
E -M i ,)/.分骂
走
0 20 40
60 80 100 120 140
循环油量/(m g /cyl )
图13不同停缸缸数最佳负荷率评估
键因素。
②
采用每缸均能实现停缸的液压和控制系统是影响
停缸实用负荷范围的关键因素。采用目前三缸同时控制停 缸的系统在一定程度上制约了停缸的使用区域，后续需要 测试和研究灵活控制的单缸停缸系统的功能。
③ 气门常闭存在缸内温度过高的问题，因此要从电控 系统的控制策略上来解决这一问题，否则带来缸内温度过
高烧油嘴的问题。解决这一方案需要从控制系统上做相应 的策略，比如某气缸停缸工作经过几个循环后交替让其他
缸进行停缸，
这样就会避免因为缸内温度不断升高带来的 一些列问题。
④ 停缸液压系统的响应速度制约着该技术的进一步 使用。3结论①
停缸技术能有效改善发动机中小负荷的油耗率。负
荷越小，改善幅度越大。从目前研究的情况来看，同时停三
缸的方案可以用在30%负荷以下小负荷区域。
② 采用气门常闭的停缸方案节油效果最好。由于气门 常闭后，发动机的泵气损失降低，发动机的机械效率提升， 因此发动机的油耗改善最为显著。
③ 采用停缸技术后，发动机的NOx 排放显著降低， SC R 催化器的入□温度显著提升。因此停缸技术是改善排 放十分有效的技术之一。④ 停缸技术的研究还存在很多问题要持续研究和解 决，比如停缸的控制系统响应速度、灵活的单缸停缸控制 及停缸带来的缸内温度过高问题等。
参考文献：
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发动机缸
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0 50 100 150 200 250 300 350 400 450
扭矩/<N m )
图11不同停缸方案对N O x 排放的影响
图12不同停缸方案对排温的影响
众所周知，S C R 系统受催化器入□温度的影响很大， 当催化器入□温度低于200益时，S C R 对NOx 的转化效率 很低。因此对于采用SC R 技术路线的发动机来说，小负荷
温度控制是排放控制最为关键的技术之一。图12表示不 同的停缸方案对于SC R 入□温度的影响。从图中可以看 出，停缸技术能有效的提升SC R 入□温度，在小负荷区域 温升高达100益以上。进排气门的开启状态对于SC R 入口 温度的影响不大，进排气门全关方案的排温要比进排气门 正常开启方案略低。停缸技术为温度管理带来了一种全新 的思路：从提升温度的角度来说，停缸技术要比采用节气 门更优越一些，因为节气门的应用会带来泵气损失的增 加，带来油耗的升高。而采用停缸技术后，在SC R 催化器 入□温度升高的同时发动机的油耗率也得到改善。因此停 缸技术可以作为取消节气门的一种替代方案。
2.5最佳停缸缸数的实验确认
最佳停缸缸数是发挥发动机最大潜力的一种标定方 法。也是停缸技术研究最为关键的技术之一。在我们的研 究过程中，我们采用的方法是如图13所示：在不同的停缸 缸数下研究不同的循环喷油量和有效功率及油耗率的关 系，然后通过画等功率线的方法，寻停缸和不停缸功率 相同和油耗相同的点，该点就是这一停缸缸数下最大的负 荷点，小于该该负荷停缸会有好处，高于该负荷不宜使用 停缸。由于受停缸液压系统的制约，我们仅研究了同时停 三缸的情况，对于每缸都实现灵活停缸的系统目前还没有 到为。因此本次研究中没有研究停1缸和停2缸的情况。
2.6停缸技术需要突破的核心技术
①停缸带来的发动机抖动问题。停缸后发动机动平衡 被破坏，发动机的抖动会增大。如何解决发动机的抖动，改 善停缸后的NVH 问题是决定停缸技术能否走上实用的关
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