发动机黑科技——可变排量技术（入门篇）
前言
随著全球范围内对节能环保的日趋重视、排放法规的日益严苛，现在发动机设计的目标已经从上个世纪追求性能变为节能环保。以往追求的大排量、升功率变为了低油耗、高热效率，低排放。各大主机厂也是使出十八般武艺，在发动机上的研究不断突破，各种黑科技层出不穷。有自动启停系统、可变进排气门系统、EGR系统、双喷射系统、分层燃烧技术、48V弱混系统、可变排量技术、可变压缩比技术、主动进气格栅系统、水喷射系统、GPF系统、电子水泵系统、可变汽油泵系统等等。本系列就由天马行空从一名发动机性能开发工程师的角度，来介绍各个黑科技的原理以及作用。本文为可变排量技术的入门篇。
可变排量技术简介
可变排量技术全称是Displacement on Demand或者是cylinder on demand system，也可称为闭缸技术、停缸技术。他可根据实际行驶需要，对多缸发动机进行有针对的停缸，使实际参与做功的排量小于发动机排量。最初由凯迪拉克提出，福特通用跟进，然后奥迪宝马宾士都有部分引入这个系统。
首先看下图1不同负荷下发动机有用功比例示意图，燃油释放的化学能分为6个部分，分别是有用功，泵气损失，摩擦损失，冷却损失，排气损失，未燃损失。其中未燃损失比较小，一般在5%以内；排气损失受到物理极限的制约，比较难以利用，只可以通过EGR或者涡轮增压器来部分回收；冷却损失做的研究较多，不过节约有限，这里不展开；主要的方向集中于减少摩擦损失和泵气损失。从图中可以看出，随著负荷率的提高，有用功在增加，各种损失尤其是摩擦损失和泵气损失占比在减少，为了发挥这个特性，总输出功率不变的前提下，将以往在中低负荷区间低效工作的全部气缸关闭掉部分，让剩下的气缸在高负荷下工作，岂不是能提高有用功，提高热效率吗？
基于这个思路，最早凯迪拉克提出可变排量技术，其就是希望减少机械损失，提高燃油经济性，采用的是断油、不断气的方案：喷油嘴停止供油、进排气门正常工作。虽然有两个气缸不参与做功，但是由于进排气门打开，气缸还是会利用真空度吸取空气和排出空气，机械损失也没有明显减少，另外由于动平衡被打乱，发动机2阶震动过大，产生巨大噪音，实际省油效果可以忽略不计。
随著技术进步，目前的可变排量技术已经采用断油配合著断气的方法，其中断气主要有两种策略，如图2所示。图2左图为电磁阀通过凸轮轴上的斜槽结构，可以让凸轮轴左右移动，档位移到途中粉色低角度时，凸轮不会触及气门，气门不会打开，形成闭缸；图2右图中正常工况下摇臂内塞柱联通，从而控制气门开闭，当需要断气时，通过液压使塞柱断开，从而进排气门停止工作，形成闭缸。其中，这两种方案都在不断进化，已经衍生出可变气门角度、升程等技术这里不做探讨。
其工作原理如图3所示，根据输出扭矩的需要，匹配合适的排气量，在需要的工况下，让部分气缸停止工作，提高燃油经济性。图4为某款发动机可变排量效果示意图，从图中可以看出在低扭矩、低转速下，通过气缸停止技术，可以降低燃油消耗率，理论上可以节约20%的到30%。
目前典型使用可变排量技术的发动机有凯迪拉克的CT6上使用的3.0T发动机（图5），和奥迪S6上的4.0TFSI发动机（图6）。它们可以实现在低负荷下关闭两个或者3个气缸，将需要释放的负荷增加到其余气缸中，提高其他4个或3个气缸的进气量，提升了它们的工作效率，既满足了驾驶所需要的动力，又提高了燃油经济性。根据报道，在等速巡航中，可以节约10%到20%的燃油。其具体的运行模式为，在中低速的定速巡航或者发动机低负荷需求时3个气缸工作，提高燃油经济性；在部分中等加速、高速巡航和缓坡行驶工况下4个气缸工作，达到动力和燃油经济性的协调；在加速或者低挡爬坡等需要大扭矩时6缸工作，力求保证性能输出；由于3缸或4缸工作时，发动机平顺性不佳，即使在拥有平衡轴下，震动也较难以抑制，为了保证商品性，在发动机启动和怠速工况下，是不会使用可变排量技术的。
可变排量技术发展方向
目前可变排量技术往往集中于大排量性能发动机上，未来随著法规要求、燃油经济性竞争力要求，该技术会不断下放到入门级发动机。目前新一代的宾士A级1.4T发动机，大众最新的1.5T发动机，本田1.5T，甚至福特的1.0T三缸发动机都会使用此技术。但是，由于基础缸数只有4缸甚至更少，在停缸工况下，必然会导致震动加剧，在切换过程中，扭矩平衡难以控制，也会对舒适性有较大影响，这对平衡轴的设计，对标定工程师的技术提出了要求。
另一方面，可变排量技术的适用范围会更加灵活多变，比如在本田思域的1.5T上，其在松油门进入断油控制（Fuel cut）的同时，进排气门也会同时关闭，实际上没有任何气缸参与做功，极大提高了燃油经济性和排放性能，当然，这也导致了思域在发动机重新点火的时候瞬时功率不容易控制，人能感觉到发动机的重新介入，但这种新思路可以为大家提供借鉴。
总结
总而言之，可变排量技术可以说是节能减排的一项黑科技，其对硬体并没有过多要求，在已有发动机上不增加大量成本就可以达到效果，未来必定会成为主流技术。本文为入门篇，简单的介绍了可变排量技术的原理，但是真正运用到工程实际中会存在很多难点，在下一篇中，作者会以马自达SKYACTIV-G 2.5L发动机的可变排量技术为案例，介绍工程师在开发中如何实现这个技术。
详细参见《发动机黑科技——可变排量技术（高阶篇）》
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