施金彪，任彦平

(1.泛亚汽车技术中心有限公司，上海 201208；2.绵阳富临精工股份有限公司，四川绵阳 621000)

0 引言

《节能与新能源汽车技术路线图》建议未来的Cafe (Corporate Average Fuel Economy)指标：2025年目标为4 L/100 km，2030年目标为3.2 L/100 km。传统汽车发动机的油耗目标越来越具有挑战性，各种降油耗的新技术在汽车发动机上得到了应用。发动机停缸技术作为一种有效的节能减排措施近年来受到各OEM的重视。

在各类停缸技术中，有机械式的，也有液压式的，有凸轮轴移动式的，有可变挺柱式的，也有可变摇臂式的。其中摇臂式停缸系统由于其成本低、布置方便具有很大的研究价值。

本文在某款发动机的缸盖总成上进行了改造，布置摇臂式发动机停缸系统。通过设计、制造样件、总成装配、台架测试和验证，系统地介绍了摇臂式停缸系统的主要零部件及系统的各项性能，从系统角度较为全面地论述了整机应用的可行性。

1 停缸系统设计

1.1 发动机停缸系统原理

在中低速小负荷工况下，节气门接近关闭，每缸进气压力很小，导致泵气损失很大。在这种工况下，停止一个缸或几个缸的工作，可以大幅提高工作缸的进气压力，减少泵气损失，增加有效功输出，降低油耗。

同时，同样的工况下，工作缸进气压力提高，喷油增多，燃烧压力和温度升高，燃烧效率也得到提升，也可以降低油耗。

摇臂式停缸系统主要包括电磁阀、停缸摇臂、挺柱三个关键部件，同时凸轮轴和缸盖需要更改设计。电磁阀是普通的通断电磁阀，控制油路的开关。

其工作原理如下：

当ECU监控到发动机工况可进行停缸时，对停缸电磁阀通电，电磁阀将发动机油道和控制油道连通。发动机机油通过控制油道、挺柱进入停缸摇臂内，摇臂内锁销在机油压力作用下回缩，使内、外摇臂脱离。凸轮驱动内摇臂空摆，外摇臂不动，实现气门关闭。

当ECU监控到发动机负荷增加，需增加发动机功率输出，对停缸电磁阀断电，摇臂内锁销端油压消失，在锁销弹簧力的作用下，锁销伸出，使内外摇臂卡合，实现正常的气门开闭。

1.2 缸盖更改设计

原发动机为三缸机，改为第二缸具备停缸功能。原缸盖为普通液压挺柱结构，进排气侧各有一根油道给液压挺柱供油，本次开发的摇臂式停缸系统需要专门油道给摇臂提供油压，考虑到油压的稳定性，决定把普通液压挺柱替换为双油道挺柱，这样就需要另外一路机油提供给双油道挺柱。为完成此功能，设计一个方型油道支架，安装在缸盖上，支架内设计电磁阀安装孔、横向油道和竖向油道，在台架上专门安排一路机油进入横向油道，通过电磁阀，再通过竖向油道进入缸盖，缸盖上设计4根斜油道，通到液压挺柱的上部控制油道，具体方案见图1。

图1 缸盖更改设计图

1.3 凸轮轴更改设计

对进排气凸轮轴的第二缸凸轮进行更改，改成三凸轮结构，即原来的一个凸轮改成三个凸轮，图1中凸轮轴一项，中间为高升程，两边为零升程，高升程与停缸摇臂的内摇臂配合，零升程与停缸摇臂的外摇臂配合，实现停缸功能。

1.4 双油道液压挺柱设计

把原普通液压挺柱替换为双油道液压挺柱，增加一个油道，给停缸摇臂提供控制机油，安装尺寸保持不变，见图2。

图2 双油道液压挺柱剖面图

1.5 停缸摇臂设计

停缸摇臂的主要结构和外形和普通摇臂相似，但摇臂体分成了内摇臂和外摇臂，内外摇臂通过锁销机构连接，实现锁止和解锁两种状态，对应凸轮大升程和零升程。锁销机构由锁销、锁销弹簧、锁销弹簧座及外摇臂的锁销孔构成。内外摇臂在气门端通过销子连接，并通过复位弹簧使内摇臂在下行后能复位上行。见图3。

图3 停缸摇臂剖面图

2 停缸系统测试

2.1 停缸摇臂响应时间测试

2.1.1 测试原理和台架

把被测摇臂放在台架工装上，激光位移传感器对准锁销，在示波器上读出锁销从开始运动到运动终了的时间，即为响应时间，见图4。

图4 响应测试台架

2.1.2 响应时间标准确定

确定Spec: t<=15 ms。计算方法如下：

以3 000 r/min为停缸使用的最高转速，即曲轴50 r/s，凸轮轴25 r/s，每转40 ms。在锁止动作时，当有升程时内摇臂下行，锁销不能伸出，是不能切换的。在解锁动作时，当有升程时内摇臂压在锁销上，压力使锁销不能移动，即不能解锁。因此切换必须在基圆上进行，基圆段约占一周2/3，40×2/3=27 ms, 根据上述计算和经验，选取15 ms作为响应时间的上限，27/15=1.7，15 ms的spec安全系数为1.7，确保切换可以顺利进行。

2.1.3 响应时间测试结果(包含低温和高温)

高温测试结果和低温测试结果分别见表1和表2。

表1 中高温响应时间测试结果

表2 低温响应时间测试结果

油压在1.2 bar以下，响应时间不能满足要求。

从测试结果可知，25℃以下，响应时间不能满足要求。

对于测试响应时间不合格的低温低油压区域，后续在发动机开发时需注意，不能在这些区域进入停缸模式工作，即标定时要避开。

2.2 凸轮轴工作状态测试

2.2.1 气门升程测试

气门升程测试是测试凸轮轴旋转时气门的开启高度，评判标准是设计的理论气门升程型线。正常状态见图5，实测最大气门升程10 mm，与设计值吻合。停缸状态见图6，气门升程理论值应为0，实测气门升程±0.06，属于测量误差，实际气门处于关闭状态。从实测升程可知，正常状态和停缸状态的气门升程均满足设计要求。

图5 正常状态凸轮轴一周进气门升程

图6 停缸状态凸轮轴一周进气门升程

2.2.2 凸轮轴扭矩测试

由实测凸轮轴扭矩可知，一缸和三缸的瞬态扭矩在停缸和不停缸状态下基本一致，二缸不停缸时与一、三缸接近(见图7)，二缸在停缸时扭矩接近零(见图8)，说明二缸在停缸状态，凸轮只驱动内摇臂运动，外摇臂不动，气门弹簧不动，体现在凸轮轴上扭矩为零，符合预期。

图7 正常状态进气凸轮轴扭矩

图8 停缸状态进气凸轮轴扭矩

2.3 耐久试验

耐久试验做三种状态(大升程、零升程、切换耐久)，在耐久试验台架上进行，见图9。

图9 耐久试验台架

2.3.1 大升程耐久试验

大升程耐久试验就是保持不停缸状态，即保持停缸摇臂处于锁止状态，二缸一直处于高升程，按耐久规范运行300 h。

试验后检查零件状态，摇臂无异常磨损或断裂失效，检测摇臂关键指标参数，均满足图纸要求。试验结果合格，达到应用要求。

2.3.2 零升程耐久试验

零升程耐久试验就是保持在停缸状态，即保持停缸摇臂处于解锁状态，二缸一直处于零升程，按耐久规范运行300 h。

试验后检查零件状态，摇臂无异常磨损或断裂失效，检测摇臂关键指标参数，均满足图纸要求。试验结果合格，达到应用要求。

2.3.3 切换耐久试验

切换耐久试验是通过电磁阀控制停缸摇臂，使凸轮在这一圈是高升程，下一圈是零升程，如此循环，完成300万次循环。记录电磁阀的通电次数和接近开关采集的摇臂切换次数。实测数据显示，通电次数和切换次数一致，试验结果合格，见图10。

图10 切换试验台架和设备

3 结论

(1)通过设计、制造摇臂式停缸系统，实现该系统能够工作，可以进行大升程和零升程的来回切换。

(2)通过停缸摇臂响应试验，初步掌握响应时间和油压、温度的关系，为将来建立复杂的控制模型打下初步基础。

(3)通过测量获取大升程状态和停缸状态凸轮轴扭矩数据、正常状态和停缸状态的气门升程数据，总体正常，可作为将来凸轮轴结构优化参考。

(4)通过大升程耐久试验、零升程耐久试验和切换耐久试验，证明该机构的耐久性和切换可靠性合格，已达到应用要求。