可變壓縮比技術(shù)在車用發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用淺析（一）

鞍山市交通運(yùn)輸學(xué)校 張宏宇

1 壓縮比和可變壓縮比

要說明一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)參數(shù)，可以概略地用功率與轉(zhuǎn)矩的大小表示出來，然而影響功率、轉(zhuǎn)矩輸出的因素卻有很多，其中一個(gè)重要的因素就是發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比，因此壓縮比是影響發(fā)動(dòng)機(jī)性能的一個(gè)重要參數(shù)。壓縮比表示活塞從下止點(diǎn)移動(dòng)到上止點(diǎn)時(shí)氣缸內(nèi)氣體被壓縮的程度，用壓縮前的氣缸總?cè)莘e與壓縮后的氣缸容積（即燃燒室容積）的比值來表示。壓縮比對(duì)內(nèi)燃機(jī)性能的影響是多方面的。壓縮比越高，活塞做功行程的距離就越長(zhǎng)，做功就越多，發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率就越大，發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率越高，但隨著壓縮比的增高，發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率增長(zhǎng)幅度越來越小，而壓縮比增高會(huì)使氣缸壓縮壓力、最高燃燒壓力均升高，故使內(nèi)燃機(jī)的機(jī)械效率下降。對(duì)于汽油發(fā)動(dòng)機(jī)而言，壓縮比過高容易產(chǎn)生爆震，從而容易損壞發(fā)動(dòng)機(jī)；對(duì)于柴油機(jī)而言，壓縮比過低會(huì)使壓縮終點(diǎn)的溫度變低，影響冷起動(dòng)性能。高壓縮比發(fā)動(dòng)機(jī)可以更好地利用活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)的做功特點(diǎn)，在做功行程用同樣數(shù)量的燃油可以爆發(fā)出更大的功率，用更小的排量就可以達(dá)到以前更大排量的發(fā)動(dòng)機(jī)才能做出的功率，亦即高壓縮比發(fā)動(dòng)機(jī)的升功率和燃油利用率更高。目前柴油機(jī)的壓縮比一般在12∶1～22∶1，但超高增壓柴油機(jī)的壓縮比可低至8。過去汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比一般在6∶1～10∶1，但如今為滿足排放標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于碳排放（即耗油量）的要求，汽車生產(chǎn)廠家普遍將汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比提高至9∶1～12∶1，其中，9∶1～10.5∶1主要用于渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)，10.0∶1～12∶1則主要用于自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)。

一般而言，發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比是不可變動(dòng)的，因?yàn)槿紵胰莘e及氣缸工作容積都是固定的參數(shù)，在設(shè)計(jì)中已經(jīng)定好。但固定的壓縮比卻不能充分發(fā)揮發(fā)動(dòng)機(jī)的性能，特別是在發(fā)動(dòng)機(jī)小負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，燃燒室中的廢氣占比較高，壓縮終了的氣缸壓縮壓力過低，發(fā)動(dòng)機(jī)的做功效率低，因此應(yīng)該采用比較大的壓縮比，以提高發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率。但在大負(fù)荷工況下，過高的壓縮比卻容易產(chǎn)生爆燃和較大的機(jī)械負(fù)荷，此時(shí)人們又希望發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比能變小點(diǎn)。因此為使現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)能在各種變化的工況中發(fā)揮更好的效率，以變對(duì)變來改善發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行性能，人們希望做為發(fā)動(dòng)機(jī)重要參數(shù)的壓縮比也能由固定不變改為“隨機(jī)應(yīng)變”，即壓縮比能隨著發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷變化而變化，那將是非常完美的，這就要采用可變壓縮比技術(shù)?？勺儔嚎s比的原則是高負(fù)荷大功率時(shí)用低壓縮比，低負(fù)荷時(shí)轉(zhuǎn)換成高壓縮比模式。

壓縮比是自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)和增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的最核心區(qū)別之一。為了克服爆震問題，增壓發(fā)動(dòng)機(jī)需要降低壓縮比，而這一舉動(dòng)將會(huì)降低發(fā)動(dòng)機(jī)的效率。在增壓壓力低時(shí)熱效率降低，使燃油經(jīng)濟(jì)性下降。特別在渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)中由于增壓度上升緩慢在低壓縮比條件下轉(zhuǎn)矩上升也很緩慢，形成所謂的增壓滯后現(xiàn)象。也就是說，發(fā)動(dòng)機(jī)在低速時(shí)，增壓作用滯后，要等到發(fā)動(dòng)機(jī)加速至一定轉(zhuǎn)速后增壓系統(tǒng)才起到作用。為了解決這個(gè)問題，可變壓縮比是重要方法。就是說，在增壓壓力低的低負(fù)荷工況，使壓縮比能提高到與自然吸氣式發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比相同或超過（譬如10∶1甚至更高）；另一方面，當(dāng)渦輪增壓器完全介入以后，在高增壓的高負(fù)荷工況下，要適當(dāng)降低壓縮比（譬如降到7∶1以下）。換言之，隨著負(fù)荷的變化連續(xù)調(diào)節(jié)壓縮比，以便能夠從低負(fù)荷到高負(fù)荷的整個(gè)工況范圍內(nèi)有效提高熱效率。

可變壓縮比技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)，一是改善了發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒性能，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率，能大大提高發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性；二是能縮短發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)和暖機(jī)階段，降低發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)和暖機(jī)階段的有害污染物排放；三是能兼顧發(fā)動(dòng)機(jī)部分負(fù)荷時(shí)的經(jīng)濟(jì)性和大負(fù)荷時(shí)的動(dòng)力性，使發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性及排放凈化性得到較好的統(tǒng)一；四是能根據(jù)燃料標(biāo)號(hào)改變壓縮比，從而降低了對(duì)燃料的要求；五是能大大改善渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的低負(fù)荷性能。

2 可變壓縮比的實(shí)現(xiàn)路徑

要改變壓縮比就必然要涉及到整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)的改變，牽一而動(dòng)百，難度很大。由壓縮比的定義可知，要想改變發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比，就必須要改變決定壓縮比大小的氣缸總?cè)莘e或燃燒室容積。發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室有氣缸蓋、氣缸體和活塞頂3個(gè)部分組成，目前出現(xiàn)的可變壓縮比設(shè)計(jì)基本上都是圍繞這3個(gè)部分實(shí)現(xiàn)的。一般是通過改變氣缸蓋、氣缸體的結(jié)構(gòu)，或者改變活塞和曲柄連桿機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)壓縮比可變的（圖1）。將曾經(jīng)提出過的可變壓縮比技術(shù)方案進(jìn)行歸納，有以下幾種：一是氣缸蓋活動(dòng)方式；二是偏心移位方式；三是多連桿方式；四是可變活塞高度方式（這里需要特別指出的是，如阿特金森循環(huán)或米勒循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)也同樣具備壓縮比可變的功效，但由于其已被特指為一種循環(huán)工況，因此人們?cè)谟懻摽勺儔嚎s比技術(shù)時(shí)通常會(huì)將其略去）。下面筆者重點(diǎn)介紹幾種已經(jīng)實(shí)現(xiàn)壓縮比可變的發(fā)動(dòng)機(jī)。

2.1 瑞典Saab（薩博）公司SVC技術(shù)

Saab公司的可變壓縮比技術(shù)，稱之為Saab Variable Compression，簡(jiǎn)稱SVC。2000年，Saab公司就推出一款采用SVC技術(shù)的、排量為1.598 L的、配有高增壓值機(jī)械增壓器的直列五缸發(fā)動(dòng)機(jī)，其壓縮比能在8∶1～14∶1連續(xù)調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)了發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗量的控制。為實(shí)現(xiàn)其可變壓縮比功能，Saab公司在其氣缸體和氣缸蓋的設(shè)計(jì)上完全打破了傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念。

如圖2所示，SVC發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸蓋和氣缸體是動(dòng)態(tài)連接在一起的，氣缸蓋與氣缸體通過一組搖臂連接（圖3，圖2中的桔黃色部分），可分成上方的氣缸蓋與活塞、氣門總成和下方連桿與曲軸箱。下方的曲軸箱保持固定不動(dòng)，上方的氣缸蓋與活塞部分則會(huì)以曲軸為中心，控制單元能根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、負(fù)荷、工作溫度、燃料使用狀況等通過液壓促動(dòng)器控制搖臂偏轉(zhuǎn)一定的角度，使得燃燒室與活塞頂面的相對(duì)位置發(fā)生變化，從而改變了燃燒室的容積，實(shí)現(xiàn)了壓縮比的連續(xù)調(diào)節(jié)。在發(fā)動(dòng)機(jī)小負(fù)荷時(shí)采用高壓縮比以節(jié)約燃油，在發(fā)動(dòng)機(jī)大負(fù)荷時(shí)采用低壓縮比，并輔以機(jī)械增壓器以實(shí)現(xiàn)大功率和高轉(zhuǎn)矩輸出，綜合油耗比常規(guī)發(fā)動(dòng)機(jī)降低30%，并且能滿足歐洲Ⅳ號(hào)排放標(biāo)準(zhǔn)。這款發(fā)動(dòng)機(jī)的ECU還能通過傳感器信息判斷汽油標(biāo)號(hào)，并根據(jù)汽油標(biāo)號(hào)選擇最適合的壓縮比。但由于比普通發(fā)動(dòng)機(jī)多出了一套搖臂裝置，因此也就多需要一套冷卻系統(tǒng)，通過氣缸蓋和氣缸套周圍的冷卻液散熱。由于氣缸蓋和氣缸體會(huì)發(fā)生移位，在氣缸蓋和氣缸體之間設(shè)計(jì)了一組橡膠套，起到密封作用。但由于這套系統(tǒng)過于復(fù)雜，Saab公司直到被通用公司收購，都沒有能夠?qū)崿F(xiàn)量產(chǎn)。

圖1 各種可變壓縮比機(jī)構(gòu)的形式

圖2 SVC發(fā)動(dòng)機(jī)

圖3 SVC發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸蓋與氣缸體通過一組搖臂連接

2.2 法國(guó)MCE-5公司的VCR技術(shù)

法國(guó)公司MCE-5發(fā)布的一款搭載可變壓縮比（VCR，Variable Compression Ratio）技術(shù)的發(fā)動(dòng)機(jī)（圖4），采用歧管噴射直列四缸串聯(lián)式雙渦輪設(shè)計(jì)，壓縮比可變范圍為7∶1至20∶1。如圖5所示，VCR發(fā)動(dòng)機(jī)通過“滾子導(dǎo)向活塞”（圖6，即下部由特殊形狀的轉(zhuǎn)軸進(jìn)行剛性連接的活塞）的工作方式推動(dòng)曲軸的，相比于傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)多了一套液壓控制機(jī)構(gòu)。如圖7所示，齒輪上有螺紋的轉(zhuǎn)軸部分的運(yùn)動(dòng)由位于氣缸壁之間的滾子與反向一側(cè)的擺桿進(jìn)行控制；位于機(jī)構(gòu)中央的擺桿在兩側(cè)部分的齒輪刻有螺紋，一方面與活塞連接，另一方面與液壓式執(zhí)行器運(yùn)動(dòng)的控制齒桿連接，這種擺桿與齒桿連接，起到活塞的運(yùn)動(dòng)被傳遞到曲軸的作用。從整個(gè)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)來看，如果液壓執(zhí)行器使控制齒桿向上運(yùn)動(dòng)，則在擺桿的作用下活塞向下運(yùn)動(dòng)（反之亦然），從而可在活塞行程不改變的情況下，使上下止點(diǎn)的燃燒室容積發(fā)生變化。也就是說，采用液壓控制的控制齒桿，使擺桿做空間移動(dòng)，即利用幾何學(xué)的空間位移變化，在適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷變化情況的同時(shí)，使壓縮比改變。由此可見，VCR發(fā)動(dòng)機(jī)是通過杠桿原理改變活塞上止點(diǎn)位置的方式實(shí)現(xiàn)可變壓縮比的。如圖8所示，當(dāng)壓縮比需要變化時(shí)，液壓控制機(jī)構(gòu)移動(dòng)，通過杠桿原理，讓活塞向反方向移動(dòng)，改變活塞上止點(diǎn)的位置，從而改變壓縮比。VCR發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)上的另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是其活塞和連桿是剛性連接的（圖6），活塞只能做垂直運(yùn)動(dòng)，活塞不會(huì)產(chǎn)生出受點(diǎn)燃混合氣的沖擊力而擠壓氣缸壁的分離，從而大大降低了發(fā)動(dòng)機(jī)的內(nèi)部運(yùn)動(dòng)阻力。

圖4 VCR發(fā)動(dòng)機(jī)

圖5 VCR發(fā)動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)

圖6 滾子導(dǎo)向活塞

圖7 VCR機(jī)構(gòu)的基本結(jié)構(gòu)

圖8 可變壓縮比的實(shí)現(xiàn)方式

2.3 日產(chǎn)汽車公司的VCR技術(shù)

日產(chǎn)汽車公司在VCR領(lǐng)域早在2009年和2014年就注冊(cè)相關(guān)專利，如圖9所示，靠固定在發(fā)動(dòng)機(jī)側(cè)面的電機(jī)執(zhí)行器控制一套Multi-link連桿機(jī)構(gòu)來改變發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比。這種機(jī)構(gòu)采用在曲柄銷轉(zhuǎn)動(dòng)部位擺動(dòng)的杠桿的一端與連桿連接，而杠桿的另一端則采用與控制軸延伸出來連桿相連接的構(gòu)造。連桿與控制軸的偏心部分連接，當(dāng)控制軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，控制軸連桿使曲柄銷回轉(zhuǎn)而使杠桿擺動(dòng)，活塞的上止點(diǎn)的位置作上下移動(dòng)，則燃燒室容積改變，而活塞的行程沒有改變，則工作容積不變，從而使壓縮比可變。

圖9 日產(chǎn)汽車公司2014年的VCR技術(shù)專利

2016年8月，日產(chǎn)汽車宣布首款擁有VCR技術(shù)的2.0 L量產(chǎn)增壓汽油發(fā)動(dòng)機(jī)被搭載于英菲尼迪QX50車上，這是自從各大公司于上世紀(jì)末開始研究可變壓縮比技術(shù)以來的第一款量產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)，其壓縮比可以8∶1～14∶1隨意變化。這次日產(chǎn)汽車公司量產(chǎn)VCR技術(shù)和圖9所示的日常汽車公司的VCR技術(shù)非常相似，靠固定在發(fā)動(dòng)機(jī)側(cè)面的電機(jī)執(zhí)行器控制一套Multi-link連桿機(jī)構(gòu)來改變發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比。

如圖10所示，一般的發(fā)動(dòng)機(jī)每個(gè)氣缸的活塞都和1根連桿連接，而日產(chǎn)汽車公司量產(chǎn)的VCR發(fā)動(dòng)機(jī)每個(gè)氣缸的活塞則是通過2根連桿連接，為避免不穩(wěn)定，又加了1根控制連桿（C-Link）。日產(chǎn)汽車公司的這種做法可以維持氣缸體和氣缸蓋牢固的結(jié)構(gòu)，其設(shè)計(jì)特點(diǎn)是活塞連桿并不是直接推動(dòng)曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)的，而是通過連桿間接推動(dòng)曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)的。需要高壓縮比的情況下，電機(jī)會(huì)驅(qū)動(dòng)C-Link和控制轉(zhuǎn)軸，CLink會(huì)把菱形結(jié)構(gòu)往順時(shí)針方向下推，把曲軸定位在高壓縮比的位置（圖11a）。需要低壓縮比的時(shí)候，C-Link的中心會(huì)朝著反方向控制，上面菱形的結(jié)構(gòu)會(huì)向逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，把曲軸定位在低壓縮比的位置（圖11b）。

日產(chǎn)汽車公司VCR采用多連桿結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)可變壓縮比，因?yàn)橥ㄟ^驅(qū)動(dòng)器、控制軸就能夠同時(shí)控制所有氣缸的壓縮比，其壓縮比的可控性更強(qiáng)；因?yàn)槎噙B桿結(jié)構(gòu)就是由軸、銷、軸承、襯套等一般機(jī)械要素構(gòu)成的，其可靠性更高和量產(chǎn)的可能性更大；相對(duì)于傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)而言，活塞運(yùn)動(dòng)的軌跡更接近正旋曲線，則不存在二次振動(dòng)的情況；由于推桿幾乎處于直立的狀態(tài)，可以大幅度減少活塞在運(yùn)動(dòng)過程中的摩擦，可實(shí)現(xiàn)更低的油耗，從而兼顧了油耗和發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率兩方面的需求。

圖10 VCR發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)

圖11 VCR發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)

（未完待續(xù)）