可變壓縮比技術在車用發(fā)動機上的應用淺析（二）

鞍山市交通運輸學校 張宏宇

2.4 偏心移位方式的可變壓縮比技術

偏心移位方式的可變壓縮比技術具體可分為活塞銷偏心移位方式、曲柄銷偏心移位方式和曲軸偏心移位方式（圖12）。

圖12 偏心移位方式的可變壓縮比技術方案

2.4.1 曲軸偏心移位方式的可變壓縮比技術

德國FEV發(fā)動機技術公司早期提出的可變壓縮比技術便是采用曲軸偏心移位方式，如圖13所示，曲軸支承在一個偏心盤上，通過特定手段使偏心盤擺轉(zhuǎn)一個角度，便改變了曲軸在豎直方向上的位置，進而使活塞沿氣缸中心線移動，活塞上、下止點的位置也相應改變，燃燒室容積隨之改變，這樣便實現(xiàn)了壓縮比的連續(xù)調(diào)節(jié)，該方案實現(xiàn)的壓縮比調(diào)節(jié)范圍為8～15。該可變壓縮比技術作用原理的核心是曲軸的偏心支承，支承曲軸的孔的中心線與其旋轉(zhuǎn)中心線不重合（兩者之間的距離稱為偏心度）。偏心盤可通過一個調(diào)節(jié)執(zhí)行器進行擺轉(zhuǎn)，通過這種擺轉(zhuǎn)曲柄中心線相對于氣缸蓋的位置就會發(fā)生改變，因而可以連續(xù)地調(diào)節(jié)壓縮比。但是這種方案，曲軸移位后發(fā)動機的輸出軸會出現(xiàn)移動，因此必須對驅(qū)動系統(tǒng)進行補償，這種補償還要通過專門開發(fā)的平行曲柄式傳動裝置進行，實際使用不方便，F(xiàn)EV公司就放棄了這種方案。FEV發(fā)動機技術公司后來的想法是在活塞銷上加一個偏心環(huán)，通過改變偏心環(huán)的位置來改變活塞的高度，從而達到改變壓縮比的目的。

圖13 FEV發(fā)動機技術公司曲軸偏心移位可變壓縮比技術原理

圖14所示也是一種曲軸偏心移位可變壓縮比技術設計。該技術和FEV發(fā)動機技術公司的一樣，也是設置了曲軸偏心支承，不同的是，F(xiàn)EV發(fā)動機技術公司的曲軸偏心移位可變壓縮比技術設置的是分立的偏心套，且偏心套不具備下壓的控制機構(gòu)。而圖14所示的曲軸偏心移位可變壓縮比機構(gòu)設置了偏心套下壓機構(gòu)。

圖14 曲軸偏心移位可變壓縮比技術

圖15所示是日本本田汽車公司的一種曲軸偏心移位可變壓縮比技術，是通過在曲軸位置加1套偏心輪（Eccentric shaft）來調(diào)整曲軸的位置，從而實現(xiàn)壓縮比的可變。

圖15 本田汽車公司曲軸偏心移位可變壓縮比技術

2.4.2 活塞銷偏心移位方式可變壓縮比技術

如圖16所示，在活塞銷上外加了一個偏心環(huán)，偏心環(huán)通過連桿上的2個液壓活塞（液壓活塞A和液壓活塞B）控制，當需要改變壓縮比時，液壓活塞會根據(jù)需要驅(qū)動活塞銷外的偏心環(huán)轉(zhuǎn)動，從而使得活塞高度發(fā)生變化，從而改變壓縮比（圖17）?？刂破沫h(huán)的2個活塞是由連桿大頭開始供油控制的，因此可變壓縮比連桿相對于傳統(tǒng)的連桿要更加粗一點。FEV公司表示，活塞高度變化需要0.6 s，能夠減少燃油消耗5%～7%，這種解決方案對于整個發(fā)動機的修改相對較少，所有系統(tǒng)都集成在連桿上，成本不會太高。

圖16 活塞銷偏心移位方式可變壓縮比技術

圖17 活塞銷偏心移位方式可變壓縮比技術的不同工作狀態(tài)

有公開的專利文件顯示，保時捷正與Hilite國際先進工程公司合作開發(fā)的可變壓縮比技術（圖18）與FEV公司的可變壓縮比技術有點雷同，由圖18可以看出，為了實現(xiàn)壓縮比的可變，對傳統(tǒng)發(fā)動機的活塞連桿進行了結(jié)構(gòu)改良，在其兩側(cè)分別加裝了一個由電動和液壓控制的偏心調(diào)節(jié)部件。該部件可接收由ECU所發(fā)出的控制信號，并借助于液壓回路對支柱位置進行調(diào)節(jié)，從而帶動偏心元件發(fā)生旋轉(zhuǎn)，使活塞位置發(fā)生移動，以達到改變壓縮比的目的。不過出于對技術風險的評估，現(xiàn)階段保時捷所研制的可變壓縮比技術還僅限于在預先設定好的2個活塞位置間進行調(diào)整，換言之，也就是只可實現(xiàn)2種壓縮比間的相互切換，并不是現(xiàn)真正意義上的連續(xù)調(diào)整。

圖18 保時捷可變壓縮比技術專利圖

2.4.3 曲柄銷偏心移位方式可變壓縮比技術

荷蘭的Gomecsys公司的GoEngine VCR發(fā)動機（圖19）在曲軸上就能實現(xiàn)可變壓縮比的方式，那就是在連桿大頭里面加一個偏心環(huán)（圖20），通過齒輪（圖21）控制偏心環(huán)的轉(zhuǎn)動，當壓縮比需要改變時，偏心環(huán)轉(zhuǎn)動，使活塞上止點的位置發(fā)生改變，從而獲得可變壓縮比（圖22），壓縮比可以在7 ～15改變。

傳動機構(gòu)選擇了一套大減速比的蝸輪蝸桿部件，機構(gòu)傳動對執(zhí)行電動機的轉(zhuǎn)矩需求不大。該VCR機構(gòu)主體被安裝在發(fā)動機曲軸上，曲軸主軸頸內(nèi)均開設有一個支撐圓柱孔，每個支撐圓柱孔的軸線都與曲軸軸線重合，或不重合但平行，或形成一定的夾角。蝸桿與電動機同軸連接在一起，蝸輪與蝸桿嚙合，蝸輪上有一個中心齒輪與其同軸并固定連接，另有行星齒輪固定安裝于第一傳動軸前端并與中心齒輪嚙合，第一、二、三、四傳動軸安裝于曲軸的各段主軸頸內(nèi)的支撐圓柱孔內(nèi)，傳動軸的兩端分別安裝傳動齒輪，而偏心套則套裝在曲軸的連桿軸頸與連桿大頭之間，且偏心套的兩端各安裝一個偏心套齒輪，同對應的傳動軸齒輪相嚙合。當執(zhí)行電動機旋轉(zhuǎn)時，驅(qū)動蝸輪蝸桿進行旋轉(zhuǎn)，進而驅(qū)動中心齒輪旋轉(zhuǎn)，運動傳遞到行星齒輪，并通過傳動軸與偏心套之間的齒輪依次傳遞至第一傳動軸前端齒輪、第一傳動軸、第一傳動軸后端齒輪、第一偏心套、第二傳動軸前端齒輪等，直至最后一個傳動軸與最后一個偏心套，從而使所有的偏心套同步變動，改變壓縮比。圖23所示為荷蘭Gomecsys公司可變壓縮比技術在水平對置式發(fā)動機上的應用情況。

圖19 荷蘭的Gomecsys公司的GoEngine VCR發(fā)動機

圖20 荷蘭Gomecsys公司可變壓縮比技術

圖21 通過齒輪控制偏心環(huán)的轉(zhuǎn)動

圖22 荷蘭Gomecsys公司可變壓縮比技術的工作原理

2.5 奔馳公司可變活塞高度方式可變壓縮比技術

奔馳公司提出可變壓縮比技術是利用液壓油泵的原理改變活塞的位置，使活塞的高度可變，從而改變壓縮比（圖24），該方案最突出的優(yōu)點是相對于原型發(fā)動機的改動較小，易于實現(xiàn)。這是一個典型的采用潤滑油液力特性的可變壓縮比設計方案，因此如何控制潤滑油的流量成為該方案的技術難點。況且，液壓活塞質(zhì)量較大，不易于高速旋轉(zhuǎn)，而且響應有滯后（需要幾個熱機循環(huán)的時間）。

圖23 荷蘭Gomecsys公司可變壓縮比技術在水平對置式發(fā)動機上的應用情況

圖24 奔馳可變活塞高度方式可變壓縮比技術

美國密西根大學也曾提出過一個可變活塞高度方式的可變壓縮比技術方案，它是通過在活塞內(nèi)部安裝彈性元件，讓活塞的高度隨著氣缸內(nèi)的壓力變化而變化。這種方案的結(jié)構(gòu)相對簡單，且不需要附加的控制系統(tǒng)，容易實現(xiàn)。

2.6 豐田公司氣缸體和曲軸箱相對位置可變式可變壓縮比技術

對于豐田直列式的可變壓縮比發(fā)動機，從豐田公司申請的可變壓縮比技術專利中可以看出，其可變壓縮比的想法和薩博可變壓縮比技術有點類似，是在氣缸體上動手腳，氣缸體和曲軸箱通過軸向的相對移動形成可變壓縮比。如圖25所示，氣缸體和曲軸箱之間通過2條偏向凸輪連接，當需要改變壓縮比時，電動機控制偏心凸輪轉(zhuǎn)動一定角度，使得氣缸體與曲軸箱產(chǎn)生出軸向的移動，這樣燃燒室的容積就會改變，從而改變壓縮比。但發(fā)動機產(chǎn)生的爆發(fā)力對偏心軸的控制會產(chǎn)生很大的影響，同時機構(gòu)也比較復雜，因此豐田也只是停留在研究階段。

有趣的是豐田公司還有V形可變壓縮比發(fā)動機的想法（圖26），和直列式可變壓縮比發(fā)動機相似，也是氣缸體和曲軸箱分離，通過蝸桿凸輪軸來控制氣缸體，使得氣缸體與曲軸箱發(fā)生相對位移，從而改變壓縮比，只是V型發(fā)動機的控制難度及機構(gòu)都要復雜很多。

圖25 豐田公司可變壓縮比技術

圖26 豐田公司V6可變壓縮比發(fā)動機專利圖

2.7 韓國現(xiàn)代汽車公司在氣缸蓋內(nèi)設置副活塞式可變壓縮比技術

圖27所示為韓國現(xiàn)代汽車公司可變壓縮比發(fā)動機的專利圖，是在氣缸蓋上面增加可一個可變腔，里面設置了副活塞，活塞能夠在腔內(nèi)移動，當需要改變壓縮比是，電動機控制蝸桿帶動偏心凸輪，偏心凸輪轉(zhuǎn)動便會改變副活塞的位置，使得氣缸內(nèi)容積發(fā)生改變，從而獲得可變壓縮比。這樣的想法比較簡單，可行性也較高，但是這種方案容易產(chǎn)生密封問題，為了保證副活塞在高溫高壓下能夠持久工作必須對其進行冷卻，而且對燃燒室布置改變的不合理會導致放熱損失急劇增加，使得內(nèi)燃機的熱效率下降。

和韓國現(xiàn)代汽車公司可變壓縮比技術相類似的方案，還有瑞典Lund技術學院提出的可變壓縮比方案，不同的是在氣缸蓋處設置了一套完成的活塞連桿系統(tǒng)，副活塞由第二曲軸驅(qū)動。第二曲軸通過機械傳遞裝置與主曲軸相連，轉(zhuǎn)速與主曲軸保持1:2的關系，這樣就能與凸輪軸轉(zhuǎn)數(shù)相同。當發(fā)動機工作時，根據(jù)不同工況的需要，調(diào)節(jié)副活塞的上止點位置與發(fā)動機主活塞上止點位置之間的相位差，從而改變?nèi)紵胰莘e，達到壓縮比可變的目的。

圖27 韓國現(xiàn)代汽車公司可變壓縮比發(fā)動機專利圖

2.8 Iwis公司和AVL公司的可伸縮連桿式可變壓縮比技術

為了實現(xiàn)CO2的減排效果，又不對發(fā)動機結(jié)構(gòu)做出重大改變，Iwis公司和AVL公司合作開發(fā)出了“Dual Mode VCS”可變壓縮系統(tǒng)，這種系統(tǒng)可以在不改變發(fā)動機現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的情況下集成到現(xiàn)有的發(fā)動機系列中應用，其工作的基本原理是通過兩極可伸縮的、集成在連桿體上并能夠調(diào)整壓縮比的調(diào)節(jié)機構(gòu)來實現(xiàn)發(fā)動機的可變壓縮比技術。為了能夠讓可伸縮連桿長度實現(xiàn)雙向改變，Iwis公司和AVL公司的研發(fā)人員利用了發(fā)動機工作時作用在連桿小頭的氣體壓力FM和慣性力FG，將連桿大頭和連桿小頭由一個只有一個自由度的連接件連接起來（圖28）。由于連接件只有一個自由度，因此就可以靈活實現(xiàn)連桿長度的伸長和縮短：當合力FR在坐標系中為負時，即FG＞FM時就能縮短連桿的長度；反之，當合力FR為正時，即FG＜FM時就可以延長Dual Mode VCS連桿的長度。此外，伸長和縮短2個方向的單自由度平移都會受到機械限位的限制，這種可以平移的連接方式也可以視為一種氣缸-活塞系統(tǒng)。當可伸縮連桿的長度由長變短時，下油腔中的液壓油被擠出去，油量減少，液壓油注入上方油腔；當可伸縮連桿的長度由短變長時，上方油腔排空，下方油腔注入液壓油。液壓閥系統(tǒng)控制著可伸縮連桿的長度變化，保證連桿的長度只按照希望的伸長量或縮短量變化。因此，液壓閥系統(tǒng)中使用了單向控制的單向閥。它們決定了哪個油腔可以排出或注入液壓油。當平移連接件移動到其限位位置時，液壓閥系統(tǒng)就能保持著連桿長度調(diào)節(jié)機構(gòu)工作位置在發(fā)動機交替變化的壓力和拉力作用下不發(fā)生變化，也就是說可伸縮連桿的長度不變。

圖28 具有相同功能的基本型連桿（左）和可伸縮連桿的工作原理（右）

除此之外，還要求這一系統(tǒng)能夠充分地挖掘VCR可變壓縮比調(diào)節(jié)系統(tǒng)的潛力。例如將米勒循環(huán)發(fā)動機與VCR可變壓縮比技術相結(jié)合就會在最大與最小壓縮比之間提供6擋壓縮比，僅用一套可伸縮連桿系統(tǒng)就可以實現(xiàn)大范圍的壓縮比調(diào)整。該技術方案在連桿的活塞連接部沒有額外的零部件，不需要特殊的加工和處理，活塞組件也沒有變化。

工程師們將這一系統(tǒng)安裝到標準型的2.0 L TGDI發(fā)動機上，并根據(jù)歐盟提出的WLTC輕型車測試循環(huán)工況的要求進行了試驗測試。測試時，按照發(fā)動機的工作特性曲線分為2個區(qū)域，高壓縮比和低壓縮比行駛區(qū)域。通過試驗可以看到，在低負荷至中負荷和低轉(zhuǎn)速至中轉(zhuǎn)速的范圍內(nèi)應使用高壓縮比，以盡可能地降低CO2的排放；在高負荷區(qū)域內(nèi)，發(fā)動機應在低壓縮比工況下工作，以便能夠在不進入爆燃區(qū)的情況下輸出最大功率；在高轉(zhuǎn)速和低負荷情況下，在WLTC輕型車測試循環(huán)和實際駕駛中的CO2排放量沒有明顯的影響，因此在這一區(qū)域內(nèi)可以用低壓縮比來驅(qū)動車輛行駛。