探析汽油機(jī)可變壓縮比技術(shù)研究現(xiàn)狀

李玉柱

（無(wú)錫商業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 無(wú)錫 214153）

當(dāng)前我國(guó)在不斷的發(fā)展內(nèi)燃機(jī)的新技術(shù)，主要的目的就是為了更好的滿足社會(huì)發(fā)展提出的很多嚴(yán)苛的排放和油耗法規(guī)，適應(yīng)社會(huì)的進(jìn)步。在不同的工況狀態(tài)中，內(nèi)燃機(jī)會(huì)產(chǎn)生不同的熱效率，如果運(yùn)用平衡的方法或者是折中的辦法，不能讓各工況滿足最優(yōu)的狀態(tài)。所以，近些年來(lái)，對(duì)于先進(jìn)的內(nèi)燃機(jī)技術(shù)來(lái)說(shuō)，都不能離開(kāi)可變兩個(gè)字。其中產(chǎn)生最明顯的改善效果的就是可變壓縮比，同時(shí)其難度也屬于最高的。下面基于可變壓縮比的原理、實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)角度進(jìn)行闡述，并聯(lián)系起典型的方案，對(duì)于有關(guān)實(shí)現(xiàn)方式以及特點(diǎn)等進(jìn)行詳盡的分析，望提供給未來(lái)的內(nèi)燃機(jī)可變壓縮比技術(shù)的發(fā)展有價(jià)值的指導(dǎo)。

1 可壓縮比概況

壓縮比為活塞在下止點(diǎn)時(shí)的汽缸容積跟在上止點(diǎn)時(shí)的容積之比，能夠?qū)怏w受壓縮程度進(jìn)行反應(yīng)。傳統(tǒng)的汽油機(jī)壓縮比通常是8～12，柴油機(jī)的壓縮比是15～18。根據(jù)汽油機(jī)理想的熱力學(xué)定容循環(huán)熱效率公式，如果空氣比熱容是恒定的，那么熱效率為壓縮比函數(shù)，如果具有越大的壓縮比，則會(huì)產(chǎn)生越高的熱效率。但是汽油具有非?；钴S的化學(xué)性質(zhì)，在缸內(nèi)壓力過(guò)高，或者是具有較高的溫度情況下，混合氣能夠于不應(yīng)被點(diǎn)燃的環(huán)境下，提前產(chǎn)生不可控制的燃燒，將均質(zhì)燃燒狀態(tài)形成一定程度的破壞，而且對(duì)于處在上行的活塞形成下壓的沖擊力，形成“爆震”的問(wèn)題，如果程度輕微，會(huì)導(dǎo)致振動(dòng)，程度較重會(huì)損壞缸體活塞。

通常，基于全負(fù)荷的狀態(tài)時(shí)，傳統(tǒng)汽油機(jī)是具有較高的爆震幾率的。所以，按照全負(fù)荷狀態(tài)明確的最大壓縮比要適中，禁止過(guò)高。但是一些負(fù)荷是由于進(jìn)氣節(jié)流的因素，降低實(shí)際壓縮比，進(jìn)而對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性能產(chǎn)生影響，不僅降低熱效率，而且將會(huì)消耗較多的燃油。但因?yàn)閮?nèi)部具有固定結(jié)構(gòu)，而且?guī)缀螇嚎s比同樣固定，所以選取的汽油機(jī)壓縮比屬于對(duì)很多可能產(chǎn)生工況的折中，這樣固定壓縮比不能確保汽油機(jī)能夠平穩(wěn)的運(yùn)行在所有的工況狀態(tài)中。最好的策略即為，小負(fù)荷以高壓縮比工作，高負(fù)荷、全負(fù)荷將壓縮比自動(dòng)降低對(duì)工況進(jìn)行適應(yīng)，確保動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性能夠一起兼顧起來(lái)，不讓發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)不良反應(yīng)。所以，內(nèi)燃機(jī)領(lǐng)域一直致力于研究先進(jìn)的可變壓縮比技術(shù)。

可變壓縮比，為內(nèi)燃機(jī)在運(yùn)行期間的壓縮比可變?？勺儔嚎s比的優(yōu)勢(shì)明顯的優(yōu)勢(shì)于固定壓縮比，即：可變壓縮比在所有的工況下，均可以于爆震限制狀態(tài)中正常的工作，促進(jìn)熱效率提升；可以減少耗油量，進(jìn)而產(chǎn)生更優(yōu)的燃油經(jīng)濟(jì)性；能夠有效的將冷啟動(dòng)和暖機(jī)環(huán)節(jié)產(chǎn)生的有害排放量減少；具有緊湊的結(jié)構(gòu)，小排量能夠獲得大功率，而且增強(qiáng)燃料適應(yīng)性，對(duì)很多標(biāo)號(hào)的燃料靈活的接受；維護(hù)設(shè)備平穩(wěn)運(yùn)行工作，減少噪聲等。綜上，可變壓縮比技術(shù)可以避免燃燒環(huán)節(jié)產(chǎn)生爆震的風(fēng)險(xiǎn)，讓內(nèi)燃機(jī)具有更好的動(dòng)力性以及排放性、經(jīng)濟(jì)性。

2 雙循環(huán)下的可變壓縮比

通常，常規(guī)的四沖程汽油機(jī)壓縮比跟膨脹比可以劃等號(hào)，即為奧托循環(huán)的運(yùn)轉(zhuǎn)方式。在19 世紀(jì)80年代，阿特金森（英國(guó)）提出一項(xiàng)連桿機(jī)構(gòu)，相對(duì)繁瑣，做功沖程跟吸氣沖程相比明顯延長(zhǎng)，所以相較于壓縮比而言，膨脹比更大，其為阿特金森循環(huán)的運(yùn)轉(zhuǎn)方式。在20 世紀(jì)40 年代，師米勒（美國(guó)）又提出了米勒循環(huán)，屬于另一種膨脹比超過(guò)了壓縮比的實(shí)現(xiàn)手段。

當(dāng)前發(fā)展的可變氣門(mén)正時(shí)技術(shù)，能夠做到互相的切換阿特金森/米勒循環(huán)與奧托循環(huán)，基于雙循環(huán)狀態(tài)中，活塞運(yùn)行的上止點(diǎn)以及下止點(diǎn)均未產(chǎn)生改變，知識(shí)改變了氣體被壓縮的程度。阿特金森循環(huán)模式中，小負(fù)荷工作在結(jié)束了進(jìn)氣沖程以后，延遲了關(guān)閉進(jìn)氣門(mén)，在上行期間，活塞把一些吸進(jìn)缸中的混合氣，在進(jìn)氣管中吐回，關(guān)上了進(jìn)氣門(mén)以后，被壓縮的混合氣比吸入的混合氣少，會(huì)相應(yīng)降低壓縮比同時(shí)不改變膨脹比。如果是高負(fù)載，發(fā)動(dòng)機(jī)將進(jìn)氣延遲角減小回至奧托循環(huán)，此時(shí)正常的開(kāi)啟和關(guān)閉進(jìn)氣門(mén)、排氣門(mén)，在缸內(nèi)進(jìn)入大量混合氣，促進(jìn)動(dòng)力更多的輸出。此技術(shù)不會(huì)將發(fā)動(dòng)機(jī)的幾何壓縮比進(jìn)行更改，豐田的R 系列、馬自達(dá)的SKYACTIV 均運(yùn)用此舉措實(shí)現(xiàn)熱效率的提升，屬于一種應(yīng)用廣泛的方式。此技術(shù)僅可以達(dá)到單向改變壓縮比的目標(biāo)，降低氣體吸入量，削弱發(fā)動(dòng)機(jī)輸出動(dòng)力，跟真正的幾何可變壓縮比存在明顯的距離。

3 可變幾何壓縮比

3.1 氣缸蓋位置可變

此類方案對(duì)于氣缸蓋的部位進(jìn)行改變，調(diào)整燃燒室容積，達(dá)到可變壓縮比的目標(biāo)。在2000 年時(shí)，瑞典薩博提出了SVC 發(fā)動(dòng)機(jī)，壓縮比范圍是8～14，包括兩部分，一部分是汽缸蓋結(jié)合缸體鑄，另一部分是曲軸箱油底殼。如果有需要，會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)偏心凸輪，連桿對(duì)于上部缸體進(jìn)行控制，圍繞曲軸箱上支撐軸轉(zhuǎn)動(dòng)，形成傾斜，將燃燒室容積改變壓縮比更改。但是冷卻潤(rùn)滑系統(tǒng)相對(duì)復(fù)雜，上下連接處提出嚴(yán)格的密封性要求以及材料性能標(biāo)準(zhǔn)，并未驗(yàn)證機(jī)構(gòu)的可靠性，便隨通用收購(gòu)被擱置。在2005 年時(shí)，豐田將偏向凸輪軸連接到汽缸體與曲軸箱間，電機(jī)可以對(duì)偏心輪轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行控制，讓汽缸體跟曲軸箱形成移動(dòng)，進(jìn)而對(duì)燃燒室容積進(jìn)行改變，實(shí)現(xiàn)壓縮比的變化。但內(nèi)燃機(jī)具有較大的爆發(fā)力，會(huì)對(duì)控制偏心凸輪軸形成一定程度的影響，因此留于研究的層面。

3.2 燃燒室容積可變

此方案對(duì)燃燒室容積進(jìn)行直接的改變，達(dá)到可變壓縮比的調(diào)整。韓國(guó)現(xiàn)代把可移動(dòng)副活塞的可變腔加設(shè)到汽缸蓋上。如果有需求，電機(jī)對(duì)蝸桿進(jìn)行控制，帶動(dòng)偏心凸輪的轉(zhuǎn)動(dòng)將副活塞位置更改，這樣就會(huì)使得汽缸容積出現(xiàn)改變，最終將壓縮比調(diào)整。也可經(jīng)火花塞、氣門(mén)位置或活塞頂面形狀的變化，將燃燒室容積進(jìn)行更改，但是密封性問(wèn)題需要注意，應(yīng)該實(shí)施冷卻處理，使得在高溫高壓工況中平穩(wěn)運(yùn)行。

3.3 連桿長(zhǎng)度可變

此方案是將連桿長(zhǎng)度直接的調(diào)整，對(duì)上止點(diǎn)部位、下止點(diǎn)部位進(jìn)行改變，達(dá)到壓縮比的變化目標(biāo)。德國(guó)FEV 以及保時(shí)捷，通過(guò)在活塞銷外增添小型液壓油缸控制的偏心環(huán)的方式，如果有需要，則油缸將偏心環(huán)帶動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)，改變連桿長(zhǎng)度以及壓縮比。因?yàn)橛透资峭ㄟ^(guò)連桿大頭進(jìn)行供油控制的，因此連桿更粗些。此舉措明顯減少整機(jī)的修改，連桿上面集中了全部系統(tǒng)，所以不會(huì)產(chǎn)生過(guò)多成本，正在不斷研究發(fā)展中。

3.4 連桿支點(diǎn)位置可變

此方式對(duì)連桿運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改變，促使調(diào)整名義連桿長(zhǎng)度尺寸，將壓縮比進(jìn)行改變。在2005 年時(shí)，法國(guó)MCE-5 提出VCRi 發(fā)動(dòng)機(jī)，壓縮比改變范圍是7～20。此技術(shù)能夠?qū)l(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力輸出降低，一旦缺少了電機(jī)輔助，容易產(chǎn)生低速扭矩不足的問(wèn)題。在2016 年時(shí)，英菲尼迪QX50 搭載VC-T 發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)用了雙噴射和雙循環(huán)技術(shù)，具有8～14 間的壓縮比。VC-T 以多連桿機(jī)構(gòu)方式，把曲柄裝置加設(shè)在活塞、曲軸之間，經(jīng)調(diào)節(jié)曲柄角度，對(duì)于連桿長(zhǎng)度改變，達(dá)到無(wú)極變化壓縮比效果。因?yàn)闇p小了曲軸曲柄、連桿跟垂直方向夾角，所以也降低了活塞擺動(dòng)幅度跟活塞同缸壁間的摩擦，進(jìn)而促進(jìn)耐久性的有效提升，并且也無(wú)需平衡軸，降低了發(fā)動(dòng)機(jī)震動(dòng)以及噪音。此舉措在不斷的檢驗(yàn)中。

3.5 曲軸銷、活塞銷可變

此策略將銷的部位進(jìn)行改變，實(shí)現(xiàn)名義連桿長(zhǎng)度尺寸的調(diào)整，獲得可變壓縮比。荷蘭的Gomecsys將偏心環(huán)加入到連桿大頭里，如果有需要，進(jìn)行偏心環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)的控制，促使對(duì)上止點(diǎn)和下止點(diǎn)的改變，實(shí)現(xiàn)壓縮比的改變。

3.6 主軸位置可變

此舉措要將曲軸中心部位進(jìn)行調(diào)整，把上止點(diǎn)和下止點(diǎn)位置進(jìn)行調(diào)整，以此將壓縮比改變。FEV吧曲軸于偏心軸輪支撐，轉(zhuǎn)動(dòng)偏心輪以后曲軸讓活塞轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)上止點(diǎn)的改變。此模式會(huì)移動(dòng)輸出軸，應(yīng)用不便捷，因此并未得到良 好的應(yīng)用成效。

4 結(jié) 語(yǔ)

所有的內(nèi)燃機(jī)的前沿技術(shù)，主要目標(biāo)就是將熱效率提升，同時(shí)將排放進(jìn)行降低。通過(guò)研究以及不斷的改進(jìn)可變壓縮比技術(shù)是推動(dòng)各類發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行效率提升、增強(qiáng)運(yùn)行質(zhì)量水平的關(guān)鍵性策略。所以，未來(lái)應(yīng)該更加大力投入力量進(jìn)行研究分析，通過(guò)最低的能源消耗量，得到最大化的動(dòng)力，以及降低排放量，提供給現(xiàn)代生產(chǎn)更多便捷性。