發(fā)動(dòng)機(jī)可變壓縮比實(shí)現(xiàn)方式簡(jiǎn)述與一種連續(xù)可變壓縮比曲軸的設(shè)計(jì)

黃佳琦　肖合林

摘 要：當(dāng)下各國(guó)的排放與油耗法規(guī)日益嚴(yán)苛，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率提出了更高的要求，可變壓縮比技術(shù)可以根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)工況調(diào)節(jié)壓縮比，從而在不削弱動(dòng)力性的前提下提升燃油經(jīng)濟(jì)性，是當(dāng)下發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的重要發(fā)展方向。本文通過(guò)查閱大量的專(zhuān)利與論文，總結(jié)了現(xiàn)有的可變壓縮比技術(shù)，分析了各自的優(yōu)缺點(diǎn)，隨后嘗試設(shè)計(jì)了一種用于實(shí)現(xiàn)連續(xù)可變壓縮比的曲柄長(zhǎng)度可變的曲軸，該機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，成本低，希望能為相關(guān)研究人員提供一定的參考。

關(guān)鍵詞：發(fā)動(dòng)機(jī) 可變壓縮比 曲軸 熱效率

1 發(fā)動(dòng)機(jī)可變壓縮比簡(jiǎn)介

發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比指的是活塞位于下止點(diǎn)時(shí)的缸內(nèi)總?cè)莘e與燃燒室容積的比值，它表明了缸內(nèi)混合氣被壓縮的程度。汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比通常是8至12，而柴油機(jī)則是15至18[1]。以汽油機(jī)為例，根據(jù)理想熱力學(xué)定容循環(huán)的熱效率公式，壓縮比越大熱效率越高，熱效率高意味著燃油經(jīng)濟(jì)性更好，或是同樣燃油消耗下能輸出更強(qiáng)的動(dòng)力。然而，壓縮比并不能無(wú)限制地提高，因?yàn)槠陀兄^為活躍的化學(xué)性質(zhì)，壓縮比過(guò)大會(huì)導(dǎo)致缸內(nèi)溫度與壓力過(guò)大，可能使汽油提前發(fā)生不可控制的爆燃，爆燃對(duì)活塞施加了向下的作用力，抑制活塞的上行，從而產(chǎn)生爆震，嚴(yán)重的情況下會(huì)導(dǎo)致不可逆轉(zhuǎn)的機(jī)械損壞[2]。

壓縮比的選擇應(yīng)視發(fā)動(dòng)機(jī)的工況而定，在小負(fù)荷下進(jìn)氣量少，應(yīng)采用較高的壓縮比使混合氣得到充分的壓縮，在高負(fù)荷下進(jìn)氣量大且缸內(nèi)溫度較高，為了避免發(fā)動(dòng)機(jī)爆震，應(yīng)采用較小的壓縮比[3]。但是傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)受到機(jī)械結(jié)構(gòu)的限制，壓縮比無(wú)法隨工況變化，因而通常會(huì)取一個(gè)折中的值。由此可見(jiàn)，若能實(shí)現(xiàn)可變壓縮比，發(fā)動(dòng)機(jī)的性能與經(jīng)濟(jì)性將會(huì)得到可觀的提升。

近十年全球排放與油耗法規(guī)日益嚴(yán)苛，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的效率與經(jīng)濟(jì)性提出了越來(lái)越高的要求，越來(lái)越多的企業(yè)與科研機(jī)構(gòu)開(kāi)始致力于研發(fā)先進(jìn)的可變壓縮比技術(shù)（Variable Compression Ratio，VCR）。目前，已有不少車(chē)企量產(chǎn)了可以切換米勒循環(huán)與奧托循環(huán)的雙循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)，即利用可變氣門(mén)正時(shí)技術(shù)，在壓縮沖程初段保持進(jìn)氣門(mén)開(kāi)啟，排出一部分混合氣體，從而達(dá)到節(jié)省燃油的目的，同時(shí)也相當(dāng)于改變了壓縮比[4]。但是這種技術(shù)只能單向改變壓縮比，且會(huì)削弱發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力表現(xiàn)。當(dāng)下的難點(diǎn)是如何實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比的雙向多級(jí)或無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)，在不削弱動(dòng)力性的前提下改善其經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)相關(guān)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)應(yīng)便于量產(chǎn)不能過(guò)于復(fù)雜。

2 可變壓縮比的實(shí)現(xiàn)方式

實(shí)現(xiàn)可變壓縮比的機(jī)械結(jié)構(gòu)千奇百怪，但都無(wú)外乎對(duì)氣缸、活塞、連桿或曲軸這幾個(gè)關(guān)鍵部件進(jìn)行改動(dòng)。本節(jié)通過(guò)查閱現(xiàn)有的專(zhuān)利與論文，將可變壓縮比的實(shí)現(xiàn)方式總結(jié)為倆大類(lèi)，每一類(lèi)下又包括多種不同的形式。

2.1 改變氣缸蓋或活塞的高度

升降或旋轉(zhuǎn)氣缸蓋可以直接改變?nèi)紵业娜莘e，從而改變壓縮比。這種方式中比較具有代表性的是瑞典薩博汽車(chē)于2000年發(fā)布的SVC技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)壓縮比在8至14之間變化。但這種形式需要在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中移動(dòng)氣缸蓋，缸蓋與缸體之間的密封比較困難，同時(shí)混合氣燃燒時(shí)的巨大爆發(fā)力也會(huì)對(duì)相關(guān)控制機(jī)構(gòu)形成較大的沖擊，長(zhǎng)期使用的可靠性難以保證。相對(duì)地，還可以通過(guò)升降曲軸來(lái)改變?nèi)紵胰莘e，這和升降氣缸蓋的原理相同，但這種方法會(huì)在行駛中改變輸出軸的位置，后方的變速箱等傳動(dòng)機(jī)構(gòu)難以作出對(duì)應(yīng)的匹配，因此一般不考慮。

相對(duì)上述的移動(dòng)氣缸蓋，在缸蓋部分加一個(gè)可調(diào)容積的副燃燒室更容易實(shí)施，例如在缸蓋頂部加工一個(gè)小空腔，空腔內(nèi)設(shè)置活塞，通過(guò)活塞的移動(dòng)來(lái)控制空腔的容積，由于空腔與主燃燒室之間連通，故移動(dòng)活塞就改變了燃燒室的總?cè)莘e。此方法看似合理，但在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)由于燃燒室被分為兩部分且副燃燒室需要設(shè)計(jì)成方便活塞移動(dòng)的形狀，因而難以得到合理的燃燒室?guī)缀?，容易?dǎo)致排氣不暢、傳熱損失加劇等副作用。

活塞頭部如果設(shè)計(jì)成可伸縮式即活塞銷(xiāo)至活塞頂部的高度可變，則也能直接改變?nèi)紵胰莘e，調(diào)節(jié)方式包括液壓調(diào)節(jié)與壓力自適應(yīng)調(diào)節(jié)兩種。本田于2009年發(fā)布的可變壓縮比技術(shù)正是采用了這種方案，通過(guò)液壓驅(qū)動(dòng)可調(diào)整活塞高度變化3.5 mm，壓縮比可在9.6與14.2之間變化。這種方案的缺點(diǎn)主要是大大增加了活塞的質(zhì)量，不易于實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)轉(zhuǎn)[5]。

2.2 改變連桿或曲柄的長(zhǎng)度

采用伸縮式的連桿或者曲柄可以改變活塞運(yùn)動(dòng)到上止點(diǎn)時(shí)的高度，從而改變壓縮比。有不少的相關(guān)專(zhuān)利使用了這種方案，但并沒(méi)有哪家企業(yè)制造出相關(guān)樣機(jī)。原因在于連桿和曲柄都是高速運(yùn)動(dòng)的部件，連桿來(lái)回左右擺動(dòng)而曲柄繞主軸轉(zhuǎn)動(dòng)，在這兩個(gè)部分加上復(fù)雜的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)不僅會(huì)增大質(zhì)量，還難以保證桿件的剛性和強(qiáng)度，導(dǎo)致該方案非常不利于發(fā)動(dòng)機(jī)高速或高負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)。

相比伸縮式機(jī)構(gòu)，通過(guò)偏心軸套間接調(diào)節(jié)連桿或曲柄的長(zhǎng)度在桿件強(qiáng)度上是容易保證的。偏心軸套可以添加在活塞銷(xiāo)、連桿小頭、連桿大頭、連桿軸頸或者主軸頸上。這種方案看似結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，實(shí)際實(shí)施時(shí)驅(qū)動(dòng)偏心軸套的機(jī)構(gòu)同樣較為復(fù)雜，可以參考FEV公司推出的VCR機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)在連桿小頭處設(shè)置了偏心軸套，軸套的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包含了設(shè)置在連桿體上的兩個(gè)液壓缸與相應(yīng)的推拉桿件和連接鉸鏈。

最后一種方法是采用杠桿原理在活塞與曲軸之間設(shè)計(jì)一組可調(diào)節(jié)的桿件，從而間接改變連桿或曲柄的長(zhǎng)度，這種方法實(shí)際實(shí)施的可行性較好。日產(chǎn)推出的可變壓縮比方案，應(yīng)用在VC-Turbo系列發(fā)動(dòng)機(jī)上，已率先搭載在英菲尼迪QX50上實(shí)現(xiàn)了量產(chǎn)，這也使其成為了第一家將無(wú)級(jí)可變壓縮比技術(shù)大規(guī)模量產(chǎn)裝車(chē)的企業(yè)。該機(jī)構(gòu)在曲軸與連桿之間添加了一個(gè)特制的三角連桿，該部件嵌套在連桿軸頸上，一端與連桿小頭相連，一端與控制機(jī)構(gòu)相連，可以實(shí)現(xiàn)壓縮比從8至14的無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)，同時(shí)通過(guò)改變了連桿的運(yùn)動(dòng)軌跡，還降低了活塞所受的側(cè)向力。法國(guó)MCE-5公司推出的VCRi技術(shù)也是杠桿原理改變壓縮比的典型案例[6-7]。該技術(shù)將活塞與連桿制成一體，連桿與曲軸之間有一個(gè)異形杠桿，杠桿中間通過(guò)桿件與曲軸相連，杠桿兩側(cè)設(shè)置有齒條，分別與連桿和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)上的齒槽嚙合。該方案可實(shí)現(xiàn)壓縮比在7至20之間變化，同時(shí)消除了活塞與氣缸壁之間的擠壓作用力，但這種機(jī)構(gòu)大大增大了缸體的體積，也削弱了發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力輸出，因而并未大規(guī)模量產(chǎn)裝車(chē)。91A7606E-3692-442D-AA1F-1FBAECFA7D1B

3 一種用于實(shí)現(xiàn)連續(xù)可變壓縮比的曲軸

本節(jié)我們將設(shè)計(jì)一種新型的曲柄長(zhǎng)度可無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)的曲軸，用于實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)連續(xù)可變壓縮比，從而在各種不同工況下獲得最佳的壓縮比，達(dá)到提升發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率降低油耗與排放的目的，希望可以為相關(guān)研究人員提供一定的參考。

3.1 結(jié)構(gòu)組成

本文設(shè)計(jì)的連續(xù)可變壓縮比機(jī)構(gòu)本質(zhì)上是為了實(shí)現(xiàn)連桿軸頸的上下位移，從而改變曲柄的長(zhǎng)度。如圖1所示，該機(jī)構(gòu)由曲柄外殼、齒條、連桿軸頸蝸輪、蝸桿、蝸桿驅(qū)動(dòng)電機(jī)以及平衡重六大部分組成，相比傳統(tǒng)的一體式曲軸，該機(jī)構(gòu)將曲柄與平衡重分離開(kāi)來(lái)，齒條、連桿軸頸蝸輪與蝸桿一起組成了調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，并設(shè)置在曲柄內(nèi)部。曲柄外殼與平衡重通過(guò)螺栓連接，曲柄外殼兩側(cè)的螺栓孔加工有凸臺(tái)與平衡重上的凹槽相配合實(shí)現(xiàn)定位。平衡重頂面與曲柄外殼內(nèi)側(cè)均設(shè)置有固定齒條與蝸桿的定位孔，齒條通過(guò)一個(gè)定位單鍵實(shí)現(xiàn)周向定位，避免傳動(dòng)過(guò)程中發(fā)生自身旋轉(zhuǎn)。蝸輪加工在連桿軸頸兩端，且兩側(cè)分別與齒條和蝸桿嚙合傳動(dòng)。平衡重上設(shè)置有安放蝸桿驅(qū)動(dòng)電機(jī)的槽，電機(jī)輸出端與蝸桿無(wú)螺紋的一側(cè)機(jī)械連接。平衡重頂面和曲柄外殼內(nèi)側(cè)均加工有弧形槽實(shí)現(xiàn)蝸輪上下運(yùn)動(dòng)的限位。曲柄外殼內(nèi)側(cè)設(shè)置有導(dǎo)向槽與蝸輪兩側(cè)的凸臺(tái)配合對(duì)蝸輪的運(yùn)動(dòng)起到導(dǎo)向作用，同時(shí)減輕了齒條與蝸桿所受的沖擊力?？梢园l(fā)現(xiàn)，整套調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)均設(shè)置在曲柄外殼內(nèi)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，不會(huì)增大發(fā)動(dòng)機(jī)的體積，也不需要改動(dòng)除曲軸外的其他部件，從而降低了設(shè)計(jì)成本。

3.2 工作原理

上述連續(xù)可變壓縮比機(jī)構(gòu)的工作原理是由電機(jī)驅(qū)動(dòng)蝸桿轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)蝸輪沿齒條上下移動(dòng)，由于蝸輪蝸桿反向傳動(dòng)的自鎖特性，可以有效防止整套機(jī)構(gòu)在連桿力的作用下發(fā)生運(yùn)動(dòng)。蝸輪加工在連桿軸頸兩端，兩側(cè)電機(jī)同步驅(qū)動(dòng)即可使連桿軸頸沿曲軸徑向移動(dòng)，改變了曲柄的長(zhǎng)度，進(jìn)而改變了活塞位于下止點(diǎn)時(shí)的氣缸總?cè)莘e以及活塞位于上止點(diǎn)時(shí)的燃燒室容積，壓縮比也隨之變化，壓縮比的變化范圍由蝸輪上下運(yùn)動(dòng)的距離決定。如圖2所示，左側(cè)為蝸輪運(yùn)動(dòng)到最下端時(shí)的狀態(tài)，此時(shí)活塞處于下止點(diǎn)時(shí)的缸內(nèi)總?cè)莘e最小，燃燒室容積最大，壓縮比取到最小值，右側(cè)為蝸輪運(yùn)動(dòng)到最上端時(shí)的狀態(tài)，此時(shí)氣缸總?cè)莘e最大，燃燒室容積最小，壓縮比取到最大值，壓縮比可在最小值與最大值之間無(wú)級(jí)變化，從而適應(yīng)各種不同的發(fā)動(dòng)機(jī)工況，提高了熱效率，充分發(fā)揮了發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性與經(jīng)濟(jì)性。各驅(qū)動(dòng)電機(jī)應(yīng)以串聯(lián)形式接入電路，保證其中一個(gè)電機(jī)故障時(shí)其他電機(jī)都能及時(shí)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，避免出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)干涉或異常的振動(dòng)。

4 結(jié)論

本文總結(jié)了現(xiàn)有的發(fā)動(dòng)機(jī)可變壓縮比技術(shù)，在此基礎(chǔ)上嘗試設(shè)計(jì)了一種全新的連續(xù)可變壓縮比機(jī)構(gòu)，詳細(xì)介紹了該機(jī)構(gòu)的組成結(jié)構(gòu)與工作原理，得到的主要結(jié)論如下：

（1）現(xiàn)有的可變壓縮比技術(shù)可概括為兩大類(lèi)：改變氣缸蓋或活塞的高度以及改變連桿或曲柄的長(zhǎng)度。前者的具體實(shí)現(xiàn)方式包含了升降或旋轉(zhuǎn)氣缸蓋、升降曲軸、可調(diào)容積的副燃燒室和伸縮式活塞;后者包含了伸縮式連桿或曲柄、偏心軸套以及利用杠桿原理的多連桿機(jī)構(gòu)。

（2）設(shè)計(jì)了一種曲柄長(zhǎng)度可變的曲軸，可以在較大范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比的無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)，從而適應(yīng)各種不同的工況。該曲軸的壓縮比調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)設(shè)置在曲柄內(nèi)部，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，工作可靠，不會(huì)增大發(fā)動(dòng)機(jī)的體積，也不需要改動(dòng)除曲軸外的其他部件，降低了設(shè)計(jì)成本。

本文得到了中國(guó)國(guó)家自然科學(xué)基金會(huì)No.21377101的資金支持。

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