发动机可变压缩比实现方式简述与一种连续可变压缩比曲轴的设计

2022-04-18黄佳琦肖合林

时代汽车 2022年8期

黄佳琦　肖合林

摘要：当下各国的排放与油耗法规日益严苛，对发动机的热效率提出了更高的要求，可变压缩比技术可以根据发动机工况调节压缩比，从而在不削弱动力性的前提下提升燃油经济性，是当下发动机技术的重要发展方向。本文通过查阅大量的专利与论文，总结了现有的可变压缩比技术，分析了各自的优缺点，随后尝试设计了一种用于实现连续可变压缩比的曲柄长度可变的曲轴，该机构简单紧凑，成本低，希望能为相关研究人员提供一定的参考。

关键词：发动机可变压缩比曲轴热效率

1 发动机可变压缩比简介

发动机的压缩比指的是活塞位于下止点时的缸内总容积与燃烧室容积的比值，它表明了缸内混合气被压缩的程度。汽油发动机的压缩比通常是8至12，而柴油机则是15至18[1]。以汽油机为例，根据理想热力学定容循环的热效率公式，压缩比越大热效率越高，热效率高意味着燃油经济性更好，或是同样燃油消耗下能输出更强的动力。然而，压缩比并不能无限制地提高，因为汽油有着较为活跃的化学性质，压缩比过大会导致缸内温度与压力过大，可能使汽油提前发生不可控制的爆燃，爆燃对活塞施加了向下的作用力，抑制活塞的上行，从而产生爆震，严重的情况下会导致不可逆转的机械损坏[2]。

压缩比的选择应视发动机的工况而定，在小负荷下进气量少，应采用较高的压缩比使混合气得到充分的压缩，在高负荷下进气量大且缸内温度较高，为了避免发动机爆震，应采用较小的压缩比[3]。但是传统的内燃机受到机械结构的限制，压缩比无法随工况变化，因而通常会取一个折中的值。由此可见，若能实现可变压缩比，发动机的性能与经济性将会得到可观的提升。

近十年全球排放与油耗法规日益严苛，对发动机的效率与经济性提出了越来越高的要求，越来越多的企业与科研机构开始致力于研发先进的可变压缩比技术（Variable Compression Ratio，VCR）。目前，已有不少车企量产了可以切换米勒循环与奥托循环的双循环发动机，即利用可变气门正时技术，在压缩冲程初段保持进气门开启，排出一部分混合气体，从而达到节省燃油的目的，同时也相当于改变了压缩比[4]。但是这种技术只能单向改变压缩比，且会削弱发动机的动力表现。当下的难点是如何实现发动机压缩比的双向多级或无级调节，在不削弱动力性的前提下改善其经济性，同时相关调节机构应便于量产不能过于复杂。

2 可变压缩比的实现方式

实现可变压缩比的机械结构千奇百怪，但都无外乎对气缸、活塞、连杆或曲轴这几个关键部件进行改动。本节通过查阅现有的专利与论文，将可变压缩比的实现方式总结为俩大类，每一类下又包括多种不同的形式。

2.1 改变气缸盖或活塞的高度

升降或旋转气缸盖可以直接改变燃烧室的容积，从而改变压缩比。这种方式中比较具有代表性的是瑞典萨博汽车于2000年发布的SVC技术，可以实现压缩比在8至14之间变化。但这种形式需要在发动机运转过程中移动气缸盖，缸盖与缸体之间的密封比较困难，同时混合气燃烧时的巨大爆发力也会对相关控制机构形成较大的冲击，长期使用的可靠性难以保证。相对地，还可以通过升降曲轴来改变燃烧室容积，这和升降气缸盖的原理相同，但这种方法会在行驶中改变输出轴的位置，后方的变速箱等传动机构难以作出对应的匹配，因此一般不考虑。

相对上述的移动气缸盖，在缸盖部分加一个可调容积的副燃烧室更容易实施，例如在缸盖顶部加工一个小空腔，空腔内设置活塞，通过活塞的移动来控制空腔的容积，由于空腔与主燃烧室之间连通，故移动活塞就改变了燃烧室的总容积。此方法看似合理，但在实际设计时由于燃烧室被分为两部分且副燃烧室需要设计成方便活塞移动的形状，因而难以得到合理的燃烧室几何，容易导致排气不畅、传热损失加剧等副作用。

活塞头部如果设计成可伸缩式即活塞销至活塞顶部的高度可变，则也能直接改变燃烧室容积，调节方式包括液压调节与压力自适应调节两种。本田于2009年发布的可变压缩比技术正是采用了这种方案，通过液压驱动可调整活塞高度变化3.5 mm，压缩比可在9.6与14.2之间变化。这种方案的缺点主要是大大增加了活塞的质量，不易于实现高速运转[5]。

2.2 改变连杆或曲柄的长度

采用伸缩式的连杆或者曲柄可以改变活塞运动到上止点时的高度，从而改变压缩比。有不少的相关专利使用了这种方案，但并没有哪家企业制造出相关样机。原因在于连杆和曲柄都是高速运动的部件，连杆来回左右摆动而曲柄绕主轴转动，在这两个部分加上复杂的调节机构不仅会增大质量，还难以保证杆件的刚性和强度，导致该方案非常不利于发动机高速或高负荷运转。

相比伸缩式机构，通过偏心轴套间接调节连杆或曲柄的长度在杆件强度上是容易保证的。偏心轴套可以添加在活塞销、连杆小头、连杆大头、连杆轴颈或者主轴颈上。这种方案看似结构简单紧凑，实际实施时驱动偏心轴套的机构同样较为复杂，可以参考FEV公司推出的VCR机构。该机构在连杆小头处设置了偏心轴套，轴套的驱动机构包含了设置在连杆体上的两个液压缸与相应的推拉杆件和连接鉸链。

最后一种方法是采用杠杆原理在活塞与曲轴之间设计一组可调节的杆件，从而间接改变连杆或曲柄的长度，这种方法实际实施的可行性较好。日产推出的可变压缩比方案，应用在VC-Turbo系列发动机上，已率先搭载在英菲尼迪QX50上实现了量产，这也使其成为了第一家将无级可变压缩比技术大规模量产装车的企业。该机构在曲轴与连杆之间添加了一个特制的三角连杆，该部件嵌套在连杆轴颈上，一端与连杆小头相连，一端与控制机构相连，可以实现压缩比从8至14的无级调节，同时通过改变了连杆的运动轨迹，还降低了活塞所受的侧向力。法国MCE-5公司推出的VCRi技术也是杠杆原理改变压缩比的典型案例[6-7]。该技术将活塞与连杆制成一体，连杆与曲轴之间有一个异形杠杆，杠杆中间通过杆件与曲轴相连，杠杆两侧设置有齿条，分别与连杆和驱动机构上的齿槽啮合。该方案可实现压缩比在7至20之间变化，同时消除了活塞与气缸壁之间的挤压作用力，但这种机构大大增大了缸体的体积，也削弱了发动机的动力输出，因而并未大规模量产装车。91A7606E-3692-442D-AA1F-1FBAECFA7D1B

3 一种用于实现连续可变压缩比的曲轴

本节我们将设计一种新型的曲柄长度可无级调节的曲轴，用于实现发动机连续可变压缩比，从而在各种不同工况下获得最佳的压缩比，达到提升发动机热效率降低油耗与排放的目的，希望可以为相关研究人员提供一定的参考。

3.1 结构组成

本文设计的连续可变压缩比机构本质上是为了实现连杆轴颈的上下位移，从而改变曲柄的长度。如图1所示，该机构由曲柄外壳、齿条、连杆轴颈蜗轮、蜗杆、蜗杆驱动电机以及平衡重六大部分组成，相比传统的一体式曲轴，该机构将曲柄与平衡重分离开来，齿条、连杆轴颈蜗轮与蜗杆一起组成了调节机构，并设置在曲柄内部。曲柄外壳与平衡重通过螺栓连接，曲柄外壳两侧的螺栓孔加工有凸台与平衡重上的凹槽相配合实现定位。平衡重顶面与曲柄外壳内侧均设置有固定齿条与蜗杆的定位孔，齿条通过一个定位单键实现周向定位，避免传动过程中发生自身旋转。蜗轮加工在连杆轴颈两端，且两侧分别与齿条和蜗杆啮合传动。平衡重上设置有安放蜗杆驱动电机的槽，电机输出端与蜗杆无螺纹的一侧机械连接。平衡重顶面和曲柄外壳内侧均加工有弧形槽实现蜗轮上下运动的限位。曲柄外壳内侧设置有导向槽与蜗轮两侧的凸台配合对蜗轮的运动起到导向作用，同时减轻了齿条与蜗杆所受的冲击力。可以发现，整套调节机构均设置在曲柄外壳内，结构简单紧凑，不会增大发动机的体积，也不需要改动除曲轴外的其他部件，从而降低了设计成本。

3.2 工作原理

上述连续可变压缩比机构的工作原理是由电机驱动蜗杆转动，进而带动蜗轮沿齿条上下移动，由于蜗轮蜗杆反向传动的自锁特性，可以有效防止整套机构在连杆力的作用下发生运动。蜗轮加工在连杆轴颈两端，两侧电机同步驱动即可使连杆轴颈沿曲轴径向移动，改变了曲柄的长度，进而改变了活塞位于下止点时的气缸总容积以及活塞位于上止点时的燃烧室容积，压缩比也随之变化，压缩比的变化范围由蜗轮上下运动的距离决定。如图2所示，左侧为蜗轮运动到最下端时的状态，此时活塞处于下止点时的缸内总容积最小，燃烧室容积最大，压缩比取到最小值，右侧为蜗轮运动到最上端时的状态，此时气缸总容积最大，燃烧室容积最小，压缩比取到最大值，压缩比可在最小值与最大值之间无级变化，从而适应各种不同的发动机工况，提高了热效率，充分发挥了发动机的动力性与经济性。各驱动电机应以串联形式接入电路，保证其中一个电机故障时其他电机都能及时停止运转，避免出现运动干涉或异常的振动。

4 结论

本文总结了现有的发动机可变压缩比技术，在此基础上尝试设计了一种全新的连续可变压缩比机构，详细介绍了该机构的组成结构与工作原理，得到的主要结论如下：

（1）现有的可变压缩比技术可概括为两大类：改变气缸盖或活塞的高度以及改变连杆或曲柄的长度。前者的具体实现方式包含了升降或旋转气缸盖、升降曲轴、可调容积的副燃烧室和伸缩式活塞;后者包含了伸缩式连杆或曲柄、偏心轴套以及利用杠杆原理的多连杆机构。

（2）设计了一种曲柄长度可变的曲轴，可以在较大范围内实现发动机压缩比的无级调节，从而适应各种不同的工况。该曲轴的压缩比调节机构设置在曲柄内部，结构简单紧凑，工作可靠，不会增大发动机的体积，也不需要改动除曲轴外的其他部件，降低了设计成本。

本文得到了中国国家自然科学基金会No.21377101的资金支持。

参考文献：

[1]胡晓峰. 汽油机可变压缩比技术研究现状分析[J]. 内燃机与配件，2019，3（12）：26～27.

[2]武政杰，邱鹏旭，等. 综述可变压缩比在发动机节能技术上的主要应用 [J]. 小型内燃机与车輛技术，2021，50（6）：86～89.

[3]李玉柱. 探析汽油机可变压缩比技术研究现状 [J]. 时代农机，2020，47（4）：94～97.

[4]牛钊文，周斌，等. 可变压缩比技术的研究与展望 [J]. 内燃机，2010，8（4）：44～49.

[5]崔彪，常思勤，等. 发动机可变压缩比技术的探讨 [J]. 内燃机，2011，8（4）：39～42.

[6]夏南龙. 内燃机可变压缩比技术研究现状 [J]. 内燃机与配件，2018，4（20）：40～42.