發(fā)動機可變壓縮比技術(shù)(VCR)綜述

1、發(fā)動機可變壓縮比技術(shù)（VCR）壓縮比發(fā)動機壓縮比屬于結(jié)構(gòu)參數(shù)，可以表征發(fā)動機混合氣被壓縮的程度，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）之比來表示。 活塞處于下止點時氣缸有最大容積，用Va表示；活塞處于上止點時氣缸內(nèi)的容積稱為燃燒室容積，用Vc表示。內(nèi)燃機的壓縮比為=Va/Vc或者 =1+Vh/Vc Vh表示氣缸行程容積壓縮比作為發(fā)動機重要的結(jié)構(gòu)參數(shù)，一定程度上可以反映發(fā)動機的性能。一般汽油機的壓縮比為912，柴油機的壓縮比為1222。 壓縮比對內(nèi)燃機性能有多方面的影響。壓縮比越高，熱效率越高，但隨壓縮比的增高，熱效率增長幅度越來越小。壓縮比增高使壓縮壓力、最高燃燒壓力均升高，故

2、使內(nèi)燃機機械效率下降。汽油機壓縮比過高容易產(chǎn)生爆震。柴油機壓縮比過低會使壓縮終點溫度變低，影響冷起動性能。 由于壓縮比是結(jié)構(gòu)參數(shù)，傳統(tǒng)意義上壓縮比是固定不變的，然而隨著發(fā)動機強化程度的不斷提高，以及在發(fā)動機性能及燃油消耗率等方面提出的更高的要求，固定不變的壓縮比已經(jīng)不能完全滿足現(xiàn)代發(fā)動機的需要，因此上出現(xiàn)了可變壓縮比發(fā)動機。 可變壓縮比技術(shù)的意義發(fā)動機的可變氣門正時、可變氣門行程和可變進(jìn)氣歧管等技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用，許多車型都已經(jīng)大量的采用了這些“可變”技術(shù)。但是發(fā)動機還有一項“可變”的技術(shù)，卻是目前量產(chǎn)車?yán)锩媸趾币姷?，這種發(fā)動機可變壓縮比技術(shù)可謂是發(fā)動機控制在“可變”方面的一場革命。壓縮比決

3、定了汽油機壓縮混合氣的壓力，汽油的燃燒特性導(dǎo)致了汽油發(fā)動機的混合氣壓力不能太高。如果氣缸內(nèi)的壓力超過了臨界值，汽油就會因為壓縮而在點火之前被點燃，產(chǎn)生爆震，會對發(fā)動機帶來很大的傷害。對于現(xiàn)在廣泛應(yīng)用的增壓發(fā)動機，當(dāng)渦輪增壓介入以后，燃燒室的溫度和壓力會大幅度升高，如果這個值過高，爆震就不可避免。這會對發(fā)動機造出巨大傷害，同時也會影響動力輸出。所以，固定壓縮比的渦輪增壓和機械增壓發(fā)動機只能把壓縮比設(shè)計得比普通自然吸氣發(fā)動機低一些。但是這種過低的壓縮比設(shè)計，又會導(dǎo)致發(fā)動機在增壓器（特別是渦輪增壓）沒有完全介入時（也就是說，發(fā)動機在低轉(zhuǎn)速時），燃燒效率非常低，能產(chǎn)生的動力要比普通自然吸氣發(fā)動機所產(chǎn)生

4、的動力要少的多。這個矛盾是促使設(shè)計師開發(fā)可變壓縮比發(fā)動機的重要原因。另外，這種技術(shù)可以讓發(fā)動機在燃油適應(yīng)性方面擁有巨大的優(yōu)勢?，F(xiàn)在新款的主流發(fā)動機的壓縮比普遍設(shè)計在10:1以上，以獲得更好的動力輸出和燃油經(jīng)濟性。但是高壓縮比的發(fā)動機需要使用較高標(biāo)號的燃油，這種要求會降低汽車在偏遠(yuǎn)地方的適應(yīng)性，影響到車輛的銷售。VCR（Variable Compression Ratio）技術(shù)的優(yōu)勢VCR技術(shù)對于發(fā)動機最大的改善在于提高了低負(fù)荷的燃油經(jīng)濟性，除此之外，還有如下優(yōu)點：1. 改善了內(nèi)燃機的燃燒性能 2. VCR技術(shù)降低了對燃料的要求 3. 有利于改善冷啟動性能 4. 改善了增壓發(fā)動機的低負(fù)荷性能 V

5、CR技術(shù)原理及發(fā)展現(xiàn)狀由壓縮比的定義可知，要想改變發(fā)動機的壓縮比，就必須考慮改變發(fā)動機工作容積或燃燒室容積。發(fā)動機的燃燒室由氣缸蓋、氣缸和活塞頂三部分組成，目前出現(xiàn)的可變壓縮比設(shè)計都是圍繞這三個部分實現(xiàn)的。通常采用的方式分為以下三種：1. 通過改變氣缸蓋的結(jié)構(gòu)來實現(xiàn) 2. 通過改變氣缸缸體結(jié)構(gòu)來實現(xiàn) 3. 通過改變活塞及曲柄連桿機構(gòu)來實現(xiàn)具體方案如下： 方案一是氣缸蓋活動方式 方案二是偏心移位方式 方案三是多連桿方式 方案四是可變活塞高度方式方案一 氣缸蓋活動方式，代表是薩博的SVC （Saab Variable Compression ）發(fā)動機薩博的SVC（Saab Variable Com

6、pression）可變壓縮比發(fā)動機，氣缸蓋和氣缸體是動態(tài)連接在一起的，氣缸蓋與氣缸體通過一組搖臂連接，搖臂能在ECU的控制下改變一定的角度，從而改變了燃燒室的體積，壓縮比也同樣被改變了。 由于比普通發(fā)動機多出了一套搖臂裝置，所以它比普通發(fā)動機多需要一套冷卻系統(tǒng)，它通過氣缸蓋和氣缸套周圍的冷卻水散熱。由于氣缸蓋和氣缸體會發(fā)生移位，在氣缸蓋和氣缸體之間設(shè)計了一組橡膠套，起到密封作用 ，不會有機油噴出。 這套可變壓縮比系統(tǒng)允許薩博發(fā)動機可以采用更高的增壓壓力2.8bar。 SVC能根據(jù)發(fā)動機的轉(zhuǎn)速、負(fù)荷、工作溫度、燃料使用狀況等進(jìn)行連續(xù)調(diào)節(jié)壓縮比，這一切都在ECU的控制下進(jìn)行，所以動力和油耗能達(dá)到完

7、美的平衡。搖 臂由上圖可以看到，SVC發(fā)動機上部有一個活動的集成缸蓋，我們稱為為monohead。SVC發(fā)動機，可分成上方的汽缸頂蓋與活塞、氣門總成為第一部分；而下方曲軸箱則為第二部分。下方的曲軸箱保持固定不動，上方的汽缸與活塞部份，會以曲軸為中心，藉由液壓促動器的推動，偏轉(zhuǎn)些微的角度，因此汽缸內(nèi)燃燒室的空間就會改變，燃燒室的體積改變了，自然壓縮比也會跟著改變。那么再加上機械增壓器，就可以控制在增壓的時候?qū)嚎s比降低，用高轉(zhuǎn)時的增壓效果提高發(fā)動機的輸出功率；而在自然進(jìn)氣的時候，壓縮比提高，讓發(fā)動機在低轉(zhuǎn)速的時候，可以有效率地燃燒。因此小排量的發(fā)動機，也能有大扭矩、大功率的輸出。SVC發(fā)動機的上

8、方汽缸總成部分，是可以繞著曲軸中心而偏轉(zhuǎn)的，它的斜率可以輕微進(jìn)行調(diào)節(jié)（升高達(dá)4度），缸體與缸蓋間安裝楔型滑塊，缸體通過Hydraulic Actuat液壓促動器，連接在汽缸頭上，利用液壓推動旋轉(zhuǎn)，而讓汽缸頭產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)，達(dá)到連續(xù)改變壓縮比的效果。 SVC壓縮比的變化范圍為8:1到14:1。SVC的設(shè)計比以往任何的可變壓縮系統(tǒng)比都要聰明，它在至為重要的燃燒室部分，沒有額外添加移動部件或任何往復(fù)運動的組件，這使得它的結(jié)構(gòu)簡單，堅固耐用，不會因為增添了其他部件而產(chǎn)生泄漏。 小 結(jié)日內(nèi)瓦車展上展出的這款SVC發(fā)動機已經(jīng)是第三代設(shè)計了，它是一臺直列5缸每缸4氣閥的發(fā)動機，排量為1598cc，但是其

9、工作效率非常顯著，它的壓縮比能在8：1和14：1之間連續(xù)調(diào)節(jié)，它能產(chǎn)生225匹的最大功率和 304牛米的最大扭力，動力與本田的3.2升V6發(fā)動機相似，而油耗卻非常低比普通相同功率發(fā)動機能減少超過30%的燃油消耗。這款SVC發(fā)動機升功率能達(dá)到150匹每升，這個指標(biāo)是目前轎車發(fā)動機上最高的。同時廢氣排放能達(dá)到歐四標(biāo)準(zhǔn)。這款發(fā)動機另外一個非常重要的優(yōu)點， 發(fā)動機的ECU能通過傳感器傳出的信息來判斷汽油的標(biāo)號，并選擇最適合的壓縮比。這樣，它就能適應(yīng)不同標(biāo)號的汽油，特別是低標(biāo)號的汽油。 但是，可能是由于其復(fù)雜性和可靠性問題，SVC并沒有正式量產(chǎn)。 方案二偏心移位方式，具體可分為活塞銷偏心移位方式、曲柄銷

10、偏心移位方式和曲軸偏心移位方式。如圖所示：典型代表 一種是德國FEV公司的VCR發(fā)動機，借助于曲軸的偏心移位從結(jié)構(gòu)上解決了可變壓縮比的問題 另外一種利用連桿軸頸套方案實現(xiàn)VCR技術(shù)的機構(gòu)FEV公司的VCR發(fā)動機 該發(fā)動機的曲軸支承在一個偏心輪上，通過使偏心輪轉(zhuǎn)過一個角度，改變曲軸在豎直方向上的位置，因而活塞上、下止點的位置也相應(yīng)改變，從而實現(xiàn)連續(xù)地調(diào)節(jié)壓縮比。 這項技術(shù)的核心是曲軸的偏心支承，曲軸支承在偏心器中，并且偏心器支承曲軸的孔的中心線與它的旋轉(zhuǎn)中心線不重合，兩者之間的距離稱為偏心度。如圖一臺標(biāo)定功率為200A的永磁激勵無刷同步電機通過偏心器上的扇形齒輪帶動偏心器轉(zhuǎn)動，曲柄中心線相對于氣

11、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。VCR發(fā)動機的壓縮比可以在8到16之間進(jìn)行調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)時間在減小壓縮比時為0.1s，提高壓縮比時為0.3s。 利用連桿軸頸套方案實現(xiàn)VCR技術(shù)的機構(gòu) 通過曲軸主軸頸，驅(qū)動運動可以平穩(wěn)的從曲軸前段傳遞至第一連桿軸頸上的偏心套，并傳遞到第二、第三、第四氣缸內(nèi)的偏心套上，即可完成對發(fā)動機壓縮比的改變?？傮w結(jié)構(gòu)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)行電機的扭矩需求不大。該VCR機構(gòu)主體被安裝在發(fā)動機的曲軸上，曲軸主軸頸內(nèi)均開設(shè)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。蝸桿與電機同軸連接在一起

12、，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(yīng)的傳動軸齒輪相嚙合。當(dāng)執(zhí)行電機旋轉(zhuǎn)時，驅(qū)動蝸輪蝸桿進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，進(jìn)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。方

13、案三多連桿方式典型代表 日產(chǎn)公司的多連桿系統(tǒng)VCR發(fā)動機 法國MCE公司的MCE-5可變壓縮比發(fā)動機日產(chǎn)公司的多連桿系統(tǒng)VCR發(fā)動機 該發(fā)動機采用的是多連桿方式，這種機構(gòu)采用在曲柄銷轉(zhuǎn)動部位擺動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)動時，控制軸連桿使曲柄銷回轉(zhuǎn)而使杠桿擺動，活塞的上止點的位置作上下移動?；钊纳现裹c位置上下移動，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。 該機構(gòu)有兩個優(yōu)點： 1. 活塞的往復(fù)運動幾乎接近正弦曲線 2. 顯著降低了活塞的敲缸聲，使直列四缸發(fā)動機的慣性二次震

14、動接近于零，使由于增加連桿而導(dǎo)致的摩擦增加被近似抵消。 研究表明，該發(fā)動機的動力性和經(jīng)濟性都可提高10%左右。法國MCE-5可變壓縮比發(fā)動機MCE-5表示，可變壓縮比發(fā)動機(Variable Compression Ratio，VCR)是一項重大的技術(shù)發(fā)展，可以滿足汽車業(yè)有關(guān)環(huán)境和能源方面的一些主要的關(guān)鍵要求。它能讓汽車制造商生產(chǎn)出功率強大但燃料消耗經(jīng)濟的汽車，從而把燃料油消耗降低了30%，進(jìn)一步滿足歐洲和全球減少溫室效應(yīng)氣體排放的目標(biāo)。 采用該公司稱為“滾子導(dǎo)向活塞（如圖）”即下部由特殊形狀的轉(zhuǎn)軸進(jìn)行剛性連接的活塞。齒輪上有螺紋的轉(zhuǎn)軸部分的運動通過位于汽缸壁之間的滾子與反向一側(cè)的擺桿進(jìn)行控制

15、。位于機構(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)行器運動的控制齒桿連接。這種擺桿與齒桿連接，起到活塞的運動被傳遞到曲軸的作用。發(fā)動機組采用了長壽命的齒輪和滾珠軸承系統(tǒng)導(dǎo)向的活塞，因此活塞不會產(chǎn)生垂直拍擊和徑向負(fù)荷，使MCE-5保證發(fā)動機的堅固耐用和可靠性，并保證汽車的里程數(shù)。這表示MCE-5發(fā)動機又克服了大功率、大力矩發(fā)動機的缺點，大幅提高了其使用壽命。從整個機構(gòu)的運動來看，如果液壓執(zhí)行器使控制齒桿向上運動，則在擺桿的作用下活塞向下運動（反之亦然）。 由此在活塞的行程不改變的情況下，使上下止點的燃燒室容積發(fā)生變化。就是說，采用液壓控制的控制齒桿，使擺桿做空間移動，即利用幾何學(xué)的空間位移變化，在適應(yīng)發(fā)動機負(fù)荷變化情況的同時，使壓縮比改變。方案四可變活塞高度方式戴勒姆.奔馳公司提出的利用液壓油泵的原理改變上活塞的位置的方案，就是可變活塞高度設(shè)計，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