全工況熱效率提升 可變壓縮比技術(shù)解析

　　壓縮比是發(fā)動(dòng)機(jī)的一個(gè)幾何參數(shù)，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（注：本文僅討論活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比，轉(zhuǎn)子或其他形式的發(fā)動(dòng)機(jī)不在本文討論范圍）。

● 現(xiàn)在的量產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)如何實(shí)現(xiàn)壓縮比的改變？

　　在可變氣門(mén)正時(shí)系統(tǒng)普及之前，工程師只能通過(guò)改變發(fā)動(dòng)機(jī)的幾何結(jié)構(gòu)。最為常見(jiàn)的做法就是改變連桿長(zhǎng)度或者改變活塞頂形狀來(lái)達(dá)到改變壓縮比的目的。

　　然而，通過(guò)可變氣門(mén)正時(shí)機(jī)構(gòu)延遲關(guān)閉進(jìn)氣門(mén)這種方法只能單方向?qū)崿F(xiàn)壓縮比的縮小。而且由于延遲關(guān)閉進(jìn)氣門(mén)，氣缸吸入氣體的量減小了，相當(dāng)于縮小了發(fā)動(dòng)機(jī)的排量，削弱了發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力輸出。對(duì)于主要應(yīng)用于中低負(fù)荷工況的米勒循環(huán)或者有電機(jī)輔助的混合動(dòng)力系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，排量的縮小可以節(jié)省油耗，有一定的益處。但對(duì)于追求高性能的發(fā)動(dòng)機(jī)而言，改變壓縮比導(dǎo)致排量縮小導(dǎo)致性能下降是無(wú)法讓客戶接受的。所以，能夠動(dòng)態(tài)改變發(fā)動(dòng)機(jī)幾何結(jié)構(gòu)的可變壓縮比技術(shù)便有應(yīng)運(yùn)而生了。

● 為什么要根據(jù)不同工況改變發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比？

　　可變壓縮比技術(shù)發(fā)動(dòng)機(jī)的開(kāi)發(fā)初衷是為了提高增壓發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性的。對(duì)于渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)而言，在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速較低時(shí)，廢氣流量和脈沖強(qiáng)度無(wú)法有效地推動(dòng)渦輪提速，導(dǎo)致增壓壓力偏低，使得發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩輸出和燃油經(jīng)濟(jì)性未如理想。

　　此外，利用爆震傳感器偵測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)爆震狀態(tài)，提高或降低發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比，能夠輕易實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)不同標(biāo)號(hào)汽油的自適應(yīng)。

● 各廠商是怎樣改變發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比的？

■ 薩博SVC可變壓縮比技術(shù)

　　在上世紀(jì)80年代末，薩博開(kāi)始研發(fā)可變壓縮比技術(shù)，并在1990年取得相關(guān)的專(zhuān)利。薩博把其研發(fā)的可變壓縮比技術(shù)稱(chēng)之為“Saab Variable Compression”，簡(jiǎn)稱(chēng)“SVC”。

　　為理解薩博SVC發(fā)動(dòng)機(jī)的工作原理，我們可以把SVC發(fā)動(dòng)機(jī)分為兩部分，其中一部分為缸蓋和缸筒，另一部分為曲軸、活塞、連桿等部件，兩部分通過(guò)橡膠密封件連接，可以一定程度上實(shí)現(xiàn)相對(duì)運(yùn)動(dòng)。

　　為實(shí)現(xiàn)缸筒的有限度運(yùn)動(dòng)，必須為缸筒設(shè)計(jì)一套獨(dú)立的冷卻系統(tǒng)，這就導(dǎo)致系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜起來(lái)。此外，薩博SVC發(fā)動(dòng)機(jī)相互運(yùn)動(dòng)的兩部分采用橡膠密封件連接，高溫以及反復(fù)受力使密封件耐久性受到極大的考驗(yàn)。或許這也是薩博SVC發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)法實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)的原因。

■ 日產(chǎn)VCR可變壓縮比技術(shù)

　　2005年2月，日產(chǎn)發(fā)布了其可變壓縮比技術(shù)，該技術(shù)被稱(chēng)為“Variable Compression Ratio”，簡(jiǎn)稱(chēng)“VCR”。日產(chǎn)VCR發(fā)動(dòng)機(jī)采用了曲柄銷(xiāo)杠桿來(lái)實(shí)現(xiàn)壓縮比的改變。

　　日產(chǎn)利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，讓活塞在上止點(diǎn)附近（加速）和下止點(diǎn)附近（減速）運(yùn)動(dòng)速度變化快慢一致，活塞速度變化接近正弦曲線，從而有效減少發(fā)動(dòng)機(jī)的二階振動(dòng)，提升發(fā)動(dòng)機(jī)的平順性。為降低摩擦，日產(chǎn)VCR發(fā)動(dòng)機(jī)當(dāng)活塞處于上止點(diǎn)附近時(shí)，連桿大致保持垂直狀態(tài)。這樣在做功行程初期，點(diǎn)燃混合氣產(chǎn)生的沖擊力不會(huì)使活塞產(chǎn)生較大的向氣缸壁擠壓的分力，降低活塞與氣缸之間的摩擦達(dá)44%。

■標(biāo)致雪鐵龍集團(tuán)VCRi可變壓縮比技術(shù)

　　法國(guó)標(biāo)致雪鐵龍集團(tuán)（PSA）在2009年3月的日內(nèi)瓦車(chē)展上推出一款裝載可變壓縮比發(fā)動(dòng)機(jī)的標(biāo)致407車(chē)型。該車(chē)型搭載的發(fā)動(dòng)機(jī)采用了PSA研發(fā)的VCRi可變壓縮比技術(shù)，排量為1.5L，最大功率220馬力，峰值扭矩420牛·米，壓縮比可變范圍為7：1至20：1，百公里綜合油耗為6.7L，二氧化碳排放量為每公里158g。

　　相比前面介紹的薩博SVC技術(shù)和日產(chǎn)VCR技術(shù)，法國(guó)標(biāo)致雪鐵龍集團(tuán)的VCRi技術(shù)的壓縮比可變范圍更大，但由于特殊液壓控制裝置的存在，較大地增大了缸體的體積，不利于發(fā)動(dòng)機(jī)小型化。VCRi技術(shù)的活塞和連桿是一體的，只作垂直方向運(yùn)動(dòng)，點(diǎn)燃混合氣產(chǎn)生的沖擊力不會(huì)使活塞產(chǎn)生較大的向氣缸壁擠壓的分力，降低活塞與氣缸之間的摩擦，降低發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部運(yùn)轉(zhuǎn)阻力。

全文總結(jié)：

可變壓縮比技術(shù)從幾何結(jié)構(gòu)上改變了發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比，使得在不同工況下動(dòng)態(tài)切換最合適的壓縮比成為可能，實(shí)現(xiàn)了發(fā)動(dòng)機(jī)性能和燃油經(jīng)濟(jì)性的提升。然而，通過(guò)改變發(fā)動(dòng)機(jī)幾何結(jié)構(gòu)來(lái)改變壓縮比，必然導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜度的提升，隨之而來(lái)的是可靠性下降、振動(dòng)增大等亟待解決的工程問(wèn)題。此外，由于可變壓縮比發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，未實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)，這也使得現(xiàn)在搭載該技術(shù)的發(fā)動(dòng)機(jī)制造成本偏高。目前，有不少?gòu)S商已驗(yàn)證了可變壓縮比技術(shù)的可行性，并進(jìn)行著設(shè)計(jì)上的優(yōu)化。隨著技術(shù)的成熟和性能的優(yōu)化，可變壓縮比技術(shù)有著光明的前景。