未來(lái)汽油機(jī)三劍客之一：可變壓縮比技術(shù)

在《未來(lái)汽油機(jī)三劍客——可變壓縮比技術(shù)(上篇)》中，車(chē)云菌為您介紹了保時(shí)捷欲在2017款boxster將可變壓縮比技術(shù)首度實(shí)用化的消息，如果該計(jì)劃順利付諸實(shí)施，則保時(shí)捷極有可能成為世界上首個(gè)具備可變壓縮比發(fā)動(dòng)機(jī)量產(chǎn)能力的整車(chē)制造商，并借此占據(jù)占據(jù)市場(chǎng)的主導(dǎo)。

其實(shí)，追溯往昔我們不難發(fā)現(xiàn)，曾經(jīng)為可變壓縮比技術(shù)的落地而不懈努力的整車(chē)廠(chǎng)商遠(yuǎn)不止保時(shí)捷一家，被公之于眾的樣機(jī)及實(shí)現(xiàn)方案也并不止此一種，可究竟它們?yōu)楹味枷旁跉v史的洪流之中呢?我們不妨來(lái)簡(jiǎn)要了解一下，或許能夠從中有所收獲。

熟絡(luò)此項(xiàng)技術(shù)的人想必清楚，如果將曾經(jīng)所提出過(guò)的所有可變壓縮比技術(shù)方案按實(shí)現(xiàn)方式進(jìn)行區(qū)分，大致可分為采用非傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的曲柄連桿機(jī)構(gòu)、改變曲軸與氣缸頂端間距以及改變活塞連桿長(zhǎng)度三類(lèi)，其中保時(shí)捷所采用的就是第三類(lèi)方案。(注：這里需要特別指出的是，如阿特金森循環(huán)或米勒循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)也同樣具備壓縮比可變的功效，但由于其已被特指為一種循環(huán)工況，所以人們?cè)谟懻摽勺儔嚎s比技術(shù)時(shí)通常會(huì)將其略去。)

當(dāng)然，這并不代表其它兩類(lèi)方案就完全行不通，因?yàn)樗鼈兊睦碚摽尚行砸簿?jīng)過(guò)廣泛論證，但如若非要為前人的失敗討要個(gè)說(shuō)法，那恐怕就只有四個(gè)字——太過(guò)繁冗。

復(fù)雜的結(jié)構(gòu)會(huì)滋生出諸多弊病，除了制造成本會(huì)隨之水漲船高之外，一些意想不到的問(wèn)題也會(huì)不時(shí)的冒出來(lái)令開(kāi)發(fā)者們焦頭爛額，曾經(jīng)紅極一時(shí)的薩博SVC(薩博可變壓縮比技術(shù))發(fā)動(dòng)機(jī)及日產(chǎn)VCR(日產(chǎn)可變壓縮比技術(shù))都因此栽了跟頭。

缸蓋可轉(zhuǎn)動(dòng)的薩博SVC發(fā)動(dòng)機(jī)

2000年的日內(nèi)瓦車(chē)展上，一款別具一格的“怪家伙”吸引了全世界的關(guān)注，它就是薩博SVC發(fā)動(dòng)機(jī)。從結(jié)構(gòu)上來(lái)看，該機(jī)型采取了我們所講到的第一種技術(shù)方案，即改變曲軸與氣缸頂端的間距。

根據(jù)官方所給出的原理示意，薩博為了實(shí)現(xiàn)壓縮比可變，對(duì)該機(jī)型可謂是進(jìn)行了脫胎換骨式的改良。首先，其缸蓋結(jié)構(gòu)便經(jīng)過(guò)重新設(shè)計(jì)，采用了一種全新的集成式缸蓋方案，也就是將缸蓋與缸體通過(guò)液壓控制構(gòu)件連接在一起，而不是螺栓。這種設(shè)計(jì)在當(dāng)時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)中堪稱(chēng)獨(dú)樹(shù)一幟。

SVC發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)圖

其次，SVC發(fā)動(dòng)機(jī)的上半部分還可以進(jìn)行偏轉(zhuǎn)。如上圖所示，SVC發(fā)動(dòng)機(jī)大致由兩大部分構(gòu)成，其中，缸蓋、活塞、氣門(mén)總成我們可稱(chēng)之為第一部分;而連桿、曲軸箱我們視之為第二部分。與傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)一樣，該機(jī)型位于下方的曲軸箱在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)保持固定不動(dòng)，但上方的氣缸與活塞部分，則會(huì)以曲軸為中心，借助液壓機(jī)構(gòu)的推力發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使燃燒室容積發(fā)生改變。

Hydraulic Actuat(液壓推動(dòng)裝置)

更具體點(diǎn)說(shuō)，薩博在缸體與缸蓋之間安裝有楔形滑塊，且缸體通過(guò)Hydraulic Actuat(液壓推動(dòng)裝置)連接在氣缸頂端，當(dāng)Hydraulic Actuat工作時(shí)，氣缸頂端就會(huì)在液力的推動(dòng)下產(chǎn)生輕微偏轉(zhuǎn)(最大偏轉(zhuǎn)角度為4度)。雖然這個(gè)偏轉(zhuǎn)角度看起來(lái)很小，但當(dāng)活塞到達(dá)上止點(diǎn)時(shí)，其對(duì)壓縮比造成的影響卻十分巨大。據(jù)介紹，該機(jī)的壓縮比可在8:1至14:1之間連續(xù)變化。

那為何這種看似十分巧妙的方案卻最終擱淺了呢?問(wèn)題就出在了集成缸蓋上面，這點(diǎn)恐怕連薩博的工程師們也始料未及。

首先由于這種集成缸蓋可以發(fā)生偏轉(zhuǎn)，因此工程師必須為其設(shè)計(jì)一套獨(dú)立的冷卻系統(tǒng)。該系統(tǒng)的冷卻油道與缸體相連接，并用橡膠件進(jìn)行密封，可如若橡膠件長(zhǎng)久往復(fù)工作，就極易因?yàn)槭芰ζ诙l(fā)生開(kāi)裂，進(jìn)而導(dǎo)致整個(gè)冷卻油道出現(xiàn)泄漏。

再者，因該機(jī)型加入了液壓推動(dòng)裝置及以連續(xù)可變壓縮比作為開(kāi)發(fā)目標(biāo)，所以其無(wú)論軟件還是硬件方面都要比傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)復(fù)雜上很多。尤其是軟件方面，當(dāng)時(shí)的薩博尚未掌握一套成熟可靠的控制邏輯，以確保在連續(xù)可變壓縮比時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)能夠穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。故直至其破產(chǎn)，這款發(fā)動(dòng)機(jī)也未被投入實(shí)際使用。

采用非傳統(tǒng)曲柄連桿結(jié)構(gòu)的日產(chǎn)VCR發(fā)動(dòng)機(jī)

日產(chǎn)的VCR發(fā)動(dòng)機(jī)同樣被復(fù)雜的結(jié)構(gòu)所擊敗，而且輸?shù)母鼮閺氐?。為什么這么說(shuō)呢?我們先來(lái)看看其是如何實(shí)現(xiàn)壓縮比可變的。

日產(chǎn)VCR發(fā)動(dòng)機(jī)核心部件圖

如圖所示，日產(chǎn)VCR發(fā)動(dòng)機(jī)的所采用的方案與薩博、保時(shí)捷均不一致，其核心技術(shù)為一套特殊結(jié)構(gòu)的多連桿曲柄連桿機(jī)構(gòu)(該結(jié)構(gòu)與奧迪、寶馬及PSA等廠(chǎng)商的可變壓縮比方案如出一轍)，這種設(shè)計(jì)在普通發(fā)動(dòng)機(jī)中是絕對(duì)不曾見(jiàn)到的。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，該機(jī)構(gòu)在原有的曲柄連桿機(jī)構(gòu)上又額外增加了一套VCR(可變壓縮比)連桿機(jī)構(gòu)及一根控制軸。其中VCR連桿機(jī)構(gòu)由轉(zhuǎn)動(dòng)曲柄銷(xiāo)杠桿及其一端與控制軸的連接連桿構(gòu)成。當(dāng)控制軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，控制軸連桿會(huì)帶動(dòng)曲柄銷(xiāo)回轉(zhuǎn)，并使杠桿發(fā)生擺動(dòng)。由此便促使活塞的上止點(diǎn)位置出現(xiàn)上下移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了壓縮比的可變。

或許有人會(huì)質(zhì)疑，這套結(jié)構(gòu)看上去并沒(méi)有薩博的偏轉(zhuǎn)缸蓋復(fù)雜，確實(shí)，表面看的確如此。可如果深究下去，其內(nèi)在問(wèn)題卻足以讓開(kāi)發(fā)人員喝上好幾壺。

其一，這套系統(tǒng)的連桿數(shù)量頗多，由此便會(huì)引發(fā)發(fā)動(dòng)機(jī)的整體摩擦損失增大，如果發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)度磨損，顯然壽命上就無(wú)法被市場(chǎng)所接受。

其二，多連桿結(jié)構(gòu)的還存在加大發(fā)動(dòng)機(jī)的總體尺寸，使整車(chē)布置難度上升，尤其是對(duì)于布置空間本就捉襟見(jiàn)肘的前置前驅(qū)車(chē)型來(lái)說(shuō)，過(guò)大的體積所造成的最終結(jié)果就是這臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)根本沒(méi)地方放。

其三，連桿數(shù)量的增多還會(huì)使發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)變得更加難以控制，進(jìn)而引發(fā)共振及異響現(xiàn)象的出現(xiàn)。