学习报告：发动机可变压缩比技术

学习报告：发动机可变压缩比技术简介：2008年在金融危机席卷全球之际，全球汽车工业都受到了严重的影响，美国三大汽车集团甚至面临破产的尴尬局面。随着油价会继续的走高，发展新型节能高效发动机对振兴全球汽车工业十分重要，在未来的20至30年，全球的新能源发动机的需求量将超过现有需求量的80%。在这种情况下，应运而生的可变压缩比技术，无疑受到了人们的广泛关注。这项技术可以说是对发动机新技术探索的一种前瞻，一旦发展成功将具有很大的发展潜力，这种可变压缩比的新技术说明目前内燃机形式的发动机仍有很大潜力可挖而且一旦取得商业成功将会对现在同样尚不成熟的燃料电池技术产生很大的冲击。但目前来说这款发动机被真正应用到量产的商品车上的几率不是很大，还有许多诚待解决的技术问题和成本问题，也许未来需要走的路还很长，但其巨大的发展潜力，还是深深吸引着人们的关注。关键词：萨博的SVC可变压缩比技术法国MCE—5可变压缩比发动机日产VCR可变压缩比发动机燃油经济性燃烧热效率降低成本量产化正文：我们知道，由于汽油的燃烧特性导致了汽油发动机的混和气压力不能太高。如果气缸内的压力超过了临界值，汽油就会因为压缩而在点火之前被点燃，这种现象被称为爆震，会对发动机带来很大的伤害。这种问题在增压发动机的设计上显得尤为突出。固定的压缩比成为制约机械增压和涡轮增压发动机的一个很重要的因素。我们知道，当涡轮增压介入以后，燃烧室的温度和压力会大幅度升高，如果这个值过高，爆震就不可避免。这会对发动机造出巨大伤害，同时也会影响动力输出。所以，固定压缩比的涡轮增压和机械增压发动机只能把压缩比设计得比普通自然吸气发动机低很多。但是这种过低的压缩比设计，又会导致发动机在增压器（特别是涡轮增压）没有完全介入时（也就是说，发动机在低转速时），燃烧效率非常低，能产生的动力要比普通自然吸气发动机所产生的动力要少的多。这个矛盾是促使设计师开发可变压缩比发动机的重要原因。（一）可变压缩比的目的：提高增压发动机的燃油经济性。（二）实现可变压缩比的机构方案大致上可分为在运动部分采用可变机构和在静止部分采用可变机构。在运动部分采用可变机构可分为：（1）活塞上部活动方式（2）采用活塞销偏心衬套方式（3）采用曲柄销偏心衬套方式在静止部分采用可变机构可分为：（1）多连杆方式（2）汽缸盖活动方式（3）燃烧室容积可变方式（4）曲轴主轴颈偏心衬套方式（三）三种可变压缩比技术（1）萨博的SVC可变压缩比技术SVC发动机的气缸盖和气缸体是动态连接在一起的，气缸盖与气缸体通过一组摇臂连接（图中的桔黄色部分），摇臂能在ECU的控制下改变一定的角度，从而改变了燃烧室的体积，也就是说，压缩比也同样被改变了。SVC比早期的可变压缩比设计更灵敏，发动机没有其他多余的运动部件，只有气缸盖前后摆动，所以它的结构简单耐用。由于比普通发动机多出了一套摇臂装置，所以它比普通发动机多需要一套冷却系统，它通过气缸盖和气缸套周围的冷却水散热。由于气缸盖和气缸体会发生移位，在气缸盖和气缸体之间设计了一组橡胶套，起到密封作用。这套可变压缩比系统允许萨博发动机可以采用更高的增压压力（2.8bar），这个值比保时捷911Turbo的1.94bar要增加很多，甚至比萨博9-3的Viggen发动机高出2倍。传统的涡轮增压器是无法提供如此高的增压值的，如果要想获得如此高的增压值，只能采用机械增压来替代（但是机械增压的缺陷是显而易见的）。SVC能根据发动机的转速、负荷、工作温度、燃料使用状况等进行连续调节压缩比，这一切，都在ECU的控制下进行，所以动力和油耗能达到完美的平衡。它的压缩比能在8:1和14:1之间连续调节，它能产生225匹的最大功率和304牛米的最大扭力，动力与本田的3.2升V6发动机相似，而油耗却非常低——比普通相同功率发动机能减少超过30％的燃油消耗。这款SVC发动机升功率能达到150匹每升，这个指标是目前轿车发动机上最高的。同时废气排放能达到欧四标准。这款发动机另外一个非常重要的优点，发动机的ECU能通过传感器传出的信息来判断汽油的标号，并选择最适合的压缩比。这样，它就能适应不同标号的汽油，特别是低标号的汽油。如果国内的汽车采用了这种技术的发动机，车主们就不用在选择高性能还是高适应性方面苦恼了。（2）日产VCR可变压缩比发动机日产汽车公司选定多连杆方式实现可变压缩比，这种方式存在的问题是：发动机外型尺寸或振动增加；由于可活动部分增加而导致摩擦损失相应增加。而日产汽车公司依然选用了这种方式是因为，通过多连杆有效配置，具有解决问题的可能性。而事实上，近一年来，经过数亿次的对多连杆配置进行计算机仿真，终于研发成功了这次的日产VCR可变压缩比机构。这种机构如图1所示，它采用在曲柄销转动部位摆动的杠杆的一端与连杆连接，而杠杆的另一端则才用与控制轴延伸出来的连杆相连接的构造。连杆与控制轴的偏心部分连接，当控制轴转动时，控制轴连杆使曲柄销回转而使杠杆摆动。由此，活塞的上止点的位置作上下移动，从而能够连续改变压缩比。（3）法国MCE—5可变压缩比发动机法国MCE-5公司在05年曾发布了一款“可变压缩比发动机”，该方案是一种机械的组合方案，整合了功率传输和压缩比控制功能，可替代传统的固定压缩比发动机组，能够让大量生产的可变压缩比发动机达到所要求的质量，从而使生产成本符合汽车工业所追求的效益标准。MCE-5表示，可变压缩比发动机(VariableCompressionRatio，VCR)是一项重大的技术发展，可以满足汽车业有关环境和能源方面的一些主要的关键要求。它能让汽车制造商生产出功率强大但燃料消耗经济的汽车，从而把燃料油消耗降低了30%，进一步满足欧洲和全球减少温室效应气体排放的目标。发动机组采用了长寿命的齿轮和滚珠轴承系统导向的活塞，因此活塞不会产生垂直拍击和径向负荷，使MCE-5保证发动机的坚固耐用和可靠性，并保证汽车的里程数。这表示MCE-5发动机又克服了大功率、大力矩发动机的缺点，大幅提高了其使用寿命。MCE-5进一步表示，其可变压缩比发动机组自从1997年开始研究和测试，并分阶段进行了改良。新一代的MCE-5发动机已经可以商用化，其发动机的组成部分都是按照大量生产的制程要求所设计的。如图所示，它采用该公司称为“滚子导向活塞”即下部由特殊形状的转轴进行刚性连接的活塞。齿轮上有螺纹的转轴部分的运动通过位于汽缸壁之间的滚子与反向一侧的摆杆进行控制。位于机构中央的摆杆在两侧部分的齿轮刻有螺纹。一方面与活塞连接，另一方面与液压式执行器运动的控制齿杆连接。这种摆杆与齿杆连接，起到活塞的运动被传递到曲轴的作用。从整个机构的运动来看，如果液压执行器使控制齿杆向上运动，则在摆杆的作用下活塞向下运动（反之亦然）。由此在活塞的行程不改变的情况下，使上下止点的燃烧室容积发生变化。就是说，采用液压控制的控制齿杆，使摆杆做空间移动，即利用几何学的空间位移变化，在适应发动机负荷变化情况的同时，使压缩比改变。MCE—5可变压缩比发动机可使发动机燃烧热效率提高20%，并可减少运动部件的磨损。它是以部分节气门开启方式减少了泵气损失。目前正在进行实车试验。为了实现2010年批量生产的目标，还需在技术上不断改进，并在减少重量和降低成本方面下功夫。参考文献：（1）杨妙梁·《以量产化为目标的新一代可变压缩比发动机》·《汽车与配件》技术与市场APT（No.3）2006—5（2）杨妙梁·《日产可变压缩比发动机》·《汽车与配件》技术与市场APT（No.10）2006—20（3）钱人一·《现代轿车可变压缩比SVC控制新概念》·《汽车配件》2003—27