增压汽油机的可变压缩比技术

作者：同济大学 钱人一

欢迎访问e展厅 展厅 1 发动机展厅 汽油发动机, 柴油机, 船用柴油机, 天然气发动机, 气缸及部件, ... 利用增压技术缩小发动机排量能兼顾汽车的动力性和燃油经济性。这对柴油机和汽油机均适用。柴油机增压早已是司空见惯，但汽油机增压却不多见。其原因如下： - 汽油机即使不增压也能轻松地达到比增压柴油机还高的升功率 - 增压会导致成本增加 - 汽油机采用废气涡轮增压会给排放带来不利影响 - 汽油机增压容易引发爆震 如果汽油机不考虑通过转移工况点来优化燃油经济性，那么确实没有必要采取增压。但是近年来汽油机的燃油经济性越来越受人关注，同时相当一部分用户对汽车动力性的要求也日益高涨，所以汽油机增压越来越受到人们的关注。 为了充分发挥缩小排量以提高增压汽油机燃油经济性的潜力，同时控制爆震，不影响排放，最佳的解决方案是采用可以随着工况而改变的压缩比。相比之下，自然吸气汽油机采用可变压缩比的意义不大；柴油机根本不需要采用可变压缩比。 可变压缩比方案比较 图1示出了一些基本方案的原理。其中，方案（1）将气缸和气缸盖相对于曲轴移动一个位置，发动机气缸体在一定程度上“掀开”了盖子，因而压缩比可以变动，不久前已由SAAB公司付诸实施。方案（2）与此类似，但借助于气缸盖里面的副活塞来改变燃烧室容积。这种结构已经在两气门发动机上实现了，不过在四气门气缸盖上很难实施这个方案。方案（3）利用压缩高度可变的活塞改变压缩比。方案（4）利用一个偏心的曲柄销或一根长度可变的连杆绕过了这个问题。方案（5）的曲轴支承在一个偏心器上，利用某种手段使偏心器转过一个角度，就能改变曲轴在竖直方向上的位置，因而活塞的上止点和下止点同时移动了一个相同的量。由于曲轴轴心线发生移位，与气门定时传动链和动力传动链的中心线都发生了错位，所以必须进行补偿。方案（6）的曲轴也是支承在一个偏心器上，与方案（5）不同的是，它借助于齿条而不是偏心器使曲轴移位。方案（7）至方案（9）借助于一根分成两段的连杆，并且加设了一根操纵杆而实现可变压缩比。 根据表1，只有燃烧室形状可变的方案会对燃烧室的几何形状干扰到不可接受的地步，其他方案对燃烧室几何形状的干扰不明显。 比较调节机构所受的力，其中折迭式曲轴箱体（活动气缸盖和气缸筒）的效果不好，因为调节机构本身的原理决定了它处在力流之中。在连杆分成两段的方案中，受力情况比较有利，但是操纵杆的偏心轴受到的力矩相当大。其余几个方案都比较好，其中的可变活塞（连杆）方案仅在当时的气体力和惯性力可用于调节压缩比，而且系统是自动稳定的情况下才比较好。 在惯性力方面，活塞和连杆的调节系统有缺点，因为这种系统使得作往复运动的质量增加了。在连杆分成两段的方案中，除了往复运动的质量提高了以外，运动学方面的改变还会导致惯性力增大，以致在三缸和四缸机中必须进行强制性的惯性力平衡。 压缩比的可调节性，除了与作用在调节机构上的力有关以外，也与机构是否易于接近有关。这方面，气缸盖中的副活塞和通过偏心器调节的方案特别有利。 在制造费用方面，对各种方案的制造过程相对于原型发动机的改变进行了评估。分成两段、且带有操纵机构的连杆以及布置在气缸体内的折迭式机构对原型发动机的影响最大；其他方案带来的影响比较小。关于安装空间的考虑表明，在采用折迭式机构的方案中，进气侧和排气侧必须跟着转过一个角度。反之，在连杆分成两段的方案中，侧置的操纵机构对发动机主尺寸的影响就成为一种缺点。 曲轴移位的方案特别有利的原因是，发动机主尺寸和安装空间的紧凑性都可以保持不变。这个方案几乎不需要改变安装空间就可以在原型发动机上实施。 可变压缩比汽油机实例 SAAB公司气缸盖相对于曲轴箱侧转实现可变压缩比的增压汽油机 SAAB公司的可变压缩比技术缩写为SVC（SVC=Saab Variable Compression）。SVC概念一个重要的优点是，它不必对已经经过实践考验的四气门技术的燃烧室进行改造，就能够实现可变压缩比。燃烧室的设计对于燃烧过程具有重要意义。而燃烧过程又对废气排放、燃油消耗以及发动机功率具有直接的影响。因此，新的SVC概念能够与已有的技术兼容，这一点对于生产企业来说十分重要。此外，在开发SVC发动机的过程中从传统的动力总成中继承了尽可能多的基本零部件。这台可变压缩比的增压汽油机的技术数据见表2。 SVC发动机跟传统发动机的主要差别在于，它分割成了上、下两部分。可以通过液压调节装置使上部相对于下部转过一个角度，从而调节压缩比（见图2）。上部叫做整体气缸盖，包含着气缸盖和做成一体的气缸筒，见图3。下部就是曲轴箱，由机体、曲轴、连杆和活塞组成。上、下两部分之间通过橡胶密封件跟曲轴箱隔开，所以不会有机油喷出。跟标准发动机相比，上、下两部分之间的分割面降低了大约20cm。 这台小小的1.598升SVC五缸发动机采用机械增压器，大致达到了3.0升自然吸气式发动机的功率和扭矩水平，然而油耗比后者降低了三分之一左右。同样引人注目的还有废气排放方面的优点：二氧化碳（CO2）排放跟油耗成正比下降，而一氧化碳（CO）、碳氢化合物（HC）和氮氧化物（NOX）都满足当今世界上已经生效的以及正在拟议中的一切法律条文的规定。 FEV公司曲轴偏心移位实现可变压缩比的增压汽油机 这项技术的核心是曲轴的偏心支承。曲轴支承在偏心器中，偏心器支承曲轴的孔中心线和它的旋转中心线并不重合，两者之间的距离称为偏心度，见图4。利用一台标定功率为200W的永磁激励无刷同步电机通过偏心器上的扇形齿轮带动偏心器转动，曲柄中心线就会相对于气缸盖的位置发生改变，因而可以连续地调节压缩比。压缩比可在8:1和16:1之间进行调节。调节时间在减小压缩比时为0.1s，在提高压缩比时为0.3s。 在压缩比的调节过程中，曲轴中心线的位置将发生改变；可是，与曲轴变速器端和前端相连接的其他部件的位置是不变的。因此，专门采用了平行的曲柄传动机构对其进行必要的补偿，这个机构不增加安装空间，见图5。驱动侧的离合器单元也适合于采用双质量飞轮的起动机/发电机或者集成的起动机/发电机。气缸缸数对此影响不大。借助于偏心器调节压缩比的原理也可以用于V形发动机，V形发动机中V形角对压缩比的影响很小，其影响可以通过软件中点火时刻的自适应功能得到补偿。 这台1.8升VCR（可变压缩比）发动机扭矩达300Nm，功率达165kW，升功率超过90kW/L。将这台样机装在一辆成批生产的汽车上进行试验，结果表明，样车在新欧洲行驶循环中相对于固定压缩比的原型车油耗降低7.8%，排放满足欧洲4号排放法规要求。对这台概念发动机进行了摩擦、功能和磨损方面的试验及超过400小时的耐久试验后，证明发动机样机的摩擦与成批生产的原型机曲柄连杆机构没有什么差别（因为平行的曲柄传动机构的传力元件是用滚针支承的），无论机械噪声还是燃烧噪声都不显著。 可变压缩比与缩小排量和高增压概念相结合会因为它所要求增添的零部件而使得制造成本增加，但是由此形成的优点使得这种做法变得很值得。偏心曲轴移位的方案还有以下优点：对燃烧室几何形状的影响很小；调节机构需要的力比较小；惯性力没有改变；摩擦没有增加；噪声没有恶化；良好的可调节性；适中的制造费用。在以后投入成批生产时，还有以下优点值得考虑：不必为新的加工设备投入高额投资，传统的加工设备可以继续使用；主要尺寸基本上保持不变，安装空间几乎可以不变。 可变压缩比带来的好处 汽油机采用可变压缩比的最大好处在于燃油经济性，此外还有许多其它好处。 适合于多元燃料驱动 可变压缩比使得汽油机在所用燃料种类方面非常机动灵活，因为可变压缩比汽油机总是以最适合于所选用的燃料的压缩比工作。如果可变压缩比汽油机采用其辛烷值超过汽油的燃料工作，那么上述优点就会变得更大。例如，甲醇是一种经常被用来代替汽油的代用燃料，其马达法辛烷值为88，而研究法辛烷值为108。因此，在高转速下，甲醇达到了实际上跟汽油相同的抗爆震性；而在低转速下则相反，它的抗爆震性远远超过汽油。可变压缩比汽油机概念能够充分利用这种高抗爆震性，更好地利用燃料的能量。 有利于降低排放 为了使催化转化过程能够顺利地进行，三效催化转化器必须达到400℃左右的工作温度。冷发动机起动后需要经历一段所谓的“起燃时间”才能达到这一温度，大约是1至2分钟。在起燃时间尚未结束之前，三效催化转化器对排放的净化转化作用十分有限。采用可变压缩比汽油机概念，与推迟点火一样，能够降低热效率进而提高单位排量的废气热流量，迅速地加热三效催化转化器，就可以缩短起燃时间，明显地降低冷起动和暖机阶段排放。 在部分负荷工况，针对HC随着压缩比增大而升高的现象，一方面，由于本概念可以接受较大的排气再循环率，因而能够更多地降低NOX排放；另一方面，在较高负荷下通过提高压缩比能够提高热效率，增大扭矩，可以部分地替代混合气加浓的程度，因而降低对混合气加浓的要求，这样就可以扩大闭环控制的工况范围，进一步降低有害物质CO和HC的排放。 提高运行稳定性 传统的固定压缩比汽油机在冷机怠速阶段为了加热三效催化转化器，要大幅度地减小点火提前角以降低热效率。这样一来就会明显地降低扭矩，有可能使得发动机运行不稳定。在全负荷工况为了减少增压汽油机的爆震倾向性也要依靠减小点火提前角。但是，过多地减小点火提前角会导致扭矩过多地下降，使得发动机运行不稳定。 可变压缩比汽油机可以先通过减小压缩比在一定程度上降低热效率，然后根据实际的转速变动情况在较小范围内调节点火提前角，使得发动机在冷机怠速和全负荷时平稳地运行。另外，通过提高压缩比可以提高扭矩，抵消高的排气再循环率给发动机运行带来的负面效应。(end)

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