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（VariableCompressionRatio）

1.1研究背景

发动机节能减排的技术迅速发展，低能耗、高性能、低污染、高寿命、多样化、免维修、新结构成为当今发动机的特点。

但是，随着对发动机经济性要求的提高，发动机在部分负荷工况、怠速工况及启动工况整体性能差的问题始终得不到很好的解决，尤其是经济性能和排放性能方面。

因此，开发低能耗、低排放的发动机成为当今发动机研究的热点。

压缩比是发动机的重要参数，它表征气缸内活塞的最大行程容积与最小行程容积的比值，直接决定发动机的热效率和排放性能。

压缩比增加压缩容积减小，残余废气量随之减小，充气效率有所增加，新鲜充量越多，提高了发动机的功率和扭矩。

同时高压缩比能够在燃烧初期提供的更高的缸内压力和温度有助于获得更高的火焰传播速度，使燃烧持续时间更短，循环热效率增加，

可以明显地改善发动机燃油经济性。

但是，过高的压缩比将使压力升高率增加，发动机噪声与振动增大，容易引起爆燃和工作粗暴，对气缸零部件的冲击载荷变大，降低了发动机的可靠性。

但是，一般发动机的几何压缩比是不可变动的，因为燃烧室容积及气缸工作容积都是固定的参数，在设计中已经确定。

作为重要参数的压缩比也有人尝试由固定不变改为“随机应变”。

于是，一种针对发动机压缩比的可变技术渐渐发展起来，即通过改变气缸的相关结构参数来“智能”地变化工作容积或燃烧室容积，有利于发动机在不同负荷工况或循环下采用不同的压缩比工作。

这种压缩比可变的技术VCR能将压缩比控制到最佳水平，使之与发动机运转工况相匹配。

目前常见的可变技术有可变配气正时、可变气门行程、可变压缩比等。

其中可变压缩比技术VCR被认为是提高发动机热效率，改善燃油经济性最有效的手段之一。

1.2VCR技术的意义

传统的发动机压缩比是固定不变的，从而使中小负载时废气比例过高，且压缩终了压力过低，因此做功效率低#在小负荷工况下，发动机的热效率低$综合性能差，这时可以采用比较大的压缩比;

在大负荷工况下，由于过高压缩比容易产生爆燃和很大的机械负荷，应该采用较小的压缩比。

VCR技术对于发动机最大的改善在于提高了低负荷的燃油经济性。

除此以外还具有其它方面的优点：

1）改善了内燃机的燃烧性能。

2）VCR技术降低了对燃料的要求。

3）有利于改善冷起动性能。

4）更加适宜于改善增压发动机的低负荷性能。

5）可变压缩比发动机有助于减少温室效应气体的排放.

1.3VCR技术原理及分析

由压缩比的定义可知，要想使压缩比有所变化，就必须从怎样改变燃烧室容积和工作容积方面入手!

发动机的燃烧室由活塞顶"

气缸和气缸盖三部分构成，迄今为止出现的一些可变压缩比实现方案都是围绕这三个元素而行的!

通常采用的手段大致为下面三种：

1）通过改变气缸盖的结构来实现。

2）通过改变缸体结构来实现。

3）通过改变活塞及曲柄连杆机构来实现。

而其布置方案具体的示意图如图1.

图1.可变压缩比技术方案分类

1）方案一是气缸盖活动方式，以绅宝SVC发动机为代表介绍其工作原理。

如图2，绅宝公司开发的这款可变压缩比发动机与传统发动机的主要差别在于，它分割成了上下两个部分。

上半部分是由气缸盖和五个气缸铸成一体的整体式气缸组成的，下半部分是由发动机曲轴箱、曲轴和活塞组成的。

整体气缸盖可以围绕着曲轴箱转动，通过橡胶密封件跟曲轴箱隔开，所以不会有机油喷出。

利用液压调节装置将整体气缸盖相对于曲轴箱转过一个角度,，从而改变燃烧室容积，同时相应地改变了压缩比，压缩比的调节范围为8～14。

图2.SVC发动机工作原理图

2）方案二是偏心移位方式，具体又可分为活塞销偏心移位方式、曲柄销偏心移位方式和曲轴偏心移位方式。

典型代表为德国FEV公司的VCR发动机，借助于曲轴的偏心移位从结构上解决了可变压缩比的问题。

该发动机的曲轴支承在一个偏心轮上，通过使偏心轮转过一个角度，实际上改变了曲轴在竖直方向上的位置，因而活塞上、下止点的位置也相应改变，从而实现连续地调节压缩比。

这项技术的核心是曲轴的偏心支承$曲轴支承在偏心器中，并且偏心器支承曲轴的孔的中心线与它的旋转中心线不重合，两者之间的距离称为偏心度。

一台标定功率为200A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。

VCR发动机的压缩比可在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。

图2.1FEV公司VCR发动机的结构

3）方案三是多连杆方式，其典型代表是日本日产公司的多连杆系统VCR发动机。

日本汽车公司发表可变压缩比发动机，采用的是多连杆方式。

这种机构采用在曲柄销转动部位摆动的杠杆的一端与连杆连接，而杠杆的另一端则采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，活塞的上止点的位置作上下移动，其结构如图3所示。

同时该机构两个优点：

（1）．活塞的往复运动几乎接近正弦曲线。

（2）．显著降低了活塞的敲缸声。

前者使直列4缸发动机的特有的惯性二次振动接近于零，而后者由于增加连杆而导致摩擦增加也相互抵消。

研究表明，该型发动机的动力性和燃油经性都可提升10％左右。

图3.日产VCR发动机结构总图

此布置方案还有法国MCE．5Development公司推出的MCE．5可变压缩比发动机，如图4。

其工作原理：

位于机构中央的摆杆两侧部分的齿轮刻有螺纹，一侧与活塞啮合，另一侧与液压执行器操纵的控制齿杆连接，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，由此在活塞行程不改变的情况下，使上、下止点位置的燃烧室容积变大，压缩比减小；

反之，液压执行器使控制齿杆向下运动，则在摆杆的作用下活塞向上运动，由此在活塞行程不改变的情况下，使上、下止点位置的燃烧室容积变小压缩比增加。

也就是说，采用液压执行器控制齿杆，使摆杆做空间移动，即利用几何位移的变化，在适应发动机负荷变化情况的同时，使压缩比改变。

图4.法国MCE．5VCR发动机的结构图

4）方案四是可变活塞高度方式。

戴姆勒．奔驰公司提出的利用液压油泵的原理改变上活塞的位置的方案，就是可变活塞高度设计，该方案最突出的优点就是相对于原型发动机的改动比较小，比较容易实现，其结构如图5所示。

图5.戴姆勒一奔驰公司的VCR发动机结构原理图

1.4VCR技术存在的主要问题

目前可变压缩比的技术方案有很多种，虽然此技术对发动机的动力性、燃油经济性和排放性都有显著的提高#但大多数方案都存在机械结构比较复杂$可变压缩比控制困难，动平衡变动大等问题，这些不足降低了可变压缩比技术的竞争力，使得其在

商品化方面的进展受到限制。

首先，某些方案难以解决动平衡的问题。

其次，一些方案在压缩比控制上存在着很大的技术难题。

例如法国的MCE-5可变压缩比发动机，其采用了全新的曲轴、连杆、活塞和液压控制器等结构，这使得开发难度和成本大大的增加。

再次，有些方案的机械结构十分复杂，导致制造成本大大增加.例如萨博公司的SVC发动机，它的缸头与机体铰接且能够摇动，工作时铰接处和压缩比控制部件需要承受巨大的交变应力，这要求机体强度必须很大且驱动摇头的电机有很大的功率，使

得发动机的体积和质量大大增加#此外，还需要对气缸盖上的凸轮轴进行补偿，以及采用柔性的进、排气管等，这都会导致这种方案的结构复杂。

1.5VCR技术未来的发展趋势。

1）随着发动机相关理论"

微机技术"

电子技术"

结构优化设计等技术的飞速发展，可变压缩比技术会越来越多地应用在发动机上，它可使发动机的各项性能在各工况变化范围内得到优化，

2）VCR技术使未来的发动机趋向于小型化"

节能环保且能提供强大的动力.

3）未来的VCR发动机应具有与现有发动机之间的互换性，以推动量产.如现有的排气后处理系统"

可变气门正时系统"

变器等均可照常使用，而不需去重新开发.

4）未来的VCR发动机应与先进的电子控制系统相配合，以尽能精确地连续调节压缩比，使其满足不同的工况和使用要求，获得更高的效率。

【参考文献】

【1】阮见明.可变压缩比活塞结构设计与试验研究.武汉理工大学.硕士学位论文

【2】周越.可变燃烧室发动机性能仿真研究.武汉理工大学.硕士学位论文

【3】韩旭.一种新型多连杆可变压缩比发动机的多体动力学虚拟仿真研究.天津大学.硕士学位论文

【4】崔彪.发动机可变压缩比技术方案研究.南京理工大学.硕士学位论文

【5】高寒.未来汽车的心脏---可变压缩比发动机【J】汽车维

修，2009,（4）.

【6】邹晓文.可变压缩比发动机有助于减少温室效应气体的排放.机电商报,2005年/8月/1日,第A11版.

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【8】崔彪，常思勤，李子非.发动机可变压缩比技术的探讨.

［J］内燃机，2011,（4）.