发动机可变压缩比技术VCR.docx

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发动机可变压缩比技术VCR

发动机可变压缩比技术（VCR）

压缩比

发动机压缩比属于结构参数，可以表征发动机混合气被压缩的程度，用压缩前的气缸总容积与压缩后的气缸容积（即燃烧室容积）之比来表示。

活塞处于下止点时气缸有最大容积，用Va表示；活塞处于上止点时气缸内的容积称为燃烧室容积，用Vc表示。

内燃机的压缩比ε为

ε=Va/Vc

或者

ε=1+Vh/Vc——Vh表示气缸行程容积

压缩比作为发动机重要的结构参数，一定程度上可以反映发动机的性能。

一般汽油机的压缩比为9—12，柴油机的压缩比为12—22。

压缩比对内燃机性能有多方面的影响。

压缩比越高，热效率越高，但随压缩比的增高，热效率增长幅度越来越小。

压缩比增高使压缩压力、最高燃烧压力均升高，故使内燃机机械效率下降。

汽油机压缩比过高容易产生爆震。

柴油机压缩比过低会使压缩终点温度变低，影响冷起动性能。

由于压缩比是结构参数，传统意义上压缩比是固定不变的，然而随着发动机强化程度的不断提高，以及在发动机性能及燃油消耗率等方面提出的更高的要求，固定不变的压缩比已经不能完全满足现代发动机的需要，因此上出现了可变压缩比发动机。

可变压缩比技术的意义

发动机的可变气门正时、可变气门行程和可变进气歧管等技术已经被广泛应用，许多车型都已经大量的采用了这些“可变”技术。

但是发动机还有一项“可变”的技术，却是目前量产车里面十分罕见的，这种发动机可变压缩比技术可谓是发动机控制在“可变”方面的一场革命。

压缩比决定了汽油机压缩混合气的压力，汽油的燃烧特性导致了汽油发动机的混合气压力不能太高。

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，产生爆震，会对发动机带来很大的伤害。

对于现在广泛应用的增压发动机，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一些。

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。

另外，这种技术可以让发动机在燃油适应性方面拥有巨大的优势。

现在新款的主流发动机的压缩比普遍设计在10:

1以上，以获得更好的动力输出和燃油经济性。

但是高压缩比的发动机需要使用较高标号的燃油，这种要求会降低汽车在偏远地方的适应性，影响到车辆的销售。

VCR（VariableCompressionRatio）技术的优势

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，除此之外，还有如下优点：

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.有利于改善冷启动性能

4.改善了增压发动机的低负荷性能

VCR技术原理及发展现状

由压缩比的定义可知，要想改变发动机的压缩比，就必须考虑改变发动机工作容积或燃烧室容积。

发动机的燃烧室由气缸盖、气缸和活塞顶三部分组成，目前出现的可变压缩比设计都是围绕这三个部分实现的。

通常采用的方式分为以下三种：

1.通过改变气缸盖的结构来实现

2.通过改变气缸缸体结构来实现

3.通过改变活塞及曲柄连杆机构来实现

具体方案如下：

•方案一是气缸盖活动方式

•方案二是偏心移位方式

•方案三是多连杆方式

•方案四是可变活塞高度方式

方案一—气缸盖活动方式，代表是萨博的SVC（SaabVariableCompression）发动机

萨博的SVC（SaabVariableCompression）可变压缩比发动机，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，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，压缩比也同样被改变了。

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，不会有机油喷出。

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。

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。

由上图可以看到，SVC发动机上部有一个活动的集成缸盖，我们称为为monohead。

SVC发动机，可分成上方的汽缸顶盖与活塞、气门总成为第一部分；而下方曲轴箱则为第二部分。

下方的曲轴箱保持固定不动，上方的汽缸与活塞部份，会以曲轴为中心，藉由液压促动器的推动，偏转些微的角度，因此汽缸内燃烧室的空间就会改变，燃烧室的体积改变了，自然压缩比也会跟着改变。

那么再加上机械增压器，就可以控制在增压的时候将压缩比降低，用高转时的增压效果提高发动机的输出功率；而在自然进气的时候，压缩比提高，让发动机在低转速的时候，可以有效率地燃烧。

因此小排量的发动机，也能有大扭矩、大功率的输出。

SVC发动机的上方汽缸总成部分，是可以绕着曲轴中心而偏转的，它的斜率可以轻微进行调节（升高达4度），缸体与缸盖间安装楔型滑块，缸体通过Hydraulic Actuat液压促动器，连接在汽缸头上，利用液压推动旋转，而让汽缸头产生偏转，达到连续改变压缩比的效果。

SVC压缩比的变化范围为8:

1到14:

1。

SVC的设计比以往任何的可变压缩系统比都要聪明，它在至为重要的燃烧室部分，没有额外添加移动部件或任何往复运动的组件，这使得它的结构简单，坚固耐用，不会因为增添了其他部件而产生泄漏。

小结

日内瓦车展上展出的这款SVC发动机已经是第三代设计了，它是一台直列5缸每缸4气阀的发动机，排量为1598cc，但是其工作效率非常显著，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。

但是，可能是由于其复杂性和可靠性问题，SVC并没有正式量产。

方案二——偏心移位方式，具体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。

如图所示：

典型代表

•

一种是德国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

•另外一种利用连杆轴颈套方案实现VCR技术的机构

FEV公司的VCR发动机

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，改变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。

如图

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，曲柄中心线相对于气缸盖的位置就会发生改变，因而可以连续地调节压缩比。

VCR发动机的压缩比可以在8到16之间进行调节。

调节时间在减小压缩比时为0.1s，提高压缩比时为0.3s。

利用连杆轴颈套方案实现VCR技术的机构

通过曲轴主轴颈，驱动运动可以平稳的从曲轴前段传递至第一连杆轴颈上的偏心套，并传递到第二、第三、第四气缸内的偏心套上，即可完成对发动机压缩比的改变。

总体结构

传动机构选择了一套大减速比的蜗轮蜗杆部件，机构传动对执行电机的扭矩需求不大。

该VCR机构主体被安装在发动机的曲轴上，曲轴主轴颈内均开设有一个支撑圆柱孔，每个支撑圆柱孔的轴线都与曲轴轴线重合，或不重合但平行，或形成一定的夹角。

蜗杆与电机同轴连接在一起，蜗轮与蜗杆啮合，蜗轮上有一个中心齿轮与其同轴并固定连接，另有行星齿轮固定安装于第一传动轴前端并与中心齿轮啮合，第一、二、三、四传动轴安装于曲轴的各段主轴颈内的支撑圆柱孔内，传动轴的两端分别安装传动齿轮，而偏心套则套装在曲轴的连杆轴颈与连杆大头之间，且偏心套的两端各安装一个偏心套齿轮，同对应的传动轴齿轮相啮合。

当执行电机旋转时，驱动蜗轮蜗杆进行旋转，进而驱动中心齿轮旋转，运动传递到行星齿轮，并通过传动轴与偏心套之间的齿轮依次传递至第一传动轴前端齿轮、第一传动轴、第一传动轴后端齿轮、第一偏心套、第二传动轴前端齿轮等等，直至最后一个传动轴与最后一个偏心套，从而使所有的偏心套同步变动，改变压缩比。

方案三——多连杆方式

典型代表

•日产公司的多连杆系统VCR发动机

•法国MCE公司的MCE-5可变压缩比发动机

日产公司的多连杆系统VCR发动机

该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。

活塞的上止点位置上下移动，则燃烧室容积改变，而活塞的行程没有改变，则工作容积不变，从而使压缩比可变。

该机构有两个优点：

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，使直列四缸发动机的惯性二次震动接近于零，使由于增加连杆而导致的摩擦增加被近似抵消。

研究表明，该发动机的动力性和经济性都可提高10%左右。

法国MCE-5可变压缩比发动机

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。

采用该公司称为“滚子导向活塞（如图）”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。

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。

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。

方案四——可变活塞高度方式

戴勒姆.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是相对于原型发动机的改动较小，易于实现。

总结

VCR技术存在的问题

1.机械结构比较复杂

2.动平衡变动大，动平衡问题难以解决

3.机械结构复杂，成本较高

VCR技术未来的发展趋势

1.随着发动机相关理论的发展，可变压缩比技术的应用会越来越广泛，可使发动机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发动机应具有与现代发动机的互换性，以推动量产

4.未来的VCR发动机应与先进的电控系统相配合，以尽可能精确地连续调节压缩比，获得更高的效率