可变压缩比技术对发动机性能影响的研究

技术导向
收稿日期:2009-09-10
可变压缩比技术对发动机性能影响的研究
杜慧起　尤明福　(天津工程师范学院)
【摘要】　从理论上分析了可变压缩比技术在汽车发动机上应用的必要性,详细阐述了可变压缩比技术
的应用对改善发动机的燃烧过程,综合提高发动机的动力性和经济性,降低发动机的废气排放污染等方面的意义。

【主题词】　动力性　经济性　发动机　汽车
近十几年,汽车发动机技术发展迅速,低能耗、低污染、高性能、高寿命、免维修、多样化、新结构成为当今发动机的特点。

但是,随着对发动机动力性要求的提高,发动机在高速大负荷下动力性能好与中、低速中小负荷下动力性能及经济性能较差的矛盾却越来越突出。

为了解决这些矛盾,可变压缩比技术在汽车发动机上得到了广泛的应用。

1　发动机压缩比的定义
一辆汽车不论装用汽油机还是柴油机,要保持平稳运转,必须具有适当且稳定的压缩比。

对活塞往复式发动机来说,活塞在气缸内一定范围作周而复始的运动,当活塞运动到气缸的最低点,此时的位置点便称为下止点,这时气缸容积包含燃烧室容积和气缸工作容积,即气缸总容积。

当活塞向上运动,到达最高点位置时,这个位置点称为上止点,此时所形成的容积为燃烧室容积,
它是整个活塞运动时行程容积最小的状况。

压缩比即是气缸总容积与燃烧室容积的比值。

2　压缩比对发动机性能的影响
一般情况下,压缩比越大,发动机输出的功率
和扭矩也就越大。

汽油机在进气行程吸入气缸里
的是汽油蒸气与空气按一定比例组成的混合物(称为可燃混合气)。

活塞在压缩行程时,除了挤压混合气使之体积缩小之外,同时压缩过程也发生了涡流扰动的现象。

依据波义耳-马略特、盖・吕萨克和查理定律:
P 1V 1/T 1=P 2V 2/T 2
式中:P 为压力;V 为容积;T 为温度。

上式表明,在密闭容积中的气体受到压缩时,压力与温度成正比。

当压缩比较高时,压缩所产生的气缸压力和温度相对提高,使混合气中的汽油分子气化得更完全、雾化更好,同时又因涡流扰动及分子的压缩密集,当火花塞产生电火花时能使混合气燃速升高,释放出很大的爆炸能量,使发动机输出动力。

对于柴油机,压缩比高,活塞膨胀作功的距离长,作功就增加。

根据热力学第二定律得出的循环热效率:
ηe =1-Q 2/Q 1式中:Q 1为加热量;Q 2为放热量。

可以看出:由于膨胀作功距离增长,放热量Q 2
就减少,而加热量Q 1不变,所以发动机的循环热效率ηe 提高,输出的功率就增大。

因此,高压缩比的发动机意味着有较大的功率输出。

但问题是,汽油机中如果压缩比太高,不可控制的燃烧会损坏发动机,而且,全负荷时最容易发生爆震;柴油机中如果压缩比太高,柴油机压力过高,工作粗
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暴,震动和噪声大,运动零部件所承受的冲击负荷也大,影响柴油机的工作可靠性和使用寿命。

因此,变压缩比是汽车发动机发展的必然趋势。

3　可变压缩比的研究现状
提高发动机的压缩比,柴油机受机械负荷的限制,汽油机受爆震的限制。

因此,在中、小负荷时采用较大的压缩比,以提高经济性;而在高负荷时,适当减小压缩比,可避免汽油机爆燃或柴油机压力过高。

改变发动机压缩比可通过改变气缸的工作容积和燃烧室容积来实现。

通常采用改变燃烧室容积、可变活塞压缩高度、可移动的气缸盖和气缸体、可变长度连杆、偏心主轴承和可变的曲柄连杆机构等方法来改变气缸压缩容积,还可采用偏心连杆轴承改变气缸压缩容积和工作容积。

应用比较成功的是B I CERA可变压缩比活塞,该种结构活塞由英国内燃机研究协会(B I CERA)最早获得专利。

活塞通过改变压缩高度来改变压缩比,其结构由内、外活塞,上、下油腔和两个止回阀以及限压阀和节流阀等组成。

内、外活塞之间构成上、下油室。

通过液力耦合,可相对移动,改变上、下油室体积,从而改变活塞的压缩高度。

目前,可变压缩比还处于开发研究阶段,有望在大、中型轿车上广泛应用。

R.H.M iller于1947年提出米勒循环,通过在下止点前关闭进气门的方法减少有效压缩比,而膨胀比保持不变,但此时需提高进气压力来维持缸内充气量不变。

马自达公司装备了一台213LV624气门米勒循环发动机,几何压缩比和膨胀比为10,进气门关闭时刻位于上止点后70°,使有效压缩比变为7.6。

采用一台带中冷器的Ly2 shol m压气机,使进气压力高于普通Roots压气机。

结果表明,该发动机具有优良的动力性和经济性。

4　可变压缩比技术方案及存在的问题
4.1　可变压缩比对发动机性能的影响
可变压缩比的目的在于提高增压发动机的燃油经济性。

在增压发动机中,为了防止爆震,其压缩比低于自然吸气式发动机。

在增压压力低时热效率降低,使燃油经济性下降。

特别在涡轮增压发动机中由于增压压力上升缓慢,在低压缩比条件下,扭矩上升也很缓慢,形成所谓的增压滞后现象。

也就是说,发动机在低速时,增压作用滞后,要等到发动机加速至一定转速后增压系统才起作用。

为了解决这个问题,可变压缩比是重要方法。

即在增压压力低的低负荷工况使压缩比提高到与自然吸气式发动机压缩比相同或超过;另外在高增压的高负荷工况下适当降低压缩比。

4.2　可变压缩比技术方案
实现可变压缩比的机构有多种方案,大致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两种。

4.2.1　在运动部分采用可变机构
在运动部分采用可变机构中可分为:活塞上部活动方式、活塞销偏心衬套方式、曲柄销偏心衬套方式。

活塞上部活动方式是指改变活塞销与活塞顶面的距离,而活塞销偏心衬套方式与曲柄销偏心衬套方式,其本质上是通过改变连杆的长度以调节压缩比。

这些方式由于采用液压方式进行远距离操纵,难以使所有的气缸同步进行压缩比调节,因而使压缩比连续可变也变得困难。

此外,活塞上部活动方式使活塞重量增加一倍,不适用于高转速。

4.2.2　在静止部分采用可变机构
静止部分采用组装可变机构的方式可分为:多连杆方式、气缸盖活动方式、曲轴主轴颈偏心衬套方式和燃烧室容积可变方式。

多连杆方式是把连杆分为两部分,通过改变两者的弯曲角以实现改变连杆长度。

气缸盖活动方式即相对于曲轴使气缸盖与气缸发生变动。

曲轴主轴颈偏心衬套方式即相对于气缸体使曲轴发生变动。

而燃烧室容积可变方式则是通过设置在气缸盖内的柱塞往复运动改变燃烧室容积。

以上4种方式都存在着一些问题。

日产汽
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车公司选定的多连杆方式存在的问题是发动机外形尺寸或振动增加,由于可活动部位增加而导致摩擦损失相应增加。

瑞典萨博公司开发的气缸盖活动方式,可活动部分的质量大,移动需要大能量。

而曲轴主轴颈偏心衬套方式却很简单,但是由于输出轴位置要移动,所以必须考虑与变速器结合或配合的问题。

德国大众汽车公司已开发的燃烧室容积可变方式,其存在的问题是,在低压缩比时燃烧室形状不能适应容积可变方式。

5　结语
可变技术的应用可使发动机的各项性能在整
个使用工况变化范围内得到优化。

我国应加大在此方面的投入,优化发动机设计,使可变技术在轿车发动机上获得普遍应用,进一步提高其综合性能,这将有益于我国汽车发动机行业提高产品自主开发能力,缩短与国际先进水平的差距。

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研究与开发,2001(4)Abstract
This article theoretically analyzed the app licati on necessity of variable comp ressi on rati o technol ogy on aut o engine .
It elaborated the meaning of that the
variable technical app licati on i m p r oved the combus 2ti on p r ocess in engine,increased the engine power and efficiency,and reduced e m issi on
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