可变压缩比技术

可变压缩比技术
摘要：
解决动力性燃油经济性及排放性能之间的矛盾一直是发动机技术研究的重点，而可变压缩技术是解决这一矛盾的技术之一。

主要介绍发动机可变压缩比技术的概念、研发进展、实现方案、优点及存在的问题，对其未来的发展做了展望并提出了一些建议。

关键词：发动机；可变压缩比；VCR；性能
严峻的能源形势和日益严格的排放法规使传统发动机，尤其是传统的车用发动机面临着严的生存挑战。

一直以来，既有良好的动力性能又有良好的燃油经济性和排放性能是发动机所追求的目标，然而这些性能在一般的发动机上又没法同时获得。

为了解决这个矛盾，一些新术如可变技术应运而生，其中像可变气门正时、可变气门行程、可变进气歧管、可变喷油及可变增压等技术都为人熟知并已在许多车型上使用。

可变压缩比技术也是其中很有潜力的一种，能够很好地改善发动机热效率、燃油经济性和排放性能，但由于种种原因发展相对滞后。

1概念可变技术是内燃机相关系统的结构或参数随着使用要求和工况的变化而变化，使
内燃机在各种工况下都达到理想的工作效果，综合性能指标得到大幅提高，并能够避免不正常燃烧及超负荷工作等发生的一种技术。

我们知道，发动机从设计制造好之后，其很多参数如配气相位、压缩比等就是固定不变的，这些参数只是综合各种工况下最好状态后的折中，这使发动机不能完全发挥其性能。

发动机研究者们一直致力于提高发动机的各种性能，如果将一个个不可变的结构及参数变成可随相应工况和需要灵活可变的，则能在很大程上改善发动机的综合性能。

可变技术就是基于这种想法而出现的，其在解决较大转速和负荷范围内的动力性与经济性及排放性的矛盾显示出独特的优势。

压缩比是气缸总容积与燃烧室容积的比值，其表示活塞由下止点运动到上止点时气缸内气体被压缩的程度，是衡量发动机性能的重要参数，是影响发动机效率最重要的因素之一。

一般来说，压缩比越高，发动机的性能就越好。

对于传统的发动机，一经设计好其压缩比是固定不变的，因为燃烧室容积及气缸工作容积都是固定的参数。

现代汽车发动机的压缩比汽油机一般为8～12，柴油机一般为12～22。

可变压缩比技术主要是针对增压发动机的一种技术。

固定的压缩比不能充分发挥发动机的性能，事实上在小负、低速运转时，发动机的热效率低，相应地综合性能比较差，这时可以用较大的压缩比，而在大负荷、高转速运转时，若压缩比过高，则很容易发生爆震并产生很大的热负荷和机械负荷，这时可以用较小的压缩比。

随着负荷的变化连续调节压缩比，可以最大限度地挖掘发动机的潜力，使其在整个工况区域内有效提高热效率，进而提高发动机的综合性能。

2国内外关于可变压缩比的研究
关于可变压缩比技术的研究起较早，最早主要是在压燃式发动机方面研究。

英国内燃机研究所（BICERI）于1952年就开了可变压缩比活塞的研究，后来其将高压涡轮增压技术推广到了中速压燃式发动机上，获得了很高的动力性又不使气缸压力超过限度。

美国大陆公司于1961年开始研究的用于坦克动力的A VCR1360-2可变压缩比柴油机，压缩比可高达9：1～16：1。

其突出特点是,为了克服过高的热负荷和机械负荷,达到尽可能高的强化程度以及改善起动性能和低速工作性能等采用了变压缩比活塞。

我国西安交大的王志达先生于20世纪70年代末研制成可变压缩比摆盘柴油机，这种柴油机将摆盘设计成可以沿轴向移动的结
构，通过控制摆盘的轴向位置来改变活塞的上下止点位置，使摆盘柴油机的压缩比成为可变的和可以调节控制的。

其结构紧凑，质量轻，不仅像低压缩比柴油机那样能实现高增压,而且在起动性能和低负荷性能方面也表现优越。

前苏联在20世纪80年代就由拖拉机研究所车拉宾斯克分所做了可变压缩比柴油机的试验研究，其达到了在相同的增压条件下提高功率，提高部分负荷的经济性,并降低发动机零部件热应力和机械应力的目的。

近数十年来，随着日益严峻的能源问题和越来越严格的排放限制，可变压缩比技术的研究在点燃式发动机上进展迅速，出现了很多相关的新技术和专利，几种优秀的可变压缩比发动机也已经问世，如瑞典绅宝（SAAB）汽车公司于2000年开发的1.6L可变压缩比发动机SVC，压缩比可在8：1～14：1之间变化，其最大功率为168kW，达到了3.0LV6发动机的水平，最大扭矩为305N·m，COHC排放值平均可降低30%，百公里耗油为8.3L，性能很好。

法国的MCE-5Development公司开发的MCE-5可变压缩比发动机，压缩比可以从7：1～20：1无级地变化，压缩比控制的过程非常快，是一种一体化的发动机组,综合了功率传输和压缩比控制功能，采用了长寿命的齿轮和滚珠轴承系统导的活塞，燃烧热效率可以提高20%，燃油消耗可降低30%。

德国的FEV公司研发的1.8L可压缩比汽油机，压缩比可在8：1～16：之间进行调节，其扭矩达300N·m，功率达165kW升功率超过90kW/L，且相对于固定压缩比的原型车油耗降低了7.8%，也满足欧Ⅳ排放要求。

日本的日产公司于2005年研制的VCR发动机，压缩比可在8：1～14：1之间变化，在100km/h定速行驶时，其燃油消耗可降低13%，且在高压缩比时燃烧性能良好，即使在大量废气再循环的工况下燃烧性能仍然稳定。

我国对可变压缩比技术的研究起步较早，但由于种种原因尚没有理想的产品问世，国内对VCR发动机的研究基本还处在理论研究阶段。

很多相关的专利技术如四川王季高工的《内燃机智能燃烧室》、广东陈晨的《自适应可变压缩比发动机》、贵州罗兴祥的《充气式可变压缩比发动机》等都是我国在这领域的研究成就。

尤其值得一提的是王季先生于2002年提出并获得专利的内燃机智能燃烧室技术，其扩大和提高了可变压缩比的作用，获得了很好的应用效果。

3可变压缩比的实现方案
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：
a.通过改变气缸盖的结构来实现。

b.通过改变缸体结构来实现。

c.通过改变活塞及曲柄连杆机构来实现。

SVC发动机用的而改变压缩比。

Ford汽车公司和瑞典Lund技术学院在这方面的研究比较领先。

这种结构已经在两气门发动机上实现了，不过在多气门气缸盖上实现起来还需要做进一步的研究。

方案3利用具有特殊结构且压缩高度可变的活塞来改变燃烧室容积进而改变压缩比。

应用比较成功的是由英国内燃机研究协会研发的BICERA可变压缩比活塞，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。

Daimler-Benz公司的VCR发动机也采用这种可变活塞高度设计。

方案4利用一个偏心的曲柄销或一根长度可变的连杆通过改变活塞高度来改变燃烧室容积进而改变压缩比。

Gomecsys公司研发的VCR发动机就这种设计。

方案5的曲轴支承在一个偏心器上，利用特定手段使偏心器旋转一个角度，就能改变曲轴在竖直方向上的位置，进而使活塞沿气缸中心线移动，燃烧室容积随之改变，这样也实现了改变压缩比。

方案6的曲轴也支承在一个偏心器上，与方案5不同的是，它借助于齿条推动的传力方式而不是偏心器使曲轴移位进而
改变压缩比。

法国MCE-5可变压缩比发动机就是这种方案的成功实例。

方案7、方案8、方案9都是借助于多连杆方式并且加设一根操纵杆而实现可变压缩比的，这类方案比较有代表性的设计为日产研发的可变压缩比发动机。

除了绅宝公司的SVC发动机，当今成熟的有代表性的可变压缩比发动机基本都是通过改变活塞及曲柄连杆机构的设计来实现的，像德国FEV公司的曲轴偏心移位技术、法国MCE-5可变压缩比发动机使用的滚子导向活塞技术、日本日产公司的多连杆系统VCR发动机、英国内燃机研究协会的可变活塞高度设计、Gomecsys公司的曲柄销移位设计等都是这种方案成功的例子。

值得一提的是，各种设计方案都有其独到的优点，可以综合以上各种方案博采众长来设计理想的具有竞争力的VCR发动机。

4可变压缩比的优点
a.提高了发动机的热效率，大程度上改善了发动机的燃油经济性。

这是可变压缩比技术对发动机最大的好处。

采用VCR后，无论是何种工况，发动机总在爆震限制条件下工作，获得最佳热效率。

b.有利于降低排放。

发动机的有害排放很大一部分是在冷启动和暖机阶生，而废气催化转换器的工作温度为400℃，VCR可以缩短在催化转换，以降低此阶段的排放。

c.具有良好的燃料适应性。

因为VCR发动机总是以最适合于所用燃料的压缩比工作，这使发动机在所用燃料种类如标号的选取方面非常灵活，增强了发动机的灵活机动性。

如果VCR发动机选用辛烷值更大的燃料工作，这种优点尤为突出。

d.相同输出功率的情况下结构可以更紧凑，达到小排量大功率、大扭矩e.兼顾部分负荷时的燃油经济性和大负荷时的动力性，改善发动机低速动力性能的同时还避免了燃烧过程中的爆震风险，使发动机的动力性、
经济性和排放性得到了较好的统一。

f.一定程度上能提高运行稳定性，降低噪声。

可变压缩比技术使发动机在冷机怠速和全负荷工作时都能平稳地运行，通过提高压缩比还可抵消高EGR率给发动机运行带来的负面效应。

5存在的问题
a.VCR发动机一般都结构复杂，通常需要对发动机结构进行大幅改变，有时加工困难。

如何简化机构以在有限的空间里实现理想的效果是需解决的一个问题。

b.那些新增的控制及辅助机构等可活动零部件导致了振动、摩擦损失和磨损的增加，也使发动机质量增加，这些大质量体的移动需要耗费很大一部分能量。

c.适时准确地改变发动机的压缩比，需要相应的高精度控制设备，匹配难度大。

d.密封性问题。

当压缩比过高时，漏气会耗损发动机的动力，并导致发动机机体等零部件的故障。

若过多的混合气漏入曲轴箱内，会引起润油的变质。

e.研发及制造成本高。

6展望
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。

min和900r/min时随排气背压增大，油耗敏感度逐渐增加。

而在400r/min时，随排气背压增大，油耗敏感度逐渐减小。

扭矩对排气背压的变化相对不敏感。

排气温度对排气背压的变化相对较明显，且随转速的变化呈不规则变化趋势。

在1900r/min时随排气背压增大，排气温度敏感度曲线呈递减趋势。

而在1400r/min时，随排气背压增大，烟度敏感度曲线为先减后增趋势。

在900r/min时随排气背压增大，排气温度敏感度曲线呈递增趋势。

3.3柴油机性能对排气背压敏感性排序柴油机性能对排气背压敏感性。

7结束语
通过改变不同排气背压对柴油机性能影响的实验研究，得出以下结论：b.VCR技术使未来发动机趋向于小型化、节能环保且能提供强大的动力。

c.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。

如现有的排气后理系统、可变气门正时系统、变速器等均可照常使用，而不需去重新开发。

d.未来的VCR发动机应与先进的电子控制系统相配合，以尽可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。

e.应加大可变压缩比技术研发投入，结合VVT、GDI、HCCI、涡轮增、稀薄燃烧等新技术来改善和提高发动机的综合性能。

可变压缩比技术可以使发动机在整个转速和负荷范围内获得良好的性能，对于降低发动机油耗、降低废气排放及提高动力性能都有很大的潜力，可以在小型机上获得强大的动力，而且其燃料适应性强。

节能环保的要求越来越严格,当解决了相应的技术问题、结构问题和成本问题后，作为能同时获得较好的动力性、经济性和排放性的可变压缩比技术必将会得到越来越广泛的应用。

参考文献
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