變缸體、缸蓋、活塞還是曲柄連桿?可變壓縮比的幾種實現方式

發動機壓縮比是指活塞處於下止點時汽缸的容積與處於上止點時的容積之比,它反映發動機混合氣被壓縮的程度。目前一般汽油機的壓縮比多在9-12,柴油機在17-22,當然目前先進汽油機壓縮比已經取得較大突破,豐田Dynamic Force Engine混動發動機壓縮比高達14:1,馬自達的Skyactive-X SPCCI壓燃發動機壓縮比甚至已經提升到18:1。

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壓縮比定義

一般傳統發動機是根據全負荷時的條件狀態來決定最大的壓縮比,因為汽油發動機在全負荷時最容易發生爆震現象。根據熱力學第二定律,理論上壓縮比越大越好,因此在部分負荷工況壓縮比較小,發動機效率得不到充分發揮。為了解決這個矛盾,可變壓縮比技術應運而生,這項技術兼顧了發動機的動力性和燃油經濟性。

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發動機性能/效率與壓縮比關係

可變幾何壓縮比的實現方式

自20世紀70年代初以來,行業內就開始了可變壓縮比技術的開發,但是一直沒有量產應用,直到2018年,日產開始量產VC-turbo發動機,標誌著可變壓縮比技術正是進入規模量產階段。

可變壓縮比技術的基本思想是根據發動機負荷匹配相適應的壓縮比,改變發動機幾何壓縮比,就必須改變燃燒室的容積。雖然時至今日,世界上已經有了成百上千份可變壓縮比技術專利,都這些專利都是圍繞燃燒室組成部件(氣缸蓋、氣缸、活塞、曲柄連桿機構)來實現。

第一大類:不改變活塞行程,主要通過改變氣缸蓋或者氣缸體實現

舉例:

1、通過改變氣缸蓋位置實現燃燒室容積的改變,進而實現可變壓縮比。

2000年瑞典薩博發佈的SVC發動機,壓縮比可在8-14之間變化。分成上下兩個部分,上部汽缸蓋以及缸體,下部是曲軸箱油底殼。當需要改變壓縮比時,偏心凸輪轉動,通過連桿控制上部缸體圍繞曲軸箱上的支撐軸轉動,產生最大4°的傾斜。

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薩博可變壓縮比專利

2、通過改變氣缸體位置實現燃燒室容積的改變,進而實現可變壓縮比。

豐田2005年申請專利,設計思路與薩博SVC發動機類似,汽缸體與曲軸箱之間通過兩條偏向凸輪軸連接,當需要改變壓縮比時,電機控制偏心輪轉動,使汽缸體與曲軸箱產生出軸向的移動,從而改變壓縮比。但內燃機的爆發力會極大影響偏心凸輪軸的控制,機構複雜,所以只停留在研究階段。

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豐田可變壓縮比專利

以上兩種專利方案都有著明顯的缺陷,就是結構相當複雜,對零部件的可靠性提出了非常高的要求,而且氣缸體和氣缸蓋可以活動,對於發動機的密封性都提出了挑戰。

第二大類:改變活塞行程,主要通過活塞和曲柄連桿機構來實現

1、改變活塞,直接改變燃燒室容積

現代(Hyundai)就是是在汽缸蓋上增加一個帶可移動副活塞的可變腔,裡面有活塞,活塞能夠在腔內移動。當需要改變壓縮比時,電機控制蝸桿帶動偏心凸輪,凸輪轉動改變副活塞位置,使汽缸容積發生改變,從而改變壓縮比。

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2、改變連桿長度,來改變上、下止點的位置,改變燃燒室容積

德國FEV的2級可變壓縮比方案是在活塞銷外加一個偏心環,其通過兩個小型液壓油缸控制。當需要改變壓縮比時,活塞推動偏心環轉動,使連桿長度變化,從而改變壓縮比(從10:1到13:1)。由於油缸由連桿大頭供油控制,所以連桿更粗一點。這類方案對於整機的修改相對較少,所有系統都集成在連桿上,因此成本不會太高,預計增加在120-170美元,但目前還處在研究階段,根據FEV測算,採用此套方案,大概可以實現6%的節油效果。

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FEV兩級連桿方案

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在部分工況和滿載工況下,燃油消耗隨壓縮比的變化而變化

3、連桿支點位置可變,通過改變連桿運動結構而改變名義連桿長度尺寸,進而改變壓縮比。

法國MCE-5公司在2005年發佈的VCRi發動機,壓縮比可在7:1-20:1之間變化。它是通過槓桿原理,使活塞反向移動,來改變活塞上止點位置,從而改變燃燒室容積,改變變壓縮比。

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MCE-5公司VCRi方案

日產2018年推出的2.0T VC-TURBO發動機,壓縮比可在8-14之間連續調節。VC-T採用多連桿結構,在活塞與曲軸之間額外增加了一套曲柄裝置,由四根連桿組成,通過控制偏心軸改變連桿長度,實現壓縮比的無級變化。

變缸體、缸蓋、活塞還是曲柄連桿?可變壓縮比的幾種實現方式

變缸體、缸蓋、活塞還是曲柄連桿?可變壓縮比的幾種實現方式

日產VC-Turbo發動機方案

4、曲軸銷、活塞銷可變,通過改變銷所在的位置來改變連桿長度尺寸,實現可變壓縮比。

荷蘭Gomecsys公司1998年發明的goengine發動機,提出在連桿大頭裡面加一個偏心環,通過控制偏心環的轉動來改變活塞上止點的位置,從而改變壓縮比。

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變缸體、缸蓋、活塞還是曲柄連桿?可變壓縮比的幾種實現方式

變缸體、缸蓋、活塞還是曲柄連桿?可變壓縮比的幾種實現方式

荷蘭Gomecsys公司 goengine方案

可變壓縮比技術看似簡單的概念設計,具體到工程實踐上有著相當大的難度,真因為此,日產才需要20年磨一劍,可喜的是最終得以量產。由於增加了調節機構,尤其是改變活塞行程的方案直接聯繫到發動機的運動件,因此對調節機構的可靠性提出了非常大的挑戰。並且調節結構的控制邏輯、精準性都不是一般的企業可以做到的,另外就是增加的零部件需要增加較多的成本,也是需要重點關注的因素。


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