全工況熱效率提升 可變壓縮比技術(shù)解析

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發(fā)動機的壓縮比越高，它的熱效率就越高，也就是說，它可以通過消耗相同的燃料來產(chǎn)生更多的動力。目前主流發(fā)動機的熱效率接近40%，部分混合動力汽車使用的發(fā)動機由于采用米勒循環(huán)工作模式，熱效率已經(jīng)超過40%。為了進一步提高熱效率，各大汽車廠商都在努力提高壓縮比。馬自達第二代創(chuàng)馳藍天自然吸氣發(fā)動機將壓縮比提高到18: 1，要達到的熱效率為50%。然而，這50%的熱效率不可能在所有工作條件下都達到。在高速工況下，如此高的壓縮比會導(dǎo)致發(fā)動機氣缸溫度過高，爆震問題會失控。為了使發(fā)動機在所有工況下都有最合適的壓縮比，可變壓縮比技術(shù)應(yīng)運而生。本文將為您揭秘可變壓縮比技術(shù)。

●發(fā)動機壓縮比是多少？

壓縮比是發(fā)動機的一個幾何參數(shù)，是壓縮前氣缸總?cè)莘e與壓縮后氣缸容積的比值。

●如何改變目前生產(chǎn)發(fā)動機的壓縮比？

在可變氣門正時系統(tǒng)普及之前，工程師只能改變發(fā)動機的幾何結(jié)構(gòu)。最常見的方法是改變連桿的長度或活塞頂?shù)男螤顏砀淖儔嚎s比。

然而，通過可變氣門正時機構(gòu)延遲關(guān)閉進氣門的方法只能在一個方向上降低壓縮比。此外，由于進氣門延遲關(guān)閉，氣缸吸入的氣體量減少，這相當(dāng)于減少了發(fā)動機的排量并削弱了發(fā)動機的動力輸出。對于米勒循環(huán)或有電機輔助的混合動力系統(tǒng)，排量的減少可以節(jié)省油耗，有一定的好處。但是對于追求高性能的發(fā)動機，客戶通過改變壓縮比來降低排量，降低性能是無法接受的。于是，可以動態(tài)改變發(fā)動機幾何結(jié)構(gòu)的可變壓縮比技術(shù)應(yīng)運而生。

●為什么要根據(jù)不同工況改變發(fā)動機壓縮比？

開發(fā)可變壓縮比技術(shù)發(fā)動機的初衷是為了提高增壓發(fā)動機的燃油經(jīng)濟性。對于渦輪增壓發(fā)動機來說，當(dāng)發(fā)動機轉(zhuǎn)速較低時，廢氣流量和脈沖強度不能有效推動渦輪加速，導(dǎo)致增壓壓力較低，使發(fā)動機扭矩輸出和燃油經(jīng)濟性不盡人意。

此外，利用爆震傳感器檢測發(fā)動機的爆震狀態(tài)，增加或降低發(fā)動機的壓縮比，可以輕松實現(xiàn)發(fā)動機對不同等級汽油的自適應(yīng)。

●制造商如何改變發(fā)動機壓縮比？

■薩博SVC可變壓縮比技術(shù)

20世紀（查成交價|參配|優(yōu)惠政策）80年代末，薩博開始研發(fā)可變壓縮比技術(shù)，并于1990年獲得相關(guān)專利。薩博開發(fā)的可變壓縮比技術(shù)被稱為“薩博可變壓縮”，簡稱“SVC”。

為了了解薩博SVC發(fā)動機的工作原理，我們可以把SVC發(fā)動機分為兩部分，一部分是缸蓋和缸筒，另一部分是曲軸、活塞、連桿等部件。兩部分通過橡膠密封件連接，在一定程度上可以實現(xiàn)相對運動。

為了實現(xiàn)氣缸的有限運動，必須為氣缸設(shè)計獨立的冷卻系統(tǒng)，導(dǎo)致系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜。此外，薩博SVC發(fā)動機的兩個運動部件由橡膠密封件連接，密封件的耐久性受到高溫和反復(fù)應(yīng)力的極大考驗?；蛟S這也是薩博SVC發(fā)動機無法實現(xiàn)量產(chǎn)的原因。

■日產(chǎn)VCR可變壓縮比技術(shù)

2021年2月，日產(chǎn)發(fā)布了可變壓縮比技術(shù)，簡稱“可變壓縮比”或“VCR”。日產(chǎn)VCR發(fā)動機采用曲柄銷杠桿改變壓縮比。

利用日產(chǎn)計算機仿真技術(shù)，活塞在上止點附近和下止點附近的速度變化一致，活塞的速度變化接近正弦曲線，從而有效降低了發(fā)動機的二階振動，提高了發(fā)動機的平順性。為了減少摩擦，日產(chǎn)VCR發(fā)動機活塞在上止點附近時，連桿大致垂直。這樣，在做功沖程的初始階段，點燃空燃混合氣產(chǎn)生的沖擊力不會使活塞產(chǎn)生較大的分力壓在氣缸壁上，活塞與氣缸之間的摩擦力將減少44%。

■標致雪鐵龍集團VCRi可變壓縮比技術(shù)

法國標致雪鐵龍集團在2021年3月的日內(nèi)瓦車展上推出了一款搭載可變壓縮比發(fā)動機的標致407（查成交價|參配|優(yōu)惠政策）。該車型發(fā)動機采用PSA開發(fā)的VCRi可變壓縮比技術(shù)，排量1.5L，最大功率220馬力，峰值扭矩420?！っ祝瑝嚎s比可變范圍7: 1至20: 1，百公里綜合油耗6.7L，每公里二氧化碳排放158克。

法國標致雪鐵龍集團的VCRi技術(shù)相比之前推出的薩博SVC技術(shù)和日產(chǎn)VCR技術(shù)，壓縮比的可變范圍更大。但由于專用液壓控制裝置的存在，氣缸體體積大大增加，不利于發(fā)動機小型化。VCRi技術(shù)的活塞和連桿是一體的，只在垂直方向運動。點燃混合氣產(chǎn)生的沖擊力不會使活塞產(chǎn)生較大的分力擠壓氣缸壁，減少活塞與氣缸之間的摩擦，降低發(fā)動機的內(nèi)部運行阻力。

全文摘要:

可變壓縮比技術(shù)以幾何方式改變發(fā)動機的壓縮比，使得在不同工況下動態(tài)切換最合適的壓縮比成為可能，提高了發(fā)動機性能和燃油經(jīng)濟性。然而，通過改變發(fā)動機的幾何結(jié)構(gòu)來改變壓縮比，必然會導(dǎo)致發(fā)動機結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性增加，隨之而來的就是可靠性下降、振動增大等工程問題。此外，由于可變壓縮比發(fā)動機的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，還沒有實現(xiàn)量產(chǎn)，這也使得搭載該技術(shù)的發(fā)動機制造成本較高。目前很多廠家已經(jīng)驗證了可變壓縮比技術(shù)的可行性，正在優(yōu)化設(shè)計。隨著技術(shù)的成熟和性能的優(yōu)化，可變壓縮比技術(shù)有著光明的前景。