浅谈VCR发动机结构及性能分析.docx

??

?

??

浅谈VCR发动机结构及性能分析

?

??

?

?

?

?

?

?

?

???

?

?

?

?

?

摘要

根据解决全球环境问题的观点，近年来，对乘用车发动机具有更好排放特性的要求正逐渐变的越来越严格。从那时起，CO2排放的减少变成了一个全球关心的问题，尤其是提升发动机热效率的要求每年都在强化。一般而言，汽车发动机的热效率可以通过提高压缩比得到改进，从而导致更低的燃油消耗率和更大的功率输出，然而，实际中发生在低速大负荷的爆震对压缩比的提高造成了挑战。如果发动机固定一个压缩比，在全负荷全转速范围内工作时，压缩比能提高到多少是受到发动机本身特性限制的，因此期望改变压缩比从而最优地匹配发动机工作条件，为此产生了可变压缩比技术。

可变压缩比（VariableCompressionRatio），简称VCR，是指可以在发动机运转过程中调整发动机压缩比的技术。可变压缩比技术随着负荷的变化调节压缩比，保证发动机从低负荷到高负荷整个工作范围内获得合适的压缩比。

相比于传统的带有固定压缩比的发动机，VCR发动机不存在低油耗和高性能之间的折中，颠覆了已建立的相关理论。此外，低压缩比模式可以和增压产生很强的协调效果，因此，可以说VCR发动机是一款可以根据顾客需求自动改变发动机特性的聪明的发动机。

关键字

汽车发动机、可变压缩比、结构分析、性能分析

引言

为了提高发动机的热效率，提高压缩比发动机理论上可以增加了发动机的热效率，降低了燃油消耗率。然而，提高压缩比会容易导致爆震和过高的缸内压力。因此，实际的发动机压缩比受最严厉的工作条件下的爆震限值和节气门全开时允许的缸内压力限值限制。另一方面，在部分负荷工作条件下，缸内燃烧温度和压力比较低，与爆震的发生和允许的缸压之间还有一些距离，此时，提高压缩比是可行的。据此，采用可变压缩比以便在每一个工况条件设置最优压缩比是可能的，这即可改进热效率还可提高输出功率。增压汽油发动机倾向于设置一个更低的压缩比，所以可变压缩比技术对工作在非增压区域的增压汽油机而言可以产生更高的效率。

1.结构分析

压缩比定义是压缩前气缸中气体的最大容积与压缩后的最小容积之比。换言之，压缩比等于气缸总容积与燃烧室容积之比。

想要更改压缩比，可以从更改燃烧室容积和更改气缸总容积两方面入手，实现压缩比可变有多种技术方案。主要典型的方案有气缸盖活动方式、曲轴偏心移位方式、多连杆方式、可变活塞高度方式等等。本文主要讨论多连杆方式的可变压缩比发动机，如图1所示。

图1

1-活塞，2-上连杆，3-下连杆，4-曲轴，5-控制连杆，6-偏心轴，7-下连杆螺栓，A-活塞销，B-上连杆销，C-曲柄销，D-控制连杆销，F-偏心轮；

连接到活塞销和曲柄销的连杆分别称为上连杆和下连杆。连接到控制点上的第三个连杆称为控制连杆。

活塞销和曲柄销通过上连杆和下连杆相连，只有当压缩比改变时，位于曲轴斜下方和曲柄销下行方向的控制轴才会相对于发动机体做旋转运动。控制轴有一个与发动机体支撑的主轴颈相分离的偏心轴颈。相对于发动机机体，控制轴的旋转会移动偏心轴颈中心，这意味着偏心轴颈的中心可以当做前述内容所讨论的控制节点。相应地，控制连杆的一端连接到偏心轴颈，另一端连接到随曲轴旋转而旋转或摆动的下连杆。下连杆的动作受曲柄销限制不能无规则旋转。

2.压缩比调节原理

在VCR系统中多连接机构的活塞销和曲柄销通过上连杆和下连杆进行连接。因此，通过改变这两个连杆的柔性连接角度，VCR系统可以改变上止点时的活塞位置，因而改变了压缩比。增大上连杆和下连杆之间的角度可以提高活塞位置产生高压缩比，而减小上下连杆之间的角度可以降低活塞位置产生低压缩比。下连杆的不同位置控制了其与上连杆的连接角度。

控制轴通过一个与多连杆曲轴旋转系统相分离的连杆连接到电子执行器上。执行器集成一个减速齿轮和一个电机。根据发动机工况，执行器可以维持或改变旋转角度，从而使维持或改变压缩比称为可能。

3.VCR发动机性能分析

3.1输出扭矩改善

高压缩比下的传统发动机，为了阻止爆震，高负荷下增压压力是受到限制的。推迟点火提前角度、混合气加浓燃烧是传统发动机中常用的阻止爆震的方法，但这种方法同时也降低了热效率、燃烧稳定性并同时增加了废气的排放温度。

在本VCR发动机中，在高负荷范围内设置更低的压缩比可以使扭矩增加10%或更多。

3.2排放性改善

和传统发动机一样，冷机工况下，发动机输出的排放物会更高，然而，在和传统发动机具有同样扭矩水平下工况下，VCR发动机允许设置一个更低的压缩比且带有更提前的点火提前角正时，这样膨胀行程时间将变长，缸内可以维持更高的温度。

最终，利用缸内的氧化反应，HC排放可以减半。另外，冷机情况下，既然未燃烧HC排放受燃烧室的面容比影响，在低压缩比期间，更低的活塞TDC位置减少