一種新型可變壓縮比發動機機構的結構設計

王藝穎 王耀弘

（1.重慶電子工程職業學院汽車工程學院，重慶 400074；2.重慶市計量質量檢測研究院，重慶 400074）

一種新型可變壓縮比發動機機構的結構設計

王藝穎1王耀弘2

（1.重慶電子工程職業學院汽車工程學院，重慶 400074；2.重慶市計量質量檢測研究院，重慶 400074）

針對發動機在部分工況燃油利用率不高的問題，提出一種可變壓縮比發動機機構。不拘泥于傳統的設計方案，通過液壓控制改變連桿長度實現發動機的壓縮比可變，為進一步的分析提供理論依據。

可變壓縮比；發動機；結構設計

內燃機因熱能利用率高、功率范圍廣、結構緊湊、高壽命等特點，在陸地、水上及軍事方面都得到了廣泛的應用。但隨著能源形勢越來越嚴峻，排放法規越來越嚴格，未來內燃機的發展將重于改善燃燒過程，提高機械效率，降低燃燒消耗率，改善排放性能。然而一般的內燃機無法同時滿足這三個性能。并且在冷啟動、怠速和部分符合工況時，發動機不能充分燃燒一直是待解決的問題［1］。其中，可變壓縮比技術具有改變發動機動力性和經濟性的發展潛力。

壓縮比是氣缸總容積和燃燒室的容積之比，是影響發動機功率、扭矩輸出的重要因素。提高壓縮比，能在增大功率和扭矩輸出的同時，使氣體更充分的燃燒，提高了燃燒效率和經濟性能。但如此可觀的技術卻難點重重。通常若要改變壓縮比，則需改變燃燒室容積或氣缸總容積，而這兩個參數在設計之初都已定好，一旦改變則要牽扯到整個發動機構造的改變，難度較大［2］。因此，如何將一個不可變動的結構變成可隨相應工況靈活變動，且對應的參數也隨需求變動，成為可變壓縮比運用在發動機上的目標。

1 可變壓縮比技術

實現可變壓縮比技術的方案，大體應符合以下幾點：①結構應當緊湊，安裝空間盡量小，質量輕量化；②燃燒室布置的形式不宜變動；③易于控制，可靠性高，壽命長；④生產成本低，便于大規模生產［3］。近年來，全球各大公司對可變壓縮比進行了許多研究，大致可將這些設計方案分為以下5種：方案1，氣缸蓋活動方式；方案2，偏心襯套方式；方案3，多連桿方式；方案4，可變活塞方式；方案5，燃燒室容積可變方式，如圖1所示。

圖1 可變壓縮比技術方案

1.1 氣缸蓋活動方式

以SAAB公司的SVC可變壓縮比發動機為例。該發動機的氣缸蓋可以繞著曲軸的轉動而動彈，在氣缸蓋和氣缸體之間有一組連接電子控制單元的搖臂，當改變搖臂的角度，便可改變氣缸蓋和氣缸體之間的距離，從而改變燃燒室，實現壓縮比的改變。

1.2 偏心襯套方式

其代表為FEV公司的雙級可變壓縮比發動機。此款發動機根據連桿長度的變化以及偏心連桿活塞銷懸架共同實現雙級可變壓縮比。在活塞連桿小頭端上安裝一個可以將活塞銷完全罩住的偏心套筒，通過套筒的旋轉，改變連桿長度，從而改變壓縮比［4］。

1.3 多連桿方式

即把連桿分為多個部分，通過改變連桿之間的夾角實現連桿長度的可變，從而改變壓縮比。其中最具代表性的就是日產VCR發動機，在連桿與控制軸之間連接有一個曲柄銷傳動部位擺動的杠桿，通過杠桿與副連桿之間的夾角變化，實現發動機連桿長度的可變［5］。

1.4 可變活塞方式

即通過改變活塞銷到活塞頂面的距離來實現燃燒室容積的變化，從而實現壓縮比的改變。包括液壓式活塞與壓力自適應式活塞2種。

1.5 燃燒室容積可變方式

即在氣缸內設置一個副活塞，通過該副活塞的往復運動實現燃燒室容積的可變，從而改變壓縮比。

2 可變壓縮比發動機機構結構設計

2.1 可變壓縮比發動機機構基本參數的選取

由于可變壓縮比發動機機構在汽油機和柴油機中都適用，因此本次設計以F1CE0481A*C系列柴油機的曲柄連桿作為改裝對象，利用其基本參數進行改裝設計。F1C系列發動機基本參數如表1所示。

表1 F1C系列發動機曲柄連桿機構參數

2.2 可變壓縮比發動機機構的結構設計

為能靈活處理發動機在不同工況下的燃油利用率，本次設計采用液壓活塞式結構，通過電液控制改變連桿長度以實現可變壓縮比，其結構如圖2所示。

本次設計將可變壓縮比發動機的連桿與曲柄銷集成一體，將曲軸分為兩端。連桿總成中的曲柄銷端稱為連桿大端，活塞環端稱為連桿小端。連桿大端由液壓導體和銷軸組成，連桿小端和桿身由帶連桿小頭的活塞桿和液壓缸組成。曲軸兩端內設有液壓油道，通過液壓導體與連桿內液壓缸形成液壓回路［6］。

圖2 可變壓縮比發動機曲柄連桿結構示意圖

可變壓縮比曲柄連桿機構的工作方式可分為2種工作模式，即增大壓縮比和減小壓縮比。當液壓油通過曲軸A端的液壓油道經液壓導體進入液壓油缸底腔，推動液壓缸活塞上移，活塞桿外伸，連桿變長，活塞上止點上移，壓縮比增大；當液壓油通過曲軸B端的液壓油道經液壓導體進入液壓油缸上腔，推動液壓缸活塞下移，連桿縮短，活塞上止點下移，壓縮比減小。壓縮比增大時，可提高發動機燃油經濟性，同時為防止爆燃，可根據實際工況減小壓縮比，提高發動機可靠性［7］。

3 結語

為提高發動機的燃油經濟性并降低其排放性，以改變壓縮比為設計原理，將F1CE0481A*C系列柴油機的曲柄連桿作為改裝對象，設計了一種新型可變壓縮比發動機機構，采用液壓活塞式的結構，通過電液控制改變連桿長度，實現壓縮比的靈活改變。為可變壓縮比發動機曲柄連桿機構的進一步分析提供了理論依據。

［1］阮見明.可變壓縮比活塞結構設計與試驗研究［D］.武漢：武漢理工大學，2011.

［2］杜慧起，尤明福.可變壓縮比技術對發動機性能影響的研究［J］．上海汽車，2009（11）：17-19．

［3］崔彪.發動機可變壓縮比技術方案研究［D］.南京：南京理工大學，2011.

［4］張中杰.可變技術在經濟型轎車發動機中的應用及前景［J］.汽車工程師，2013（5）：23-25.

［5］李去岐.解析M15甲醇汽油對發動機排放的影響［J］.中國化工貿易，2014（12）：235-235.

［6］王藝穎.一種可變連桿式VCR發動機結構設計與主要零部件動力學分析［D］.重慶：重慶交通大學，2016.

［7］李軍.一種可變連桿式VCR發動機連桿機構：中國，201310718157.3［P］.2014-03-26.

Structure Design of a Variable-connecting VCR Engine

Wang Yiying1Wang Yaohong2

（1.Automobile Engineering College，Chongqing College of Electronic Engineering，Chongqing 400074；2.Chongqing Bureau of Quality and Technology Supervision，Chongqing 400074）

In order to improve the fuel efficiency of the engine,this paper proposed a variable-connecting VCR En?gine.Design does not rigidly adhere to the tradition,variable compression ratio can be achieved by changing the length of connecting rod by hydraulic control,to provide theoretical basis for further analysis

variable compression ratio；engine；structure design

TM925

A

1003-5168（2017）02-0053-02

2017-01-09

重慶市質量技術監督局科技計劃項目（201610）。

王藝穎（1990-），女，碩士，研究方向：機械設計及理論，交通設備先進制造技術及應用研究。