可變壓縮比發動機發展現狀及展望

邊紹平+崔津+嚴索

摘 要：壓縮比是氣缸總容積與燃燒室容積的比值，是衡量發動機性能的重要參數，是影響發動機效率最重要的因素之一。一般來說，壓縮比越高，發動機的性能就越好。本文針對國內可變壓縮比（VCR）發動機專利技術發展趨勢以及不同的技術分支進行分析，最后對該領域做了展望。

關鍵詞：發動機；可變壓縮比；VCR

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.16.024

0 引言

嚴峻的能源形勢和日益嚴格的排放法規使傳統發動機，尤其是傳統的車用發動機面臨著嚴峻的生存挑戰。長期以來，既具備良好的動力性能又具備良好的燃油經濟性和排放性能是發動機所追求的目標，然而這些性能在一般的發動機上又沒法同時獲得。為了解決這個矛盾，一些新技術如可變技術應運而生，其中像可變氣門正時、可變氣門行程、可變進氣歧管、可變噴油及可變增壓等技術都為人熟知并已在許多車型上使用。可變壓縮比技術也是其中很有潛力的一種，能夠很好地改善發動機熱效率、燃油經濟性和排放性能。本文主要針對可變壓縮比發動機進行專利技術發展研究。

1 國內可變壓縮比發動機專利申請總體分析

關于發動機可變壓縮比技術的研究起步比較早，最主要的是在壓燃式發動機方面的研究，國內申請最早的是上海的李文華，國外最早的是美國的扎科布斯制造公司。2004年國內和國外申請量持平，在2004年之前偏差比較大，2005年至2006年國內和國外申請量的差距都是1，2007年國外在華申請量與國內申請量差距拉大，到了2008和2009年差距最大，從2010年開始差距開始縮小，到了2011年國內申請量首次超過國外在華申請量。總體上來說，不論國內還是國外或者是總數，都是起伏波動，其中國外申請在2008年達到頂峰，國內申請在2014年達到頂峰，而總量最多的是2013年的申請量為55件。

2 可變壓縮比主要技術發展路線

可變壓縮比發動機，由壓縮比的定義可知，要想使壓縮比有所變化，就必須從怎樣改變燃燒室容積和工作容積方面入手，發動機的燃燒室由活塞頂、氣缸體和汽缸蓋三部分組成，所以采取的手段是圍繞著這幾個方面進行。按照活塞的行程，可以分為改變活塞的行程和不改變活塞行程兩大類，其中不改變活塞行程又可以分為改變氣缸蓋結構和改變缸體結構。以下是圍繞主要分支和細分進行分析。

2.1 主要技術分支的發展

可變壓縮比發動機在國內發展的幾十年中，在1985-2002年這個階段，不改變活塞的行程占據優勢，從2003年起，改變活塞行程開始上升而不改變活塞行程則有所下降，到了2007年不改變活塞行程的比重重新占據有利地位，除了2012年，其余時間全部是不改變活塞行程的發動機處于高位發展事態，總體上來說，2012年和2008年總量處于高峰，2012年最多。

2.2 改變活塞行程的發展

改變活塞行程分支發展比較早。從整個發展歷程來看，國內的總的申請量波動起伏不定，在2008年和2012年達到高峰，2012年以后開始下降，國內和國外也是，在2003年時國內為零，而國外為16，自此以后的2004-2009年，國內和國外彼此間交互，2009-2012年間國內申請稍微占據優勢，2013年后國外申請量，國內優勢增加。

美國的扎科布斯公司在1986年提出在四沖程多缸內燃機中壓力釋放減速調整壓縮比（申請號CN86100053）。個人申請張友昂在1997年采用雙活塞的活塞組對壓縮比的調整進行改進（申請號CN97119462）。高校申請中的天津大學2007年則提出了采用偏心銷的方式對活塞的行程進行改變（申請號CN200710056795）。河南洛陽一拖于2005年提出對相鄰氣缸中心體進行改進（申請號CN200520030862）。國內個人申請王立華在2014年提出采取伸縮連桿的方式對活塞的行程進行改變（申請號CN201410260401）。個人申請梁榮光則在2014年提出在連桿上與偏心套之間采用自鎖的結構來改變發動機的壓縮比實現偏心套與連桿同步擺動（申請號CN201420537655）。

2.3 不改變活塞行程的發展

不改變活塞行程而變壓縮比手段在2006年之前國內和國外相差不大，從2006年到2010年國內外差距加大，國外的申請量高于國內申請量，特別是2009年差距最大，從2011年以后國內申請量開始超越國外申請量特別是2013年和2014年，國內申請量明顯處于優勢。

日本本田技研工業株式會社在1997年提出控制排氣通路開口面積，使燃燒室容積對應內燃機運轉狀況而增減燃燒室容積調整裝置（申請號CN97102489）。國內個人申請趙可軍在汽缸體部作了改進，在氣缸和氣缸的下腰部設置有進氣孔，進氣孔對應有進氣腔，外側設置進氣歧管以此來改變發動機的壓縮比（申請號CN200810143269）。高校申請中的浙江大學在2013年提出在汽缸蓋的頂部開口，再加一個輔助氣缸（申請號CN201310029296）。

3 國內可變壓縮比發動機領域發展建議

隨著發動機相關理論、微機技術、電子技術、結構優化設計等技術的飛速發展， 可變壓縮比技術會越來越多地應用在發動機上，它可使發動機的各項性能在各工況變化范圍內得到優化。

（1）VCR技術使未來的發動機趨向于小型化、節能環保且能提供強大的動力。

（2）未來的VCR發動機應具有與現有發動機之間的互換性，以推動量產。如現有的排氣后處理系統、可變氣門正時系統、變速器等均可照常使用，而不需去重新開發。

（3）未來的VCR發動機應與先進的電子控制系統相配合，以盡可能精確地連續調節壓縮比，使其滿足不同的工況和使用要求，獲得更高的效率。

（4）應加大可變壓縮比技術研發投入，結合VVT、GDI、HCCI、渦輪增壓、稀薄燃燒等新技術來改善和提高發動機的綜合性能。

參考文獻：

[1]崔彪，常思勤，李子非.發動機可變壓縮比技術的討論[J].內燃機，2011（04）：28-32.

[2]歐陽林等.可變燃燒室活塞設計及其動力學特性[J].內燃機工程，2014（03）：69-74.