探析汽油機可變壓縮比技術研究現狀

李玉柱

（無錫商業職業技術學院，江蘇 無錫 214153）

當前我國在不斷的發展內燃機的新技術，主要的目的就是為了更好的滿足社會發展提出的很多嚴苛的排放和油耗法規，適應社會的進步。在不同的工況狀態中，內燃機會產生不同的熱效率，如果運用平衡的方法或者是折中的辦法，不能讓各工況滿足最優的狀態。所以，近些年來，對于先進的內燃機技術來說，都不能離開可變兩個字。其中產生最明顯的改善效果的就是可變壓縮比，同時其難度也屬于最高的。下面基于可變壓縮比的原理、實現結構角度進行闡述，并聯系起典型的方案，對于有關實現方式以及特點等進行詳盡的分析，望提供給未來的內燃機可變壓縮比技術的發展有價值的指導。

1 可壓縮比概況

壓縮比為活塞在下止點時的汽缸容積跟在上止點時的容積之比，能夠將氣體受壓縮程度進行反應。傳統的汽油機壓縮比通常是8～12，柴油機的壓縮比是15～18。根據汽油機理想的熱力學定容循環熱效率公式，如果空氣比熱容是恒定的，那么熱效率為壓縮比函數，如果具有越大的壓縮比，則會產生越高的熱效率。但是汽油具有非常活躍的化學性質，在缸內壓力過高，或者是具有較高的溫度情況下，混合氣能夠于不應被點燃的環境下，提前產生不可控制的燃燒，將均質燃燒狀態形成一定程度的破壞，而且對于處在上行的活塞形成下壓的沖擊力，形成“爆震”的問題，如果程度輕微，會導致振動，程度較重會損壞缸體活塞。

通常，基于全負荷的狀態時，傳統汽油機是具有較高的爆震幾率的。所以，按照全負荷狀態明確的最大壓縮比要適中，禁止過高。但是一些負荷是由于進氣節流的因素，降低實際壓縮比，進而對發動機的動力性能產生影響，不僅降低熱效率，而且將會消耗較多的燃油。但因為內部具有固定結構，而且幾何壓縮比同樣固定，所以選取的汽油機壓縮比屬于對很多可能產生工況的折中，這樣固定壓縮比不能確保汽油機能夠平穩的運行在所有的工況狀態中。最好的策略即為，小負荷以高壓縮比工作，高負荷、全負荷將壓縮比自動降低對工況進行適應，確保動力性、經濟性能夠一起兼顧起來，不讓發動機出現不良反應。所以，內燃機領域一直致力于研究先進的可變壓縮比技術。

可變壓縮比，為內燃機在運行期間的壓縮比可變。可變壓縮比的優勢明顯的優勢于固定壓縮比，即：可變壓縮比在所有的工況下，均可以于爆震限制狀態中正常的工作，促進熱效率提升；可以減少耗油量，進而產生更優的燃油經濟性；能夠有效的將冷啟動和暖機環節產生的有害排放量減少；具有緊湊的結構，小排量能夠獲得大功率，而且增強燃料適應性，對很多標號的燃料靈活的接受；維護設備平穩運行工作，減少噪聲等。綜上，可變壓縮比技術可以避免燃燒環節產生爆震的風險，讓內燃機具有更好的動力性以及排放性、經濟性。

2 雙循環下的可變壓縮比

通常，常規的四沖程汽油機壓縮比跟膨脹比可以劃等號，即為奧托循環的運轉方式。在19 世紀80年代，阿特金森（英國）提出一項連桿機構，相對繁瑣，做功沖程跟吸氣沖程相比明顯延長，所以相較于壓縮比而言，膨脹比更大，其為阿特金森循環的運轉方式。在20 世紀40 年代，師米勒（美國）又提出了米勒循環，屬于另一種膨脹比超過了壓縮比的實現手段。

當前發展的可變氣門正時技術，能夠做到互相的切換阿特金森/米勒循環與奧托循環，基于雙循環狀態中，活塞運行的上止點以及下止點均未產生改變，知識改變了氣體被壓縮的程度。阿特金森循環模式中，小負荷工作在結束了進氣沖程以后，延遲了關閉進氣門，在上行期間，活塞把一些吸進缸中的混合氣，在進氣管中吐回，關上了進氣門以后，被壓縮的混合氣比吸入的混合氣少，會相應降低壓縮比同時不改變膨脹比。如果是高負載，發動機將進氣延遲角減小回至奧托循環，此時正常的開啟和關閉進氣門、排氣門，在缸內進入大量混合氣，促進動力更多的輸出。此技術不會將發動機的幾何壓縮比進行更改，豐田的R 系列、馬自達的SKYACTIV 均運用此舉措實現熱效率的提升，屬于一種應用廣泛的方式。此技術僅可以達到單向改變壓縮比的目標，降低氣體吸入量，削弱發動機輸出動力，跟真正的幾何可變壓縮比存在明顯的距離。

3 可變幾何壓縮比

3.1 氣缸蓋位置可變

此類方案對于氣缸蓋的部位進行改變，調整燃燒室容積，達到可變壓縮比的目標。在2000 年時，瑞典薩博提出了SVC 發動機，壓縮比范圍是8～14，包括兩部分，一部分是汽缸蓋結合缸體鑄，另一部分是曲軸箱油底殼。如果有需要，會轉動偏心凸輪，連桿對于上部缸體進行控制，圍繞曲軸箱上支撐軸轉動，形成傾斜，將燃燒室容積改變壓縮比更改。但是冷卻潤滑系統相對復雜，上下連接處提出嚴格的密封性要求以及材料性能標準，并未驗證機構的可靠性，便隨通用收購被擱置。在2005 年時，豐田將偏向凸輪軸連接到汽缸體與曲軸箱間，電機可以對偏心輪轉動進行控制，讓汽缸體跟曲軸箱形成移動，進而對燃燒室容積進行改變，實現壓縮比的變化。但內燃機具有較大的爆發力，會對控制偏心凸輪軸形成一定程度的影響，因此留于研究的層面。

3.2 燃燒室容積可變

此方案對燃燒室容積進行直接的改變，達到可變壓縮比的調整。韓國現代把可移動副活塞的可變腔加設到汽缸蓋上。如果有需求，電機對蝸桿進行控制，帶動偏心凸輪的轉動將副活塞位置更改，這樣就會使得汽缸容積出現改變，最終將壓縮比調整。也可經火花塞、氣門位置或活塞頂面形狀的變化，將燃燒室容積進行更改，但是密封性問題需要注意，應該實施冷卻處理，使得在高溫高壓工況中平穩運行。

3.3 連桿長度可變

此方案是將連桿長度直接的調整，對上止點部位、下止點部位進行改變，達到壓縮比的變化目標。德國FEV 以及保時捷，通過在活塞銷外增添小型液壓油缸控制的偏心環的方式，如果有需要，則油缸將偏心環帶動轉動，改變連桿長度以及壓縮比。因為油缸是通過連桿大頭進行供油控制的，因此連桿更粗些。此舉措明顯減少整機的修改，連桿上面集中了全部系統，所以不會產生過多成本，正在不斷研究發展中。

3.4 連桿支點位置可變

此方式對連桿運動結構進行改變，促使調整名義連桿長度尺寸，將壓縮比進行改變。在2005 年時，法國MCE-5 提出VCRi 發動機，壓縮比改變范圍是7～20。此技術能夠將發動機的動力輸出降低，一旦缺少了電機輔助，容易產生低速扭矩不足的問題。在2016 年時，英菲尼迪QX50 搭載VC-T 發動機運用了雙噴射和雙循環技術，具有8～14 間的壓縮比。VC-T 以多連桿機構方式，把曲柄裝置加設在活塞、曲軸之間，經調節曲柄角度，對于連桿長度改變，達到無極變化壓縮比效果。因為減小了曲軸曲柄、連桿跟垂直方向夾角，所以也降低了活塞擺動幅度跟活塞同缸壁間的摩擦，進而促進耐久性的有效提升，并且也無需平衡軸，降低了發動機震動以及噪音。此舉措在不斷的檢驗中。

3.5 曲軸銷、活塞銷可變

此策略將銷的部位進行改變，實現名義連桿長度尺寸的調整，獲得可變壓縮比。荷蘭的Gomecsys將偏心環加入到連桿大頭里，如果有需要，進行偏心環轉動的控制，促使對上止點和下止點的改變，實現壓縮比的改變。

3.6 主軸位置可變

此舉措要將曲軸中心部位進行調整，把上止點和下止點位置進行調整，以此將壓縮比改變。FEV吧曲軸于偏心軸輪支撐，轉動偏心輪以后曲軸讓活塞轉動，實現上止點的改變。此模式會移動輸出軸，應用不便捷，因此并未得到良 好的應用成效。

4 結 語

所有的內燃機的前沿技術，主要目標就是將熱效率提升，同時將排放進行降低。通過研究以及不斷的改進可變壓縮比技術是推動各類發動機運行效率提升、增強運行質量水平的關鍵性策略。所以，未來應該更加大力投入力量進行研究分析，通過最低的能源消耗量，得到最大化的動力，以及降低排放量，提供給現代生產更多便捷性。