「精华篇」可变压缩比你听说过么?别车子来了你说不会修!

飞哥说:众所周知,在长时间连续使用情况下,变频空调要比定频空调更加省电。发动机也是如此,通过根据不同工况实时改变压缩比(点击即可了解)就能够增加燃油效率,保证动力的同时又能降低油耗。

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那么,发动机可变压缩比技术到底是什么原理呢?

发动机的压缩比越高,其热效率越高,即消耗相同的燃料能够产生更大的动力。

目前主流发动机的热效率接近40%,部分用于混合动力车型的发动机由于采用了米勒循环工作模式,热效率已经超过了40%。为了进一步提升热效率,各大汽车厂商都在提升压缩比的道路上下功夫。

马自达第二代创驰蓝天自然吸气发动机把压缩比提升至18:1(已经接近柴油机的压缩比),要达成的热效率为50%。

然而,这个50%的热效率并不是在所有工况下都能达到,在高转速工况下,这么高的压缩比会使得发动机气缸温度过高,爆震问题将会一发不可收拾。为了让发动机在全工况(各种转速和负荷)下都能有最合适的压缩比(尽可能高又能避免因爆震导致的平顺性下降),可变压缩比技术应运而生。

什么是发动机压缩比?

压缩比(点击即可了解)是发动机的一个几何参数,压缩前的气缸总容积与压缩后的气缸容积(即燃烧室容积)之比(注:本文仅讨论活塞式发动机的压缩比,转子或其他形式的发动机不在本文讨论范围)。

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现在的量产发动机如何实现压缩比的改变?

在可变气门正时系统(点击即可了解)普及之前,工程师只能通过改变发动机的几何结构。最为常见的做法就是改变连杆长度或者改变活塞顶形状来达到改变压缩比的目的。

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然而,通过可变气门正时机构延迟关闭进气门这种方法只能单方向实现压缩比的缩小。而且由于延迟关闭进气门,气缸吸入气体的量减小了,相当于缩小了发动机的排量,削弱了发动机的动力输出。对于主要应用于中低负荷工况的米勒循环或者有电机辅助的混合动力系统来说,排量的缩小可以节省油耗,有一定的益处。

但对于追求高性能的发动机而言,改变压缩比导致排量缩小导致性能下降是无法让客户接受的。所以,能够动态改变发动机几何结构的可变压缩比技术便有应运而生了。

为什么要根据不同工况改变发动机压缩比?

可变压缩比技术发动机的开发初衷是为了提高增压发动机燃油经济性的。对于涡轮增压发动机而言,在发动机转速较低时,废气流量和脉冲强度无法有效地推动涡轮提速,导致增压压力偏低,使得发动机扭矩输出和燃油经济性未如理想。

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此外,利用爆震传感器(点击即可了解)侦测发动机爆震状态,提高或降低发动机压缩比,能够轻易实现发动机对不同标号汽油的自适应。

● 各厂商是怎样改变发动机压缩比的?

■ 萨博SVC可变压缩比技术

在上世纪80年代末,萨博开始研发可变压缩比技术,并在1990年取得相关的专利。萨博把其研发的可变压缩比技术称之为“Saab Variable Compression”,简称“SVC”。

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为理解萨博SVC发动机的工作原理,我们可以把SVC发动机分为两部分,其中一部分为缸盖(点击即可了解)和缸筒,另一部分为曲轴、活塞、连杆(点击即可了解)等部件,两部分通过橡胶密封件连接,可以一定程度上实现相对运动。

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为实现缸筒的有限度运动,必须为缸筒设计一套独立的冷却系统(点击即可了解),这就导致系统结构变得复杂起来。此外,萨博SVC发动机相互运动的两部分采用橡胶密封件连接,高温以及反复受力使密封件耐久性受到极大的考验。或许这也是萨博SVC发动机无法实现量产的原因。

■ 日产VCR可变压缩比技术

2005年2月,日产发布了其可变压缩比技术,该技术被称为“Variable Compression Ratio”,简称“VCR”。日产VCR发动机采用了曲柄销杠杆来实现压缩比的改变。

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日产利用计算机仿真技术,让活塞配气相位(点击即可了解)在上止点附近(加速)和下止点附近(减速)运动速度变化快慢一致,活塞速度变化接近正弦曲线,从而有效减少发动机的二阶振动,提升发动机的平顺性。为降低摩擦,日产VCR发动机当活塞处于上止点附近时,连杆大致保持垂直状态。这样在做功行程初期,点燃混合气产生的冲击力不会使活塞产生较大的向气缸壁挤压的分力,降低活塞与气缸之间的摩擦达44%。

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可变压缩发动机工作透视图

标致雪铁龙集团VCRi可变压缩比技术

法国标致雪铁龙集团(PSA)在2009年3月的日内瓦车展上推出一款装载可变压缩比发动机的标致407车型。该车型搭载的发动机采用了PSA研发的VCRi可变压缩比技术,排量为1.5L,最大功率220马力,峰值扭矩420牛·米,压缩比可变范围为7:1至20:1,百公里综合油耗为6.7L,二氧化碳排放量为每公里158g。

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相比前面介绍的萨博SVC技术和日产VCR技术,法国标致雪铁龙集团的VCRi技术的压缩比可变范围更大,但由于特殊液压控制装置的存在,较大地增大了缸体的体积,不利于发动机小型化。VCRi技术的活塞和连杆是一体的,只作垂直方向运动,点燃混合气产生的冲击力不会使活塞产生较大的向气缸壁挤压的分力,降低活塞与气缸之间的摩擦,降低发动机内部运转阻力。

全文总结:

可变压缩比技术从几何结构上改变了发动机的压缩比,使得在不同工况下动态切换最合适的压缩比成为可能,实现了发动机性能和燃油经济性的提升。然而,通过改变发动机几何结构来改变压缩比,必然导致发动机结构复杂度的提升,随之而来的是可靠性下降、振动增大等亟待解决的工程问题。此外,由于可变压缩比发动机的结构更为复杂,未实现大批量生产,这也使得现在搭载该技术的发动机制造成本偏高。目前,有不少厂商已验证了可变压缩比技术的可行性,并进行着设计上的优化。随着技术的成熟和性能的优化,可变压缩比技术有着光明的前景。

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