关于发动机可变压缩比技术的分析

为了实现未来的CO2减排目标，特别是针对在真实驾驶条件下的排放限值，必须要开发出技术全面的新一代动力传动系统。除了目前汽车行业正在进行的电气化开发之外，制造商还需要充分利用内燃机的全部潜力进行性能优化。

实现可变压缩比是各汽车制造商多年来的目标。在点火前，空气和燃料的压缩程度对发动机的整体效率有着至关重要的作用。因为压缩比总是随着发动机转速和负荷的变化而变化，因此要实现理想压缩比是开发中的难题。

 

1 可变压缩比技术挽救热效率

目前广泛使用的一种方法是结合阿特金森循环，采用可变进气门定时，将有效压缩比与膨胀比分离。但随着全球行驶里程标准的提升，正迫使所有制造商寻求另外的减少燃料消耗的方法。与其他优化途径不同的是，可变压缩比(VCR)作为一个单独的参数，特别是与米勒循环发动机相结合时，对改善燃油经济性具有极大的潜能。VCR系统已逐渐成为特定车辆类型的主流技术。

 

目前存在着多种可能的解决方案，例如英菲尼迪通过一套多连杆机构（Multi-link）改变发动机压缩比，由Saab生产的通过可移动的气缸盖和气缸体实现可变压缩比功能的发动机系统等。这些概念都需要开发一个全新的发动机架构来实现。

然而，一种二级可变压缩比系统（Dual Mode VCS）采用了不同的途径。该系统集成在一个连杆中，连杆长度在两个阶段发生变化，从而达到理想压缩比。此解决方案可以集成到现有的系列发动机产品中，而不需要对发动机架构进行大量的更改。这意味着现有的装配线不需要大规模的调整就可以使用，所以二级可变VCS系统成为针对大规模的CO2减排, 并能够满足成本效益的解决方案。

2 简单集成，无需开发发动机架构

在二级可变VCS的开发初期，最重要的理念和优势就是可以简单地集成到现有的发动机架构中。这使得具有VCR技术和不能满足VCR技术的系列发动机都能够实现可变压缩比，这个开发标准也是二级可变VCS将VCR技术集成到连杆的主要原因。二级可变VCS系统的二级伸缩杆在涉及到校准和控制系统时是非常有效的。另外还能够实现多达6种不同压缩比的变化，以确保在全球统一的轻型车排放测试规程（WLTP）中可以充分达到8%的CO2减排水平。

此外，该设计将允许车辆根据具体的驾驶周期和类别，“量身定制”具体的操作和切换策略。结合传统的内燃机提供完全模块化的功能，发动机制造商可以使用现有生产线。

由于这种集中在连杆的设计增加了额外的质量，不仅减少了振动质量，噪声、振动和平顺性也获得了改善，并且不需要再去更改活塞组结构。在理想情况下，可变连杆的长度变化是通过非外加手段控制的，例如油压变化。对于二级可变的VCS，开发目标是需要实现快速响应及尽可能地降低能源消耗，确保现有系统可以覆盖整个发动机的工况范围。

3 WLTC工况测试结果出色

为了评估二级可变VCS解决方案和完全可变压缩比系统的可能性，对1款2.0 L TGD 发动机进行了WLTC工况测试。测试结果显示了发动机性能表现分为两个领域，即高压缩比或低压缩比区域。在低负荷/低转速时必须利用高压缩比达到最大CO2减少量。

在高负荷区域，采用低压缩比来实现最大的车辆性能，从而避免爆燃状况的发生。由于高转速和低负荷的区域对油耗没有显著影响，故采用了低压缩比。从WLTC工况的测试结果可以得出，发动机在运行中有96.3%的时间是可以实现理想的高压缩比。有3.7%的时间在其他工况条件下有不同的压缩比。与英菲尼迪多连杆机构方案相比，二级可变VCS带来的潜力似乎更胜一筹。

 

4 二级可变VCS技术

二级可变VCS的基本功能是靠1根可伸缩的连杆来完成的，其伸缩连杆可达到两个极端的长度位置。从运动学的角度来看，连杆小端与大端是分开的，而这两个部分都是通过过渡接头连接的。为了实现两个方向的长度变化，在发动机运行时，二级可变VCS系统能够利用气体和惯性力，在连杆小端对活塞进行作用。过渡接头的平移运动正好有一个自由度, 如果合力为负，那么就缩短了连杆长度。

若合力为正，则连杆长度增加。自由度在两个方向上都受到严格的机械限制。在长度变化过程中，机油油量被转移到过渡接头的上或下液压室，可以看作是一个气缸活塞系统。通过液压阀系统内的上下压力腔，确保了连杆在正确的方向上进行移动。当到达末端位置时，阀门系统会在发动机循环的波动负荷下，以液压的方式将连杆锁住，从而保证了长度的变化限制。

由AVL和iwis 动力系统公司联合开发的二级可变VCS，在整个负荷和速度范围内可以达到6 500 r/min的最高转速。两家公司在系统开发方面取得了显著的进展，并计划到2021年进行量产准备。在目前的发展阶段，还正在收集测试数据，不久后VCS发动机将会引入模块化的生产量产。

下一步将专注于将二级可变VCS集成到具有高功率输出，在单缸排量0.5 L的发动机中，这一目标将是开发的主要设计路线。另外模块化的集成方法还可以很容易地转移到其他的发动机机型，比如单缸排量0.4 L的发动机。基于目前的设计，二级可变的VCS能够实现的单位CO2排放的成本收益比达到35美元~ 46美元。