發動機可變壓縮比實現方式簡述與一種連續可變壓縮比曲軸的設計

黃佳琦　肖合林

摘 要：當下各國的排放與油耗法規日益嚴苛，對發動機的熱效率提出了更高的要求，可變壓縮比技術可以根據發動機工況調節壓縮比，從而在不削弱動力性的前提下提升燃油經濟性，是當下發動機技術的重要發展方向。本文通過查閱大量的專利與論文，總結了現有的可變壓縮比技術，分析了各自的優缺點，隨后嘗試設計了一種用于實現連續可變壓縮比的曲柄長度可變的曲軸，該機構簡單緊湊，成本低，希望能為相關研究人員提供一定的參考。

關鍵詞：發動機 可變壓縮比 曲軸 熱效率

1 發動機可變壓縮比簡介

發動機的壓縮比指的是活塞位于下止點時的缸內總容積與燃燒室容積的比值，它表明了缸內混合氣被壓縮的程度。汽油發動機的壓縮比通常是8至12，而柴油機則是15至18[1]。以汽油機為例，根據理想熱力學定容循環的熱效率公式，壓縮比越大熱效率越高，熱效率高意味著燃油經濟性更好，或是同樣燃油消耗下能輸出更強的動力。然而，壓縮比并不能無限制地提高，因為汽油有著較為活躍的化學性質，壓縮比過大會導致缸內溫度與壓力過大，可能使汽油提前發生不可控制的爆燃，爆燃對活塞施加了向下的作用力，抑制活塞的上行，從而產生爆震，嚴重的情況下會導致不可逆轉的機械損壞[2]。

壓縮比的選擇應視發動機的工況而定，在小負荷下進氣量少，應采用較高的壓縮比使混合氣得到充分的壓縮，在高負荷下進氣量大且缸內溫度較高，為了避免發動機爆震，應采用較小的壓縮比[3]。但是傳統的內燃機受到機械結構的限制，壓縮比無法隨工況變化，因而通常會取一個折中的值。由此可見，若能實現可變壓縮比，發動機的性能與經濟性將會得到可觀的提升。

近十年全球排放與油耗法規日益嚴苛，對發動機的效率與經濟性提出了越來越高的要求，越來越多的企業與科研機構開始致力于研發先進的可變壓縮比技術（Variable Compression Ratio，VCR）。目前，已有不少車企量產了可以切換米勒循環與奧托循環的雙循環發動機，即利用可變氣門正時技術，在壓縮沖程初段保持進氣門開啟，排出一部分混合氣體，從而達到節省燃油的目的，同時也相當于改變了壓縮比[4]。但是這種技術只能單向改變壓縮比，且會削弱發動機的動力表現。當下的難點是如何實現發動機壓縮比的雙向多級或無級調節，在不削弱動力性的前提下改善其經濟性，同時相關調節機構應便于量產不能過于復雜。

2 可變壓縮比的實現方式

實現可變壓縮比的機械結構千奇百怪，但都無外乎對氣缸、活塞、連桿或曲軸這幾個關鍵部件進行改動。本節通過查閱現有的專利與論文，將可變壓縮比的實現方式總結為倆大類，每一類下又包括多種不同的形式。

2.1 改變氣缸蓋或活塞的高度

升降或旋轉氣缸蓋可以直接改變燃燒室的容積，從而改變壓縮比。這種方式中比較具有代表性的是瑞典薩博汽車于2000年發布的SVC技術，可以實現壓縮比在8至14之間變化。但這種形式需要在發動機運轉過程中移動氣缸蓋，缸蓋與缸體之間的密封比較困難，同時混合氣燃燒時的巨大爆發力也會對相關控制機構形成較大的沖擊，長期使用的可靠性難以保證。相對地，還可以通過升降曲軸來改變燃燒室容積，這和升降氣缸蓋的原理相同，但這種方法會在行駛中改變輸出軸的位置，后方的變速箱等傳動機構難以作出對應的匹配，因此一般不考慮。

相對上述的移動氣缸蓋，在缸蓋部分加一個可調容積的副燃燒室更容易實施，例如在缸蓋頂部加工一個小空腔，空腔內設置活塞，通過活塞的移動來控制空腔的容積，由于空腔與主燃燒室之間連通，故移動活塞就改變了燃燒室的總容積。此方法看似合理，但在實際設計時由于燃燒室被分為兩部分且副燃燒室需要設計成方便活塞移動的形狀，因而難以得到合理的燃燒室幾何，容易導致排氣不暢、傳熱損失加劇等副作用。

活塞頭部如果設計成可伸縮式即活塞銷至活塞頂部的高度可變，則也能直接改變燃燒室容積，調節方式包括液壓調節與壓力自適應調節兩種。本田于2009年發布的可變壓縮比技術正是采用了這種方案，通過液壓驅動可調整活塞高度變化3.5 mm，壓縮比可在9.6與14.2之間變化。這種方案的缺點主要是大大增加了活塞的質量，不易于實現高速運轉[5]。

2.2 改變連桿或曲柄的長度

采用伸縮式的連桿或者曲柄可以改變活塞運動到上止點時的高度，從而改變壓縮比。有不少的相關專利使用了這種方案，但并沒有哪家企業制造出相關樣機。原因在于連桿和曲柄都是高速運動的部件，連桿來回左右擺動而曲柄繞主軸轉動，在這兩個部分加上復雜的調節機構不僅會增大質量，還難以保證桿件的剛性和強度，導致該方案非常不利于發動機高速或高負荷運轉。

相比伸縮式機構，通過偏心軸套間接調節連桿或曲柄的長度在桿件強度上是容易保證的。偏心軸套可以添加在活塞銷、連桿小頭、連桿大頭、連桿軸頸或者主軸頸上。這種方案看似結構簡單緊湊，實際實施時驅動偏心軸套的機構同樣較為復雜，可以參考FEV公司推出的VCR機構。該機構在連桿小頭處設置了偏心軸套，軸套的驅動機構包含了設置在連桿體上的兩個液壓缸與相應的推拉桿件和連接鉸鏈。

最后一種方法是采用杠桿原理在活塞與曲軸之間設計一組可調節的桿件，從而間接改變連桿或曲柄的長度，這種方法實際實施的可行性較好。日產推出的可變壓縮比方案，應用在VC-Turbo系列發動機上，已率先搭載在英菲尼迪QX50上實現了量產，這也使其成為了第一家將無級可變壓縮比技術大規模量產裝車的企業。該機構在曲軸與連桿之間添加了一個特制的三角連桿，該部件嵌套在連桿軸頸上，一端與連桿小頭相連，一端與控制機構相連，可以實現壓縮比從8至14的無級調節，同時通過改變了連桿的運動軌跡，還降低了活塞所受的側向力。法國MCE-5公司推出的VCRi技術也是杠桿原理改變壓縮比的典型案例[6-7]。該技術將活塞與連桿制成一體，連桿與曲軸之間有一個異形杠桿，杠桿中間通過桿件與曲軸相連，杠桿兩側設置有齒條，分別與連桿和驅動機構上的齒槽嚙合。該方案可實現壓縮比在7至20之間變化，同時消除了活塞與氣缸壁之間的擠壓作用力，但這種機構大大增大了缸體的體積，也削弱了發動機的動力輸出，因而并未大規模量產裝車。91A7606E-3692-442D-AA1F-1FBAECFA7D1B

3 一種用于實現連續可變壓縮比的曲軸

本節我們將設計一種新型的曲柄長度可無級調節的曲軸，用于實現發動機連續可變壓縮比，從而在各種不同工況下獲得最佳的壓縮比，達到提升發動機熱效率降低油耗與排放的目的，希望可以為相關研究人員提供一定的參考。

3.1 結構組成

本文設計的連續可變壓縮比機構本質上是為了實現連桿軸頸的上下位移，從而改變曲柄的長度。如圖1所示，該機構由曲柄外殼、齒條、連桿軸頸蝸輪、蝸桿、蝸桿驅動電機以及平衡重六大部分組成，相比傳統的一體式曲軸，該機構將曲柄與平衡重分離開來，齒條、連桿軸頸蝸輪與蝸桿一起組成了調節機構，并設置在曲柄內部。曲柄外殼與平衡重通過螺栓連接，曲柄外殼兩側的螺栓孔加工有凸臺與平衡重上的凹槽相配合實現定位。平衡重頂面與曲柄外殼內側均設置有固定齒條與蝸桿的定位孔，齒條通過一個定位單鍵實現周向定位，避免傳動過程中發生自身旋轉。蝸輪加工在連桿軸頸兩端，且兩側分別與齒條和蝸桿嚙合傳動。平衡重上設置有安放蝸桿驅動電機的槽，電機輸出端與蝸桿無螺紋的一側機械連接。平衡重頂面和曲柄外殼內側均加工有弧形槽實現蝸輪上下運動的限位。曲柄外殼內側設置有導向槽與蝸輪兩側的凸臺配合對蝸輪的運動起到導向作用，同時減輕了齒條與蝸桿所受的沖擊力?？梢园l現，整套調節機構均設置在曲柄外殼內，結構簡單緊湊，不會增大發動機的體積，也不需要改動除曲軸外的其他部件，從而降低了設計成本。

3.2 工作原理

上述連續可變壓縮比機構的工作原理是由電機驅動蝸桿轉動，進而帶動蝸輪沿齒條上下移動，由于蝸輪蝸桿反向傳動的自鎖特性，可以有效防止整套機構在連桿力的作用下發生運動。蝸輪加工在連桿軸頸兩端，兩側電機同步驅動即可使連桿軸頸沿曲軸徑向移動，改變了曲柄的長度，進而改變了活塞位于下止點時的氣缸總容積以及活塞位于上止點時的燃燒室容積，壓縮比也隨之變化，壓縮比的變化范圍由蝸輪上下運動的距離決定。如圖2所示，左側為蝸輪運動到最下端時的狀態，此時活塞處于下止點時的缸內總容積最小，燃燒室容積最大，壓縮比取到最小值，右側為蝸輪運動到最上端時的狀態，此時氣缸總容積最大，燃燒室容積最小，壓縮比取到最大值，壓縮比可在最小值與最大值之間無級變化，從而適應各種不同的發動機工況，提高了熱效率，充分發揮了發動機的動力性與經濟性。各驅動電機應以串聯形式接入電路，保證其中一個電機故障時其他電機都能及時停止運轉，避免出現運動干涉或異常的振動。

4 結論

本文總結了現有的發動機可變壓縮比技術，在此基礎上嘗試設計了一種全新的連續可變壓縮比機構，詳細介紹了該機構的組成結構與工作原理，得到的主要結論如下：

（1）現有的可變壓縮比技術可概括為兩大類：改變氣缸蓋或活塞的高度以及改變連桿或曲柄的長度。前者的具體實現方式包含了升降或旋轉氣缸蓋、升降曲軸、可調容積的副燃燒室和伸縮式活塞;后者包含了伸縮式連桿或曲柄、偏心軸套以及利用杠桿原理的多連桿機構。

（2）設計了一種曲柄長度可變的曲軸，可以在較大范圍內實現發動機壓縮比的無級調節，從而適應各種不同的工況。該曲軸的壓縮比調節機構設置在曲柄內部，結構簡單緊湊，工作可靠，不會增大發動機的體積，也不需要改動除曲軸外的其他部件，降低了設計成本。

本文得到了中國國家自然科學基金會No.21377101的資金支持。

參考文獻：

[1]胡曉峰. 汽油機可變壓縮比技術研究現狀分析[J]. 內燃機與配件，2019，3（12）：26～27.

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[3]李玉柱. 探析汽油機可變壓縮比技術研究現狀 [J]. 時代農機，2020，47（4）：94～97.

[4]牛釗文，周斌，等. 可變壓縮比技術的研究與展望 [J]. 內燃機，2010，8（4）：44～49.

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[7]王藝穎. 一種新型可變壓縮比發動機機構的結構設計 [J]. 河南科技，2017，2（2）：53～54.91A7606E-3692-442D-AA1F-1FBAECFA7D1B