關(guān)于發(fā)動機可變壓縮比技術(shù)的分析

為了實現(xiàn)未來的CO2減排目標(biāo)，特別是針對在真實駕駛條件下的排放限值，必須要開發(fā)出技術(shù)全面的新一代動力傳動系統(tǒng)。除了目前汽車行業(yè)正在進行的電氣化開發(fā)之外，制造商還需要充分利用內(nèi)燃機的全部潛力進行性能優(yōu)化。

實現(xiàn)可變壓縮比是各汽車制造商多年來的目標(biāo)。在點火前，空氣和燃料的壓縮程度對發(fā)動機的整體效率有著至關(guān)重要的作用。因為壓縮比總是隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)速和負荷的變化而變化，因此要實現(xiàn)理想壓縮比是開發(fā)中的難題。

1可變壓縮比技術(shù)挽救熱效率

目前廣泛使用的一種方法是結(jié)合阿特金森循環(huán)，采用可變進氣門定時，將有效壓縮比與膨脹比分離。但隨著全球行駛里程標(biāo)準(zhǔn)的提升，正迫使所有制造商尋求另外的減少燃料消耗的方法。與其他優(yōu)化途徑不同的是，可變壓縮比(VCR)作為一個單獨的參數(shù)，特別是與米勒循環(huán)發(fā)動機相結(jié)合時，對改善燃油經(jīng)濟性具有極大的潛能。VCR系統(tǒng)已逐漸成為特定車輛類型的主流技術(shù)。

目前存在著多種可能的解決方案，例如英菲尼迪通過一套多連桿機構(gòu)（Multi-link）改變發(fā)動機壓縮比，由Saab生產(chǎn)的通過可移動的氣缸蓋和氣缸體實現(xiàn)可變壓縮比功能的發(fā)動機系統(tǒng)等。這些概念都需要開發(fā)一個全新的發(fā)動機架構(gòu)來實現(xiàn)。

然而，一種二級可變壓縮比系統(tǒng)（Dual Mode VCS）采用了不同的途徑。該系統(tǒng)集成在一個連桿中，連桿長度在兩個階段發(fā)生變化，從而達到理想壓縮比。此解決方案可以集成到現(xiàn)有的系列發(fā)動機產(chǎn)品中，而不需要對發(fā)動機架構(gòu)進行大量的更改。這意味著現(xiàn)有的裝配線不需要大規(guī)模的調(diào)整就可以使用，所以二級可變VCS系統(tǒng)成為針對大規(guī)模的CO2減排, 并能夠滿足成本效益的解決方案。

2簡單集成，無需開發(fā)發(fā)動機架構(gòu)

在二級可變VCS的開發(fā)初期，最重要的理念和優(yōu)勢就是可以簡單地集成到現(xiàn)有的發(fā)動機架構(gòu)中。這使得具有VCR技術(shù)和不能滿足VCR技術(shù)的系列發(fā)動機都能夠?qū)崿F(xiàn)可變壓縮比，這個開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)也是二級可變VCS將VCR技術(shù)集成到連桿的主要原因。二級可變VCS系統(tǒng)的二級伸縮桿在涉及到校準(zhǔn)和控制系統(tǒng)時是非常有效的。另外還能夠?qū)崿F(xiàn)多達6種不同壓縮比的變化，以確保在全球統(tǒng)一的輕型車排放測試規(guī)程（WLTP）中可以充分達到8%的CO2減排水平。

此外，該設(shè)計將允許車輛根據(jù)具體的駕駛周期和類別，“量身定制”具體的操作和切換策略。結(jié)合傳統(tǒng)的內(nèi)燃機提供完全模塊化的功能，發(fā)動機制造商可以使用現(xiàn)有生產(chǎn)線。

由于這種集中在連桿的設(shè)計增加了額外的質(zhì)量，不僅減少了振動質(zhì)量，噪聲、振動和平順性也獲得了改善，并且不需要再去更改活塞組結(jié)構(gòu)。在理想情況下，可變連桿的長度變化是通過非外加手段控制的，例如油壓變化。對于二級可變的VCS，開發(fā)目標(biāo)是需要實現(xiàn)快速響應(yīng)及盡可能地降低能源消耗，確?，F(xiàn)有系統(tǒng)可以覆蓋整個發(fā)動機的工況范圍。

3WLTC工況測試結(jié)果出色

為了評估二級可變VCS解決方案和完全可變壓縮比系統(tǒng)的可能性，對1款2.0 L TGD 發(fā)動機進行了WLTC工況測試。測試結(jié)果顯示了發(fā)動機性能表現(xiàn)分為兩個領(lǐng)域，即高壓縮比或低壓縮比區(qū)域。在低負荷/低轉(zhuǎn)速時必須利用高壓縮比達到最大CO2減少量。

在高負荷區(qū)域，采用低壓縮比來實現(xiàn)最大的車輛性能，從而避免爆燃狀況的發(fā)生。由于高轉(zhuǎn)速和低負荷的區(qū)域?qū)τ秃臎]有顯著影響，故采用了低壓縮比。從WLTC工況的測試結(jié)果可以得出，發(fā)動機在運行中有96.3%的時間是可以實現(xiàn)理想的高壓縮比。有3.7%的時間在其他工況條件下有不同的壓縮比。與英菲尼迪多連桿機構(gòu)方案相比，二級可變VCS帶來的潛力似乎更勝一籌。

4二級可變VCS技術(shù)

二級可變VCS的基本功能是靠1根可伸縮的連桿來完成的，其伸縮連桿可達到兩個極端的長度位置。從運動學(xué)的角度來看，連桿小端與大端是分開的，而這兩個部分都是通過過渡接頭連接的。為了實現(xiàn)兩個方向的長度變化，在發(fā)動機運行時，二級可變VCS系統(tǒng)能夠利用氣體和慣性力，在連桿小端對活塞進行作用。過渡接頭的平移運動正好有一個自由度, 如果合力為負，那么就縮短了連桿長度。

若合力為正，則連桿長度增加。自由度在兩個方向上都受到嚴(yán)格的機械限制。在長度變化過程中，機油油量被轉(zhuǎn)移到過渡接頭的上或下液壓室，可以看作是一個氣缸活塞系統(tǒng)。通過液壓閥系統(tǒng)內(nèi)的上下壓力腔，確保了連桿在正確的方向上進行移動。當(dāng)?shù)竭_末端位置時，閥門系統(tǒng)會在發(fā)動機循環(huán)的波動負荷下，以液壓的方式將連桿鎖住，從而保證了長度的變化限制。

由AVL和iwis 動力系統(tǒng)公司聯(lián)合開發(fā)的二級可變VCS，在整個負荷和速度范圍內(nèi)可以達到6 500 r/min的最高轉(zhuǎn)速。兩家公司在系統(tǒng)開發(fā)方面取得了顯著的進展，并計劃到2021年進行量產(chǎn)準(zhǔn)備。在目前的發(fā)展階段，還正在收集測試數(shù)據(jù)，不久后VCS發(fā)動機將會引入模塊化的生產(chǎn)量產(chǎn)。

下一步將專注于將二級可變VCS集成到具有高功率輸出，在單缸排量0.5 L的發(fā)動機中，這一目標(biāo)將是開發(fā)的主要設(shè)計路線。另外模塊化的集成方法還可以很容易地轉(zhuǎn)移到其他的發(fā)動機機型，比如單缸排量0.4 L的發(fā)動機?；谀壳暗脑O(shè)計，二級可變的VCS能夠?qū)崿F(xiàn)的單位CO2排放的成本收益比達到35美元~ 46美元。