一种新型可变压缩比发动机机构的结构设计

王艺颖 王耀弘

（1.重庆电子工程职业学院汽车工程学院，重庆 400074；2.重庆市计量质量检测研究院，重庆 400074）

一种新型可变压缩比发动机机构的结构设计

王艺颖1王耀弘2

（1.重庆电子工程职业学院汽车工程学院，重庆 400074；2.重庆市计量质量检测研究院，重庆 400074）

针对发动机在部分工况燃油利用率不高的问题，提出一种可变压缩比发动机机构。不拘泥于传统的设计方案，通过液压控制改变连杆长度实现发动机的压缩比可变，为进一步的分析提供理论依据。

可变压缩比；发动机；结构设计

内燃机因热能利用率高、功率范围广、结构紧凑、高寿命等特点，在陆地、水上及军事方面都得到了广泛的应用。但随着能源形势越来越严峻，排放法规越来越严格，未来内燃机的发展将重于改善燃烧过程，提高机械效率，降低燃烧消耗率，改善排放性能。然而一般的内燃机无法同时满足这三个性能。并且在冷启动、怠速和部分符合工况时，发动机不能充分燃烧一直是待解决的问题［1］。其中，可变压缩比技术具有改变发动机动力性和经济性的发展潜力。

压缩比是气缸总容积和燃烧室的容积之比，是影响发动机功率、扭矩输出的重要因素。提高压缩比，能在增大功率和扭矩输出的同时，使气体更充分的燃烧，提高了燃烧效率和经济性能。但如此可观的技术却难点重重。通常若要改变压缩比，则需改变燃烧室容积或气缸总容积，而这两个参数在设计之初都已定好，一旦改变则要牵扯到整个发动机构造的改变，难度较大［2］。因此，如何将一个不可变动的结构变成可随相应工况灵活变动，且对应的参数也随需求变动，成为可变压缩比运用在发动机上的目标。

1 可变压缩比技术

实现可变压缩比技术的方案，大体应符合以下几点：①结构应当紧凑，安装空间尽量小，质量轻量化；②燃烧室布置的形式不宜变动；③易于控制，可靠性高，寿命长；④生产成本低，便于大规模生产［3］。近年来，全球各大公司对可变压缩比进行了许多研究，大致可将这些设计方案分为以下5种：方案1，气缸盖活动方式；方案2，偏心衬套方式；方案3，多连杆方式；方案4，可变活塞方式；方案5，燃烧室容积可变方式，如图1所示。

图1 可变压缩比技术方案

1.1 气缸盖活动方式

以SAAB公司的SVC可变压缩比发动机为例。该发动机的气缸盖可以绕着曲轴的转动而动弹，在气缸盖和气缸体之间有一组连接电子控制单元的摇臂，当改变摇臂的角度，便可改变气缸盖和气缸体之间的距离，从而改变燃烧室，实现压缩比的改变。

1.2 偏心衬套方式

其代表为FEV公司的双级可变压缩比发动机。此款发动机根据连杆长度的变化以及偏心连杆活塞销悬架共同实现双级可变压缩比。在活塞连杆小头端上安装一个可以将活塞销完全罩住的偏心套筒，通过套筒的旋转，改变连杆长度，从而改变压缩比［4］。

1.3 多连杆方式

即把连杆分为多个部分，通过改变连杆之间的夹角实现连杆长度的可变，从而改变压缩比。其中最具代表性的就是日产VCR发动机，在连杆与控制轴之间连接有一个曲柄销传动部位摆动的杠杆，通过杠杆与副连杆之间的夹角变化，实现发动机连杆长度的可变［5］。

1.4 可变活塞方式

即通过改变活塞销到活塞顶面的距离来实现燃烧室容积的变化，从而实现压缩比的改变。包括液压式活塞与压力自适应式活塞2种。

1.5 燃烧室容积可变方式

即在气缸内设置一个副活塞，通过该副活塞的往复运动实现燃烧室容积的可变，从而改变压缩比。

2 可变压缩比发动机机构结构设计

2.1 可变压缩比发动机机构基本参数的选取

由于可变压缩比发动机机构在汽油机和柴油机中都适用，因此本次设计以F1CE0481A*C系列柴油机的曲柄连杆作为改装对象，利用其基本参数进行改装设计。F1C系列发动机基本参数如表1所示。

表1 F1C系列发动机曲柄连杆机构参数

2.2 可变压缩比发动机机构的结构设计

为能灵活处理发动机在不同工况下的燃油利用率，本次设计采用液压活塞式结构，通过电液控制改变连杆长度以实现可变压缩比，其结构如图2所示。

本次设计将可变压缩比发动机的连杆与曲柄销集成一体，将曲轴分为两端。连杆总成中的曲柄销端称为连杆大端，活塞环端称为连杆小端。连杆大端由液压导体和销轴组成，连杆小端和杆身由带连杆小头的活塞杆和液压缸组成。曲轴两端内设有液压油道，通过液压导体与连杆内液压缸形成液压回路［6］。

图2 可变压缩比发动机曲柄连杆结构示意图

可变压缩比曲柄连杆机构的工作方式可分为2种工作模式，即增大压缩比和减小压缩比。当液压油通过曲轴A端的液压油道经液压导体进入液压油缸底腔，推动液压缸活塞上移，活塞杆外伸，连杆变长，活塞上止点上移，压缩比增大；当液压油通过曲轴B端的液压油道经液压导体进入液压油缸上腔，推动液压缸活塞下移，连杆缩短，活塞上止点下移，压缩比减小。压缩比增大时，可提高发动机燃油经济性，同时为防止爆燃，可根据实际工况减小压缩比，提高发动机可靠性［7］。

3 结语

为提高发动机的燃油经济性并降低其排放性，以改变压缩比为设计原理，将F1CE0481A*C系列柴油机的曲柄连杆作为改装对象，设计了一种新型可变压缩比发动机机构，采用液压活塞式的结构，通过电液控制改变连杆长度，实现压缩比的灵活改变。为可变压缩比发动机曲柄连杆机构的进一步分析提供了理论依据。

［1］阮见明.可变压缩比活塞结构设计与试验研究［D］.武汉：武汉理工大学，2011.

［2］杜慧起，尤明福.可变压缩比技术对发动机性能影响的研究［J］．上海汽车，2009（11）：17-19．

［3］崔彪.发动机可变压缩比技术方案研究［D］.南京：南京理工大学，2011.

［4］张中杰.可变技术在经济型轿车发动机中的应用及前景［J］.汽车工程师，2013（5）：23-25.

［5］李去岐.解析M15甲醇汽油对发动机排放的影响［J］.中国化工贸易，2014（12）：235-235.

［6］王艺颖.一种可变连杆式VCR发动机结构设计与主要零部件动力学分析［D］.重庆：重庆交通大学，2016.

［7］李军.一种可变连杆式VCR发动机连杆机构：中国，201310718157.3［P］.2014-03-26.

Structure Design of a Variable-connecting VCR Engine

Wang Yiying1Wang Yaohong2

（1.Automobile Engineering College，Chongqing College of Electronic Engineering，Chongqing 400074；2.Chongqing Bureau of Quality and Technology Supervision，Chongqing 400074）

In order to improve the fuel efficiency of the engine,this paper proposed a variable-connecting VCR En⁃gine.Design does not rigidly adhere to the tradition,variable compression ratio can be achieved by changing the length of connecting rod by hydraulic control,to provide theoretical basis for further analysis

variable compression ratio；engine；structure design

TM925

A

1003-5168（2017）02-0053-02

2017-01-09

重庆市质量技术监督局科技计划项目（201610）。

王艺颖（1990-），女，硕士，研究方向：机械设计及理论，交通设备先进制造技术及应用研究。