探析汽油机可变压缩比技术研究现状

李玉柱

（无锡商业职业技术学院，江苏 无锡 214153）

当前我国在不断的发展内燃机的新技术，主要的目的就是为了更好的满足社会发展提出的很多严苛的排放和油耗法规，适应社会的进步。在不同的工况状态中，内燃机会产生不同的热效率，如果运用平衡的方法或者是折中的办法，不能让各工况满足最优的状态。所以，近些年来，对于先进的内燃机技术来说，都不能离开可变两个字。其中产生最明显的改善效果的就是可变压缩比，同时其难度也属于最高的。下面基于可变压缩比的原理、实现结构角度进行阐述，并联系起典型的方案，对于有关实现方式以及特点等进行详尽的分析，望提供给未来的内燃机可变压缩比技术的发展有价值的指导。

1 可压缩比概况

压缩比为活塞在下止点时的汽缸容积跟在上止点时的容积之比，能够将气体受压缩程度进行反应。传统的汽油机压缩比通常是8～12，柴油机的压缩比是15～18。根据汽油机理想的热力学定容循环热效率公式，如果空气比热容是恒定的，那么热效率为压缩比函数，如果具有越大的压缩比，则会产生越高的热效率。但是汽油具有非常活跃的化学性质，在缸内压力过高，或者是具有较高的温度情况下，混合气能够于不应被点燃的环境下，提前产生不可控制的燃烧，将均质燃烧状态形成一定程度的破坏，而且对于处在上行的活塞形成下压的冲击力，形成“爆震”的问题，如果程度轻微，会导致振动，程度较重会损坏缸体活塞。

通常，基于全负荷的状态时，传统汽油机是具有较高的爆震几率的。所以，按照全负荷状态明确的最大压缩比要适中，禁止过高。但是一些负荷是由于进气节流的因素，降低实际压缩比，进而对发动机的动力性能产生影响，不仅降低热效率，而且将会消耗较多的燃油。但因为内部具有固定结构，而且几何压缩比同样固定，所以选取的汽油机压缩比属于对很多可能产生工况的折中，这样固定压缩比不能确保汽油机能够平稳的运行在所有的工况状态中。最好的策略即为，小负荷以高压缩比工作，高负荷、全负荷将压缩比自动降低对工况进行适应，确保动力性、经济性能够一起兼顾起来，不让发动机出现不良反应。所以，内燃机领域一直致力于研究先进的可变压缩比技术。

可变压缩比，为内燃机在运行期间的压缩比可变。可变压缩比的优势明显的优势于固定压缩比，即：可变压缩比在所有的工况下，均可以于爆震限制状态中正常的工作，促进热效率提升；可以减少耗油量，进而产生更优的燃油经济性；能够有效的将冷启动和暖机环节产生的有害排放量减少；具有紧凑的结构，小排量能够获得大功率，而且增强燃料适应性，对很多标号的燃料灵活的接受；维护设备平稳运行工作，减少噪声等。综上，可变压缩比技术可以避免燃烧环节产生爆震的风险，让内燃机具有更好的动力性以及排放性、经济性。

2 双循环下的可变压缩比

通常，常规的四冲程汽油机压缩比跟膨胀比可以划等号，即为奥托循环的运转方式。在19 世纪80年代，阿特金森（英国）提出一项连杆机构，相对繁琐，做功冲程跟吸气冲程相比明显延长，所以相较于压缩比而言，膨胀比更大，其为阿特金森循环的运转方式。在20 世纪40 年代，师米勒（美国）又提出了米勒循环，属于另一种膨胀比超过了压缩比的实现手段。

当前发展的可变气门正时技术，能够做到互相的切换阿特金森/米勒循环与奥托循环，基于双循环状态中，活塞运行的上止点以及下止点均未产生改变，知识改变了气体被压缩的程度。阿特金森循环模式中，小负荷工作在结束了进气冲程以后，延迟了关闭进气门，在上行期间，活塞把一些吸进缸中的混合气，在进气管中吐回，关上了进气门以后，被压缩的混合气比吸入的混合气少，会相应降低压缩比同时不改变膨胀比。如果是高负载，发动机将进气延迟角减小回至奥托循环，此时正常的开启和关闭进气门、排气门，在缸内进入大量混合气，促进动力更多的输出。此技术不会将发动机的几何压缩比进行更改，丰田的R 系列、马自达的SKYACTIV 均运用此举措实现热效率的提升，属于一种应用广泛的方式。此技术仅可以达到单向改变压缩比的目标，降低气体吸入量，削弱发动机输出动力，跟真正的几何可变压缩比存在明显的距离。

3 可变几何压缩比

3.1 气缸盖位置可变

此类方案对于气缸盖的部位进行改变，调整燃烧室容积，达到可变压缩比的目标。在2000 年时，瑞典萨博提出了SVC 发动机，压缩比范围是8～14，包括两部分，一部分是汽缸盖结合缸体铸，另一部分是曲轴箱油底壳。如果有需要，会转动偏心凸轮，连杆对于上部缸体进行控制，围绕曲轴箱上支撑轴转动，形成倾斜，将燃烧室容积改变压缩比更改。但是冷却润滑系统相对复杂，上下连接处提出严格的密封性要求以及材料性能标准，并未验证机构的可靠性，便随通用收购被搁置。在2005 年时，丰田将偏向凸轮轴连接到汽缸体与曲轴箱间，电机可以对偏心轮转动进行控制，让汽缸体跟曲轴箱形成移动，进而对燃烧室容积进行改变，实现压缩比的变化。但内燃机具有较大的爆发力，会对控制偏心凸轮轴形成一定程度的影响，因此留于研究的层面。

3.2 燃烧室容积可变

此方案对燃烧室容积进行直接的改变，达到可变压缩比的调整。韩国现代把可移动副活塞的可变腔加设到汽缸盖上。如果有需求，电机对蜗杆进行控制，带动偏心凸轮的转动将副活塞位置更改，这样就会使得汽缸容积出现改变，最终将压缩比调整。也可经火花塞、气门位置或活塞顶面形状的变化，将燃烧室容积进行更改，但是密封性问题需要注意，应该实施冷却处理，使得在高温高压工况中平稳运行。

3.3 连杆长度可变

此方案是将连杆长度直接的调整，对上止点部位、下止点部位进行改变，达到压缩比的变化目标。德国FEV 以及保时捷，通过在活塞销外增添小型液压油缸控制的偏心环的方式，如果有需要，则油缸将偏心环带动转动，改变连杆长度以及压缩比。因为油缸是通过连杆大头进行供油控制的，因此连杆更粗些。此举措明显减少整机的修改，连杆上面集中了全部系统，所以不会产生过多成本，正在不断研究发展中。

3.4 连杆支点位置可变

此方式对连杆运动结构进行改变，促使调整名义连杆长度尺寸，将压缩比进行改变。在2005 年时，法国MCE-5 提出VCRi 发动机，压缩比改变范围是7～20。此技术能够将发动机的动力输出降低，一旦缺少了电机辅助，容易产生低速扭矩不足的问题。在2016 年时，英菲尼迪QX50 搭载VC-T 发动机运用了双喷射和双循环技术，具有8～14 间的压缩比。VC-T 以多连杆机构方式，把曲柄装置加设在活塞、曲轴之间，经调节曲柄角度，对于连杆长度改变，达到无极变化压缩比效果。因为减小了曲轴曲柄、连杆跟垂直方向夹角，所以也降低了活塞摆动幅度跟活塞同缸壁间的摩擦，进而促进耐久性的有效提升，并且也无需平衡轴，降低了发动机震动以及噪音。此举措在不断的检验中。

3.5 曲轴销、活塞销可变

此策略将销的部位进行改变，实现名义连杆长度尺寸的调整，获得可变压缩比。荷兰的Gomecsys将偏心环加入到连杆大头里，如果有需要，进行偏心环转动的控制，促使对上止点和下止点的改变，实现压缩比的改变。

3.6 主轴位置可变

此举措要将曲轴中心部位进行调整，把上止点和下止点位置进行调整，以此将压缩比改变。FEV吧曲轴于偏心轴轮支撑，转动偏心轮以后曲轴让活塞转动，实现上止点的改变。此模式会移动输出轴，应用不便捷，因此并未得到良 好的应用成效。

4 结 语

所有的内燃机的前沿技术，主要目标就是将热效率提升，同时将排放进行降低。通过研究以及不断的改进可变压缩比技术是推动各类发动机运行效率提升、增强运行质量水平的关键性策略。所以，未来应该更加大力投入力量进行研究分析，通过最低的能源消耗量，得到最大化的动力，以及降低排放量，提供给现代生产更多便捷性。