鞍山市交通運(yùn)輸學(xué)校 張宏宇

2.4 偏心移位方式的可變壓縮比技術(shù)

偏心移位方式的可變壓縮比技術(shù)具體可分為活塞銷(xiāo)偏心移位方式、曲柄銷(xiāo)偏心移位方式和曲軸偏心移位方式（圖12）。

圖12 偏心移位方式的可變壓縮比技術(shù)方案

2.4.1 曲軸偏心移位方式的可變壓縮比技術(shù)

德國(guó)FEV發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)公司早期提出的可變壓縮比技術(shù)便是采用曲軸偏心移位方式，如圖13所示，曲軸支承在一個(gè)偏心盤(pán)上，通過(guò)特定手段使偏心盤(pán)擺轉(zhuǎn)一個(gè)角度，便改變了曲軸在豎直方向上的位置，進(jìn)而使活塞沿氣缸中心線(xiàn)移動(dòng)，活塞上、下止點(diǎn)的位置也相應(yīng)改變，燃燒室容積隨之改變，這樣便實(shí)現(xiàn)了壓縮比的連續(xù)調(diào)節(jié)，該方案實(shí)現(xiàn)的壓縮比調(diào)節(jié)范圍為8～15。該可變壓縮比技術(shù)作用原理的核心是曲軸的偏心支承，支承曲軸的孔的中心線(xiàn)與其旋轉(zhuǎn)中心線(xiàn)不重合（兩者之間的距離稱(chēng)為偏心度）。偏心盤(pán)可通過(guò)一個(gè)調(diào)節(jié)執(zhí)行器進(jìn)行擺轉(zhuǎn)，通過(guò)這種擺轉(zhuǎn)曲柄中心線(xiàn)相對(duì)于氣缸蓋的位置就會(huì)發(fā)生改變，因而可以連續(xù)地調(diào)節(jié)壓縮比。但是這種方案，曲軸移位后發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出軸會(huì)出現(xiàn)移動(dòng)，因此必須對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)償，這種補(bǔ)償還要通過(guò)專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)的平行曲柄式傳動(dòng)裝置進(jìn)行，實(shí)際使用不方便，F(xiàn)EV公司就放棄了這種方案。FEV發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)公司后來(lái)的想法是在活塞銷(xiāo)上加一個(gè)偏心環(huán)，通過(guò)改變偏心環(huán)的位置來(lái)改變活塞的高度，從而達(dá)到改變壓縮比的目的。

圖13 FEV發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)公司曲軸偏心移位可變壓縮比技術(shù)原理

圖14所示也是一種曲軸偏心移位可變壓縮比技術(shù)設(shè)計(jì)。該技術(shù)和FEV發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)公司的一樣，也是設(shè)置了曲軸偏心支承，不同的是，F(xiàn)EV發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)公司的曲軸偏心移位可變壓縮比技術(shù)設(shè)置的是分立的偏心套，且偏心套不具備下壓的控制機(jī)構(gòu)。而圖14所示的曲軸偏心移位可變壓縮比機(jī)構(gòu)設(shè)置了偏心套下壓機(jī)構(gòu)。

圖14 曲軸偏心移位可變壓縮比技術(shù)

圖15所示是日本本田汽車(chē)公司的一種曲軸偏心移位可變壓縮比技術(shù)，是通過(guò)在曲軸位置加1套偏心輪（Eccentric shaft）來(lái)調(diào)整曲軸的位置，從而實(shí)現(xiàn)壓縮比的可變。

圖15 本田汽車(chē)公司曲軸偏心移位可變壓縮比技術(shù)

2.4.2 活塞銷(xiāo)偏心移位方式可變壓縮比技術(shù)

如圖16所示，在活塞銷(xiāo)上外加了一個(gè)偏心環(huán)，偏心環(huán)通過(guò)連桿上的2個(gè)液壓活塞（液壓活塞A和液壓活塞B）控制，當(dāng)需要改變壓縮比時(shí)，液壓活塞會(huì)根據(jù)需要驅(qū)動(dòng)活塞銷(xiāo)外的偏心環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使得活塞高度發(fā)生變化，從而改變壓縮比（圖17）?？刂破沫h(huán)的2個(gè)活塞是由連桿大頭開(kāi)始供油控制的，因此可變壓縮比連桿相對(duì)于傳統(tǒng)的連桿要更加粗一點(diǎn)。FEV公司表示，活塞高度變化需要0.6 s，能夠減少燃油消耗5%～7%，這種解決方案對(duì)于整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的修改相對(duì)較少，所有系統(tǒng)都集成在連桿上，成本不會(huì)太高。

圖16 活塞銷(xiāo)偏心移位方式可變壓縮比技術(shù)

圖17 活塞銷(xiāo)偏心移位方式可變壓縮比技術(shù)的不同工作狀態(tài)

有公開(kāi)的專(zhuān)利文件顯示，保時(shí)捷正與Hilite國(guó)際先進(jìn)工程公司合作開(kāi)發(fā)的可變壓縮比技術(shù)（圖18）與FEV公司的可變壓縮比技術(shù)有點(diǎn)雷同，由圖18可以看出，為了實(shí)現(xiàn)壓縮比的可變，對(duì)傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞連桿進(jìn)行了結(jié)構(gòu)改良，在其兩側(cè)分別加裝了一個(gè)由電動(dòng)和液壓控制的偏心調(diào)節(jié)部件。該部件可接收由ECU所發(fā)出的控制信號(hào)，并借助于液壓回路對(duì)支柱位置進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而帶動(dòng)偏心元件發(fā)生旋轉(zhuǎn)，使活塞位置發(fā)生移動(dòng)，以達(dá)到改變壓縮比的目的。不過(guò)出于對(duì)技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)估，現(xiàn)階段保時(shí)捷所研制的可變壓縮比技術(shù)還僅限于在預(yù)先設(shè)定好的2個(gè)活塞位置間進(jìn)行調(diào)整，換言之，也就是只可實(shí)現(xiàn)2種壓縮比間的相互切換，并不是現(xiàn)真正意義上的連續(xù)調(diào)整。

圖18 保時(shí)捷可變壓縮比技術(shù)專(zhuān)利圖

2.4.3 曲柄銷(xiāo)偏心移位方式可變壓縮比技術(shù)

荷蘭的Gomecsys公司的GoEngine VCR發(fā)動(dòng)機(jī)（圖19）在曲軸上就能實(shí)現(xiàn)可變壓縮比的方式，那就是在連桿大頭里面加一個(gè)偏心環(huán)（圖20），通過(guò)齒輪（圖21）控制偏心環(huán)的轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)壓縮比需要改變時(shí)，偏心環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)，使活塞上止點(diǎn)的位置發(fā)生改變，從而獲得可變壓縮比（圖22），壓縮比可以在7 ～15改變。

傳動(dòng)機(jī)構(gòu)選擇了一套大減速比的蝸輪蝸桿部件，機(jī)構(gòu)傳動(dòng)對(duì)執(zhí)行電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩需求不大。該VCR機(jī)構(gòu)主體被安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸上，曲軸主軸頸內(nèi)均開(kāi)設(shè)有一個(gè)支撐圓柱孔，每個(gè)支撐圓柱孔的軸線(xiàn)都與曲軸軸線(xiàn)重合，或不重合但平行，或形成一定的夾角。蝸桿與電動(dòng)機(jī)同軸連接在一起，蝸輪與蝸桿嚙合，蝸輪上有一個(gè)中心齒輪與其同軸并固定連接，另有行星齒輪固定安裝于第一傳動(dòng)軸前端并與中心齒輪嚙合，第一、二、三、四傳動(dòng)軸安裝于曲軸的各段主軸頸內(nèi)的支撐圓柱孔內(nèi)，傳動(dòng)軸的兩端分別安裝傳動(dòng)齒輪，而偏心套則套裝在曲軸的連桿軸頸與連桿大頭之間，且偏心套的兩端各安裝一個(gè)偏心套齒輪，同對(duì)應(yīng)的傳動(dòng)軸齒輪相嚙合。當(dāng)執(zhí)行電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，驅(qū)動(dòng)蝸輪蝸桿進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)中心齒輪旋轉(zhuǎn)，運(yùn)動(dòng)傳遞到行星齒輪，并通過(guò)傳動(dòng)軸與偏心套之間的齒輪依次傳遞至第一傳動(dòng)軸前端齒輪、第一傳動(dòng)軸、第一傳動(dòng)軸后端齒輪、第一偏心套、第二傳動(dòng)軸前端齒輪等，直至最后一個(gè)傳動(dòng)軸與最后一個(gè)偏心套，從而使所有的偏心套同步變動(dòng)，改變壓縮比。圖23所示為荷蘭Gomecsys公司可變壓縮比技術(shù)在水平對(duì)置式發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用情況。

圖19 荷蘭的Gomecsys公司的GoEngine VCR發(fā)動(dòng)機(jī)

圖20 荷蘭Gomecsys公司可變壓縮比技術(shù)

圖21 通過(guò)齒輪控制偏心環(huán)的轉(zhuǎn)動(dòng)

圖22 荷蘭Gomecsys公司可變壓縮比技術(shù)的工作原理

2.5 奔馳公司可變活塞高度方式可變壓縮比技術(shù)

奔馳公司提出可變壓縮比技術(shù)是利用液壓油泵的原理改變活塞的位置，使活塞的高度可變，從而改變壓縮比（圖24），該方案最突出的優(yōu)點(diǎn)是相對(duì)于原型發(fā)動(dòng)機(jī)的改動(dòng)較小，易于實(shí)現(xiàn)。這是一個(gè)典型的采用潤(rùn)滑油液力特性的可變壓縮比設(shè)計(jì)方案，因此如何控制潤(rùn)滑油的流量成為該方案的技術(shù)難點(diǎn)。況且，液壓活塞質(zhì)量較大，不易于高速旋轉(zhuǎn)，而且響應(yīng)有滯后（需要幾個(gè)熱機(jī)循環(huán)的時(shí)間）。

圖23 荷蘭Gomecsys公司可變壓縮比技術(shù)在水平對(duì)置式發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用情況

圖24 奔馳可變活塞高度方式可變壓縮比技術(shù)

美國(guó)密西根大學(xué)也曾提出過(guò)一個(gè)可變活塞高度方式的可變壓縮比技術(shù)方案，它是通過(guò)在活塞內(nèi)部安裝彈性元件，讓活塞的高度隨著氣缸內(nèi)的壓力變化而變化。這種方案的結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，且不需要附加的控制系統(tǒng)，容易實(shí)現(xiàn)。

2.6 豐田公司氣缸體和曲軸箱相對(duì)位置可變式可變壓縮比技術(shù)

對(duì)于豐田直列式的可變壓縮比發(fā)動(dòng)機(jī)，從豐田公司申請(qǐng)的可變壓縮比技術(shù)專(zhuān)利中可以看出，其可變壓縮比的想法和薩博可變壓縮比技術(shù)有點(diǎn)類(lèi)似，是在氣缸體上動(dòng)手腳，氣缸體和曲軸箱通過(guò)軸向的相對(duì)移動(dòng)形成可變壓縮比。如圖25所示，氣缸體和曲軸箱之間通過(guò)2條偏向凸輪連接，當(dāng)需要改變壓縮比時(shí)，電動(dòng)機(jī)控制偏心凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度，使得氣缸體與曲軸箱產(chǎn)生出軸向的移動(dòng)，這樣燃燒室的容積就會(huì)改變，從而改變壓縮比。但發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的爆發(fā)力對(duì)偏心軸的控制會(huì)產(chǎn)生很大的影響，同時(shí)機(jī)構(gòu)也比較復(fù)雜，因此豐田也只是停留在研究階段。

有趣的是豐田公司還有V形可變壓縮比發(fā)動(dòng)機(jī)的想法（圖26），和直列式可變壓縮比發(fā)動(dòng)機(jī)相似，也是氣缸體和曲軸箱分離，通過(guò)蝸桿凸輪軸來(lái)控制氣缸體，使得氣缸體與曲軸箱發(fā)生相對(duì)位移，從而改變壓縮比，只是V型發(fā)動(dòng)機(jī)的控制難度及機(jī)構(gòu)都要復(fù)雜很多。

圖25 豐田公司可變壓縮比技術(shù)

圖26 豐田公司V6可變壓縮比發(fā)動(dòng)機(jī)專(zhuān)利圖

2.7 韓國(guó)現(xiàn)代汽車(chē)公司在氣缸蓋內(nèi)設(shè)置副活塞式可變壓縮比技術(shù)

圖27所示為韓國(guó)現(xiàn)代汽車(chē)公司可變壓縮比發(fā)動(dòng)機(jī)的專(zhuān)利圖，是在氣缸蓋上面增加可一個(gè)可變腔，里面設(shè)置了副活塞，活塞能夠在腔內(nèi)移動(dòng)，當(dāng)需要改變壓縮比是，電動(dòng)機(jī)控制蝸桿帶動(dòng)偏心凸輪，偏心凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)便會(huì)改變副活塞的位置，使得氣缸內(nèi)容積發(fā)生改變，從而獲得可變壓縮比。這樣的想法比較簡(jiǎn)單，可行性也較高，但是這種方案容易產(chǎn)生密封問(wèn)題，為了保證副活塞在高溫高壓下能夠持久工作必須對(duì)其進(jìn)行冷卻，而且對(duì)燃燒室布置改變的不合理會(huì)導(dǎo)致放熱損失急劇增加，使得內(nèi)燃機(jī)的熱效率下降。

和韓國(guó)現(xiàn)代汽車(chē)公司可變壓縮比技術(shù)相類(lèi)似的方案，還有瑞典Lund技術(shù)學(xué)院提出的可變壓縮比方案，不同的是在氣缸蓋處設(shè)置了一套完成的活塞連桿系統(tǒng)，副活塞由第二曲軸驅(qū)動(dòng)。第二曲軸通過(guò)機(jī)械傳遞裝置與主曲軸相連，轉(zhuǎn)速與主曲軸保持1:2的關(guān)系，這樣就能與凸輪軸轉(zhuǎn)數(shù)相同。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，根據(jù)不同工況的需要，調(diào)節(jié)副活塞的上止點(diǎn)位置與發(fā)動(dòng)機(jī)主活塞上止點(diǎn)位置之間的相位差，從而改變?nèi)紵胰莘e，達(dá)到壓縮比可變的目的。

圖27 韓國(guó)現(xiàn)代汽車(chē)公司可變壓縮比發(fā)動(dòng)機(jī)專(zhuān)利圖

2.8 Iwis公司和AVL公司的可伸縮連桿式可變壓縮比技術(shù)

為了實(shí)現(xiàn)CO2的減排效果，又不對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)做出重大改變，Iwis公司和AVL公司合作開(kāi)發(fā)出了“Dual Mode VCS”可變壓縮系統(tǒng)，這種系統(tǒng)可以在不改變發(fā)動(dòng)機(jī)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的情況下集成到現(xiàn)有的發(fā)動(dòng)機(jī)系列中應(yīng)用，其工作的基本原理是通過(guò)兩極可伸縮的、集成在連桿體上并能夠調(diào)整壓縮比的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的可變壓縮比技術(shù)。為了能夠讓可伸縮連桿長(zhǎng)度實(shí)現(xiàn)雙向改變，Iwis公司和AVL公司的研發(fā)人員利用了發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)作用在連桿小頭的氣體壓力FM和慣性力FG，將連桿大頭和連桿小頭由一個(gè)只有一個(gè)自由度的連接件連接起來(lái)（圖28）。由于連接件只有一個(gè)自由度，因此就可以靈活實(shí)現(xiàn)連桿長(zhǎng)度的伸長(zhǎng)和縮短：當(dāng)合力FR在坐標(biāo)系中為負(fù)時(shí)，即FG＞FM時(shí)就能縮短連桿的長(zhǎng)度；反之，當(dāng)合力FR為正時(shí)，即FG＜FM時(shí)就可以延長(zhǎng)Dual Mode VCS連桿的長(zhǎng)度。此外，伸長(zhǎng)和縮短2個(gè)方向的單自由度平移都會(huì)受到機(jī)械限位的限制，這種可以平移的連接方式也可以視為一種氣缸-活塞系統(tǒng)。當(dāng)可伸縮連桿的長(zhǎng)度由長(zhǎng)變短時(shí)，下油腔中的液壓油被擠出去，油量減少，液壓油注入上方油腔；當(dāng)可伸縮連桿的長(zhǎng)度由短變長(zhǎng)時(shí)，上方油腔排空，下方油腔注入液壓油。液壓閥系統(tǒng)控制著可伸縮連桿的長(zhǎng)度變化，保證連桿的長(zhǎng)度只按照希望的伸長(zhǎng)量或縮短量變化。因此，液壓閥系統(tǒng)中使用了單向控制的單向閥。它們決定了哪個(gè)油腔可以排出或注入液壓油。當(dāng)平移連接件移動(dòng)到其限位位置時(shí)，液壓閥系統(tǒng)就能保持著連桿長(zhǎng)度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)工作位置在發(fā)動(dòng)機(jī)交替變化的壓力和拉力作用下不發(fā)生變化，也就是說(shuō)可伸縮連桿的長(zhǎng)度不變。

圖28 具有相同功能的基本型連桿（左）和可伸縮連桿的工作原理（右）

除此之外，還要求這一系統(tǒng)能夠充分地挖掘VCR可變壓縮比調(diào)節(jié)系統(tǒng)的潛力。例如將米勒循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)與VCR可變壓縮比技術(shù)相結(jié)合就會(huì)在最大與最小壓縮比之間提供6擋壓縮比，僅用一套可伸縮連桿系統(tǒng)就可以實(shí)現(xiàn)大范圍的壓縮比調(diào)整。該技術(shù)方案在連桿的活塞連接部沒(méi)有額外的零部件，不需要特殊的加工和處理，活塞組件也沒(méi)有變化。

工程師們將這一系統(tǒng)安裝到標(biāo)準(zhǔn)型的2.0 L TGDI發(fā)動(dòng)機(jī)上，并根據(jù)歐盟提出的WLTC輕型車(chē)測(cè)試循環(huán)工況的要求進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)試。測(cè)試時(shí)，按照發(fā)動(dòng)機(jī)的工作特性曲線(xiàn)分為2個(gè)區(qū)域，高壓縮比和低壓縮比行駛區(qū)域。通過(guò)試驗(yàn)可以看到，在低負(fù)荷至中負(fù)荷和低轉(zhuǎn)速至中轉(zhuǎn)速的范圍內(nèi)應(yīng)使用高壓縮比，以盡可能地降低CO2的排放；在高負(fù)荷區(qū)域內(nèi)，發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)在低壓縮比工況下工作，以便能夠在不進(jìn)入爆燃區(qū)的情況下輸出最大功率；在高轉(zhuǎn)速和低負(fù)荷情況下，在WLTC輕型車(chē)測(cè)試循環(huán)和實(shí)際駕駛中的CO2排放量沒(méi)有明顯的影響，因此在這一區(qū)域內(nèi)可以用低壓縮比來(lái)驅(qū)動(dòng)車(chē)輛行駛。