發動機也能「變頻」:可變壓縮比技術解析-發動機,汽車,變頻,可變...

2021-01-16 快科技

眾所周知,在長時間連續使用情況下,變頻空調要比定頻空調更加省電。發動機也是如此,通過根據不同工況實時改變壓縮比就能夠增加燃油效率,保證動力的同時又能降低油耗。

那麼,發動機可變壓縮比技術到底是什麼原理呢?汽車之家的一篇解析文章為我們給出了答案。

發動機的壓縮比越高,其熱效率越高,即消耗相同的燃料能夠產生更大的動力。

目前主流發動機的熱效率接近40%,部分用於混合動力車型的發動機由於採用了米勒循環工作模式,熱效率已經超過了40%。為了進一步提升熱效率,各大汽車廠商都在提升壓縮比的道路上下功夫。

馬自達第二代創馳藍天自然吸氣發動機把壓縮比提升至18:1(已經接近柴油機的壓縮比),要達成的熱效率為50%。

然而,這個50%的熱效率並不是在所有工況下都能達到,在高轉速工況下,這麼高的壓縮比會使得發動機氣缸溫度過高,爆震問題將會一發不可收拾。為了讓發動機在全工況(各種轉速和負荷)下都能有最合適的壓縮比(儘可能高又能避免因爆震導致的平順性下降),可變壓縮比技術應運而生。

什麼是發動機壓縮比?

壓縮比是發動機的一個幾何參數,壓縮前的氣缸總容積與壓縮後的氣缸容積(即燃燒室容積)之比(註:本文僅討論活塞式發動機的壓縮比,轉子或其他形式的發動機不在本文討論範圍)。

現在的量產發動機如何實現壓縮比的改變?

在可變氣門正時系統普及之前,工程師只能通過改變發動機的幾何結構。最為常見的做法就是改變連杆長度或者改變活塞頂形狀來達到改變壓縮比的目的。

然而,通過可變氣門正時機構延遲關閉進氣門這種方法只能單方向實現壓縮比的縮小。而且由於延遲關閉進氣門,氣缸吸入氣體的量減小了,相當於縮小了發動機的排量,削弱了發動機的動力輸出。對於主要應用於中低負荷工況的米勒循環或者有電機輔助的混合動力系統來說,排量的縮小可以節省油耗,有一定的益處。

但對於追求高性能的發動機而言,改變壓縮比導致排量縮小導致性能下降是無法讓客戶接受的。所以,能夠動態改變發動機幾何結構的可變壓縮比技術便有應運而生了。

為什麼要根據不同工況改變發動機壓縮比?

可變壓縮比技術發動機的開發初衷是為了提高增壓發動機燃油經濟性的。對於渦輪增壓發動機而言,在發動機轉速較低時,廢氣流量和脈衝強度無法有效地推動渦輪提速,導致增壓壓力偏低,使得發動機扭矩輸出和燃油經濟性未如理想。

此外,利用爆震傳感器偵測發動機爆震狀態,提高或降低發動機壓縮比,能夠輕易實現發動機對不同標號汽油的自適應。

2、3種可變壓縮比發動機技術

各廠商是怎樣改變發動機壓縮比的?

薩博SVC可變壓縮比技術

在上世紀80年代末,薩博開始研發可變壓縮比技術,並在1990年取得相關的專利。薩博把其研發的可變壓縮比技術稱之為「Saab Variable Compression」,簡稱「SVC」。

為理解薩博SVC發動機的工作原理,我們可以把SVC發動機分為兩部分,其中一部分為缸蓋和缸筒,另一部分為曲軸、活塞、連杆等部件,兩部分通過橡膠密封件連接,可以一定程度上實現相對運動。

為實現缸筒的有限度運動,必須為缸筒設計一套獨立的冷卻系統,這就導致系統結構變得複雜起來。此外,薩博SVC發動機相互運動的兩部分採用橡膠密封件連接,高溫以及反覆受力使密封件耐久性受到極大的考驗。或許這也是薩博SVC發動機無法實現量產的原因。

日產VCR可變壓縮比技術

2005年2月,日產發布了其可變壓縮比技術,該技術被稱為「Variable Compression Ratio」,簡稱「VCR」。日產VCR發動機採用了曲柄銷槓桿來實現壓縮比的改變。

日產利用計算機仿真技術,讓活塞在上止點附近(加速)和下止點附近(減速)運動速度變化快慢一致,活塞速度變化接近正弦曲線,從而有效減少發動機的二階振動,提升發動機的平順性。為降低摩擦,日產VCR發動機當活塞處於上止點附近時,連杆大致保持垂直狀態。這樣在做功行程初期,點燃混合氣產生的衝擊力不會使活塞產生較大的向氣缸壁擠壓的分力,降低活塞與氣缸之間的摩擦達44%。

標緻雪鐵龍集團VCRi可變壓縮比技術

法國標緻雪鐵龍集團(PSA)在2009年3月的日內瓦車展上推出一款裝載可變壓縮比發動機的標緻407車型。該車型搭載的發動機採用了PSA研發的VCRi可變壓縮比技術,排量為1.5L,最大功率220馬力,峰值扭矩420牛?米,壓縮比可變範圍為7:1至20:1,百公裡綜合油耗為6.7L,二氧化碳排放量為每公裡158g。

相比前面介紹的薩博SVC技術和日產VCR技術,法國標緻雪鐵龍集團的VCRi技術的壓縮比可變範圍更大,但由於特殊液壓控制裝置的存在,較大地增大了缸體的體積,不利於發動機小型化。VCRi技術的活塞和連杆是一體的,只作垂直方向運動,點燃混合氣產生的衝擊力不會使活塞產生較大的向氣缸壁擠壓的分力,降低活塞與氣缸之間的摩擦,降低發動機內部運轉阻力。

全文總結:

可變壓縮比技術從幾何結構上改變了發動機的壓縮比,使得在不同工況下動態切換最合適的壓縮比成為可能,實現了發動機性能和燃油經濟性的提升。然而,通過改變發動機幾何結構來改變壓縮比,必然導致發動機結構複雜度的提升,隨之而來的是可靠性下降、振動增大等亟待解決的工程問題。

此外,由於可變壓縮比發動機的結構更為複雜,未實現大批量生產,這也使得現在搭載該技術的發動機製造成本偏高。

目前,有不少廠商已驗證了可變壓縮比技術的可行性,並進行著設計上的優化。隨著技術的成熟和性能的優化,可變壓縮比技術有著光明的前景。

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