一種新型可變壓縮比發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

王藝穎 王耀弘

（1.重慶電子工程職業(yè)學(xué)院汽車工程學(xué)院，重慶 400074；2.重慶市計(jì)量質(zhì)量檢測(cè)研究院，重慶 400074）

一種新型可變壓縮比發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

王藝穎1王耀弘2

（1.重慶電子工程職業(yè)學(xué)院汽車工程學(xué)院，重慶 400074；2.重慶市計(jì)量質(zhì)量檢測(cè)研究院，重慶 400074）

針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)在部分工況燃油利用率不高的問題，提出一種可變壓縮比發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)構(gòu)。不拘泥于傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，通過液壓控制改變連桿長度實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比可變，為進(jìn)一步的分析提供理論依據(jù)。

可變壓縮比；發(fā)動(dòng)機(jī)；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

內(nèi)燃機(jī)因熱能利用率高、功率范圍廣、結(jié)構(gòu)緊湊、高壽命等特點(diǎn)，在陸地、水上及軍事方面都得到了廣泛的應(yīng)用。但隨著能源形勢(shì)越來越嚴(yán)峻，排放法規(guī)越來越嚴(yán)格，未來內(nèi)燃機(jī)的發(fā)展將重于改善燃燒過程，提高機(jī)械效率，降低燃燒消耗率，改善排放性能。然而一般的內(nèi)燃機(jī)無法同時(shí)滿足這三個(gè)性能。并且在冷啟動(dòng)、怠速和部分符合工況時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)不能充分燃燒一直是待解決的問題［1］。其中，可變壓縮比技術(shù)具有改變發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

壓縮比是氣缸總?cè)莘e和燃燒室的容積之比，是影響發(fā)動(dòng)機(jī)功率、扭矩輸出的重要因素。提高壓縮比，能在增大功率和扭矩輸出的同時(shí)，使氣體更充分的燃燒，提高了燃燒效率和經(jīng)濟(jì)性能。但如此可觀的技術(shù)卻難點(diǎn)重重。通常若要改變壓縮比，則需改變?nèi)紵胰莘e或氣缸總?cè)莘e，而這兩個(gè)參數(shù)在設(shè)計(jì)之初都已定好，一旦改變則要牽扯到整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)造的改變，難度較大［2］。因此，如何將一個(gè)不可變動(dòng)的結(jié)構(gòu)變成可隨相應(yīng)工況靈活變動(dòng)，且對(duì)應(yīng)的參數(shù)也隨需求變動(dòng)，成為可變壓縮比運(yùn)用在發(fā)動(dòng)機(jī)上的目標(biāo)。

1 可變壓縮比技術(shù)

實(shí)現(xiàn)可變壓縮比技術(shù)的方案，大體應(yīng)符合以下幾點(diǎn)：①結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)緊湊，安裝空間盡量小，質(zhì)量輕量化；②燃燒室布置的形式不宜變動(dòng)；③易于控制，可靠性高，壽命長；④生產(chǎn)成本低，便于大規(guī)模生產(chǎn)［3］。近年來，全球各大公司對(duì)可變壓縮比進(jìn)行了許多研究，大致可將這些設(shè)計(jì)方案分為以下5種：方案1，氣缸蓋活動(dòng)方式；方案2，偏心襯套方式；方案3，多連桿方式；方案4，可變活塞方式；方案5，燃燒室容積可變方式，如圖1所示。

圖1 可變壓縮比技術(shù)方案

1.1 氣缸蓋活動(dòng)方式

以SAAB公司的SVC可變壓縮比發(fā)動(dòng)機(jī)為例。該發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸蓋可以繞著曲軸的轉(zhuǎn)動(dòng)而動(dòng)彈，在氣缸蓋和氣缸體之間有一組連接電子控制單元的搖臂，當(dāng)改變搖臂的角度，便可改變氣缸蓋和氣缸體之間的距離，從而改變?nèi)紵?，?shí)現(xiàn)壓縮比的改變。

1.2 偏心襯套方式

其代表為FEV公司的雙級(jí)可變壓縮比發(fā)動(dòng)機(jī)。此款發(fā)動(dòng)機(jī)根據(jù)連桿長度的變化以及偏心連桿活塞銷懸架共同實(shí)現(xiàn)雙級(jí)可變壓縮比。在活塞連桿小頭端上安裝一個(gè)可以將活塞銷完全罩住的偏心套筒，通過套筒的旋轉(zhuǎn)，改變連桿長度，從而改變壓縮比［4］。

1.3 多連桿方式

即把連桿分為多個(gè)部分，通過改變連桿之間的夾角實(shí)現(xiàn)連桿長度的可變，從而改變壓縮比。其中最具代表性的就是日產(chǎn)VCR發(fā)動(dòng)機(jī)，在連桿與控制軸之間連接有一個(gè)曲柄銷傳動(dòng)部位擺動(dòng)的杠桿，通過杠桿與副連桿之間的夾角變化，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)連桿長度的可變［5］。

1.4 可變活塞方式

即通過改變活塞銷到活塞頂面的距離來實(shí)現(xiàn)燃燒室容積的變化，從而實(shí)現(xiàn)壓縮比的改變。包括液壓式活塞與壓力自適應(yīng)式活塞2種。

1.5 燃燒室容積可變方式

即在氣缸內(nèi)設(shè)置一個(gè)副活塞，通過該副活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)燃燒室容積的可變，從而改變壓縮比。

2 可變壓縮比發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 可變壓縮比發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)構(gòu)基本參數(shù)的選取

由于可變壓縮比發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)構(gòu)在汽油機(jī)和柴油機(jī)中都適用，因此本次設(shè)計(jì)以F1CE0481A*C系列柴油機(jī)的曲柄連桿作為改裝對(duì)象，利用其基本參數(shù)進(jìn)行改裝設(shè)計(jì)。F1C系列發(fā)動(dòng)機(jī)基本參數(shù)如表1所示。

表1 F1C系列發(fā)動(dòng)機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)參數(shù)

2.2 可變壓縮比發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為能靈活處理發(fā)動(dòng)機(jī)在不同工況下的燃油利用率，本次設(shè)計(jì)采用液壓活塞式結(jié)構(gòu)，通過電液控制改變連桿長度以實(shí)現(xiàn)可變壓縮比，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

本次設(shè)計(jì)將可變壓縮比發(fā)動(dòng)機(jī)的連桿與曲柄銷集成一體，將曲軸分為兩端。連桿總成中的曲柄銷端稱為連桿大端，活塞環(huán)端稱為連桿小端。連桿大端由液壓導(dǎo)體和銷軸組成，連桿小端和桿身由帶連桿小頭的活塞桿和液壓缸組成。曲軸兩端內(nèi)設(shè)有液壓油道，通過液壓導(dǎo)體與連桿內(nèi)液壓缸形成液壓回路［6］。

圖2 可變壓縮比發(fā)動(dòng)機(jī)曲柄連桿結(jié)構(gòu)示意圖

可變壓縮比曲柄連桿機(jī)構(gòu)的工作方式可分為2種工作模式，即增大壓縮比和減小壓縮比。當(dāng)液壓油通過曲軸A端的液壓油道經(jīng)液壓導(dǎo)體進(jìn)入液壓油缸底腔，推動(dòng)液壓缸活塞上移，活塞桿外伸，連桿變長，活塞上止點(diǎn)上移，壓縮比增大；當(dāng)液壓油通過曲軸B端的液壓油道經(jīng)液壓導(dǎo)體進(jìn)入液壓油缸上腔，推動(dòng)液壓缸活塞下移，連桿縮短，活塞上止點(diǎn)下移，壓縮比減小。壓縮比增大時(shí)，可提高發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)為防止爆燃，可根據(jù)實(shí)際工況減小壓縮比，提高發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性［7］。

3 結(jié)語

為提高發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性并降低其排放性，以改變壓縮比為設(shè)計(jì)原理，將F1CE0481A*C系列柴油機(jī)的曲柄連桿作為改裝對(duì)象，設(shè)計(jì)了一種新型可變壓縮比發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)構(gòu)，采用液壓活塞式的結(jié)構(gòu)，通過電液控制改變連桿長度，實(shí)現(xiàn)壓縮比的靈活改變。為可變壓縮比發(fā)動(dòng)機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)的進(jìn)一步分析提供了理論依據(jù)。

［1］阮見明.可變壓縮比活塞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究［D］.武漢：武漢理工大學(xué)，2011.

［2］杜慧起，尤明福.可變壓縮比技術(shù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能影響的研究［J］．上海汽車，2009（11）：17-19．

［3］崔彪.發(fā)動(dòng)機(jī)可變壓縮比技術(shù)方案研究［D］.南京：南京理工大學(xué)，2011.

［4］張中杰.可變技術(shù)在經(jīng)濟(jì)型轎車發(fā)動(dòng)機(jī)中的應(yīng)用及前景［J］.汽車工程師，2013（5）：23-25.

［5］李去岐.解析M15甲醇汽油對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)排放的影響［J］.中國化工貿(mào)易，2014（12）：235-235.

［6］王藝穎.一種可變連桿式VCR發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與主要零部件動(dòng)力學(xué)分析［D］.重慶：重慶交通大學(xué)，2016.

［7］李軍.一種可變連桿式VCR發(fā)動(dòng)機(jī)連桿機(jī)構(gòu)：中國，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

重慶市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局科技計(jì)劃項(xiàng)目（201610）。

王藝穎（1990-），女，碩士，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)及理論，交通設(shè)備先進(jìn)制造技術(shù)及應(yīng)用研究。