柴油發(fā)動機可變壓縮比研究

邱偉杰 潘浩銘

摘 ? ?要：柴油發(fā)動機在船舶、汽車、飛機等運輸工具上運用十分廣泛。柴油機憑借轉(zhuǎn)換熱效率高的特點，常用在大功率的機械設備上。但它存在著油耗高、燃油經(jīng)濟性較差等缺點，必須采用可變壓縮比技術(shù)來彌補這一缺點，以達到良好的效果。本文研究分析可變壓縮比技術(shù)在柴油發(fā)動機上應用的可行性，通過建立模型，分析實現(xiàn)其功能的原理，并對其進行結(jié)構(gòu)強度試驗模擬，以驗證是否滿足要求，推出最優(yōu)模型方案。

關鍵詞：柴油發(fā)動機；可變壓縮比技術(shù)；模型對比分析

中圖分類號：TH133.5?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A

Research on Variable Compression Ratio Technology of Diesel Engine

Qiu Weijie1， ?Pan Haoming2

（ 1.Guangzhou Diesel Engine Factory， Guangzhou 510371; 2.Guangdong Siwun Logistics Equipment Co. ，Ltd.， Guangzhou 510371 ）

Abstract： Diesel engines are widely used in ships， automobiles， aircraft and other means of transport.Diesel engines are often used in mechanical equipment with high power and great power because of its high thermal conversion efficiency. However， they have some disadvantages， such as high fuel consumption and poor fuel economy. Therefore， assuming the use of variable compression ratio technology， we can have the opportunity to make up for this shortcoming and achieve the optimization effect.This paper studies and analyzes the feasibility of variable compression ratio technology in diesel engine， establishes a model， analyzes the principle of realizing its function， and simulates and tests its structural strength to verify whether it meets the requirements and deduce the optimal model scheme.

Key words： Diesel engine; Variable compression ratio technology; Comparative analysis of models

1 ? ? 前言

在第75屆聯(lián)合國大會上，我國提出了“2030年前實現(xiàn)碳達峰，2060年前實現(xiàn)碳中和”的偉大目標。在這樣一個節(jié)能減排的環(huán)保大背景中，降低發(fā)動機排放的技術(shù)研究顯得尤為重要。柴油發(fā)動機發(fā)展至今已有超百年的歷史，它熱效率高、動力強，但缺點是排放較大。隨著新能源發(fā)動機技術(shù)的發(fā)展越來越成熟，傳統(tǒng)的內(nèi)燃發(fā)動機如果不降低排放將難以適應未來的競爭，因此降低內(nèi)燃機的排放是迫在眉睫的工作。

為了在保證內(nèi)燃機熱效率和動力的條件下，同時降低排放，提高燃油經(jīng)濟性，汽缸壓縮比的調(diào)節(jié)可變是方法之一，可通過在發(fā)動機低負荷運行時調(diào)節(jié)成高壓縮比以節(jié)省燃油，發(fā)動機高負荷運行時調(diào)節(jié)成低壓縮比輔以機械增壓來增加功率和轉(zhuǎn)矩輸出。目前，可變壓縮比技術(shù)在汽油發(fā)動機領域已有所應用，如果能將此技術(shù)應用在柴油發(fā)動機上，則意味著還可以應用于貨車、卡車、船舶柴油發(fā)動機上。本文從結(jié)構(gòu)方面出發(fā)，建立三種可變壓縮比結(jié)構(gòu)的模型，探討可變壓縮比技術(shù)成為內(nèi)燃機的通用技術(shù)的可行性。

2 ? ?研究現(xiàn)狀

2.1 ? 國外研究現(xiàn)狀

SVC發(fā)動機是瑞典Saab公司經(jīng)過長期研究而開發(fā)的產(chǎn)品，其缸體與缸蓋之間安裝了鍥型滑塊，缸體可以沿著滑塊的斜面運動，使得燃燒室和活塞頂面的相對位置發(fā)生改變，改變?nèi)紵业娜莘e從而改變壓縮比，其壓縮比可以在8：1～14：1之間的范圍內(nèi)變化。

德國FEV公司采用曲軸偏心位移結(jié)構(gòu)，以及活塞銷偏心結(jié)構(gòu)來設計發(fā)動機。該結(jié)構(gòu)的變壓位置在于活塞銷外側(cè)——通過該部位增加偏心環(huán)，使得活塞往復運動的高度可變，實現(xiàn)壓縮比的變化。

荷蘭Gomecsys公司采用連桿大頭偏心環(huán)結(jié)構(gòu)，在連桿大頭內(nèi)加入偏心環(huán)，通過齒輪控制偏心輪轉(zhuǎn)動。當需要改變壓縮比時，轉(zhuǎn)動偏心環(huán)，活塞的上止點就會隨之發(fā)生變化。

德國奔馳公司采用可變氣門正時系統(tǒng)來實現(xiàn)可變壓縮比：可變氣門正時系統(tǒng)由電磁閥和可變凸輪軸相位調(diào)節(jié)器構(gòu)成，其機械原理與FEV公司相似，同樣是通過改變凸輪結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)位置，但利用了不同位置的氣門的大小不同的特點，改變進氣量來實現(xiàn)壓縮比的改變。

日本日產(chǎn)公司于1998年開始研發(fā)以多連桿結(jié)構(gòu)為核心的可變壓縮比渦輪增壓發(fā)動機，即VC-Turbo發(fā)動機。歷經(jīng)20年時間，在2018年正式量產(chǎn)，該獨創(chuàng)的多連桿系統(tǒng)能夠使壓縮比從8：1～14：1無級切換。

2.2 ?國內(nèi)研究現(xiàn)狀

過去十幾年，國內(nèi)沒有這方面公開的研究信息。但根據(jù)近三年來公開的專利信息披露，長安汽車公司已申請了一系列關于可變壓縮比發(fā)動機的專利：沖程可變的可變壓縮比機構(gòu)、偏心軸驅(qū)使傳動結(jié)構(gòu)、活塞偏心輪鉸接型連桿結(jié)構(gòu)等，其原理與國外基本一致，但與日產(chǎn)公司的多連桿結(jié)構(gòu)不同，長安汽車公司采取偏心輪與兩段可活動的調(diào)節(jié)桿聯(lián)合控制的方式來實現(xiàn)發(fā)動機壓縮比可變的功能，該結(jié)構(gòu)的應用在國際領域是屈指可數(shù)。

3 ? ?三種可變壓縮比方案的比較

為了方便推論，本文研究將基于柴油機的結(jié)構(gòu)及工況，分別搭建連桿軸頸孔偏心環(huán)調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)、連桿體絲桿縱向調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)、連桿體燕尾槽楔式橫向調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)等三種結(jié)構(gòu)的連桿模型，并介紹其實現(xiàn)可變壓縮比的原理；再以6140Q型柴油機的技術(shù)指標為參照初始量，為三種結(jié)構(gòu)進行簡易的數(shù)學建模，并仿真模擬，分析結(jié)構(gòu)受力，校驗這三種結(jié)構(gòu)在強度上所具備的可行性。

3.1 ? 連桿軸頸孔偏心環(huán)調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)

這是一種將曲軸連桿中的軸頸孔結(jié)構(gòu)改造為直徑可調(diào)的結(jié)構(gòu)：設計一種內(nèi)嵌式齒輪與帶牙型偏心輪外齒配合的調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)，代替原固定直徑的軸頸孔結(jié)構(gòu)；偏心環(huán)結(jié)構(gòu)為偏心齒輪與蓋板通過螺栓固定的組件結(jié)構(gòu)，安裝時與鎖塊、調(diào)節(jié)螺銷一起安裝于連桿主體中，螺栓插入后在非鎖塊的一端焊接六角調(diào)節(jié)塊，鎖塊的一端套入金屬鎖緊螺母，便可通過手動或電控調(diào)節(jié)內(nèi)嵌齒輪，從而轉(zhuǎn)動偏心輪，改變了活塞運動的上止點；在柴油機運行的過程，可接入電控系統(tǒng)進行自動調(diào)節(jié)，如圖1所示。

3.2 ? 連桿體絲桿縱向調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)

在連桿體絲桿縱向調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)中，將連桿主體進行分體：分體皆采用縱向與橫向銑刀切削加工，按XYZ立體坐標系，加工出限制分體x向與y向自由度的槽楔，再通過插銷螺桿與兩根限位光軸并排安裝，之后對插銷螺桿位穿入連桿頸孔處的一端焊接扳手塊以構(gòu)成調(diào)節(jié)螺銷，再對限位光軸上下兩端焊接軸盤，最后利用螺母套入調(diào)節(jié)螺銷另一端（即穿入軸頸孔處的那部分）；由于插銷螺桿插入主軸頸孔分體的孔為螺紋孔，因此通過手動或者電控扭轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)螺銷的扳手塊即可調(diào)整連桿的長度，從而達到調(diào)節(jié)柴油機壓縮比的目的；在柴油機運行的過程，可接入電控系統(tǒng)進行自動調(diào)節(jié)，如圖2所示。

3.3 ? 連桿體燕尾槽楔式橫向調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)

連桿體燕尾槽楔式橫向調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)與連桿體絲桿縱向調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)類似，也是采用螺紋螺桿來調(diào)節(jié)分體連桿長度，以達到改變柴油機壓縮比的目的。裝配時，先將燕尾楔塊插入兩個分體，然后橫向安裝螺銷和拉伸彈簧，螺銷的螺紋段插入鉆有螺紋孔的燕尾楔塊，另一端的光軸部分插入光孔的燕尾楔塊，然后用于手動調(diào)節(jié)的一頭焊接扳手塊，同時在兩個燕尾楔塊之間的螺銷段焊接墊片使其靠近在拉伸彈簧兩端的位置，使彈簧兩端頂住焊接墊片，最后在螺銷的另一頭套上鎖緊螺母，在燕尾楔塊的幫助下，可限制分體y向與z向的自由度；工作時可通過手動或者電控方式扭轉(zhuǎn)扳手塊，即可使燕尾楔塊橫向分開，實現(xiàn)調(diào)節(jié)功能；在柴油機運行的過程，可接入電控系統(tǒng)進行自動調(diào)節(jié)，如圖3所示。

4 ? ?連桿運動及受力分析

4.1 ?連桿運動分析

曲軸連桿的運動狀態(tài)，反映曲軸連桿的受力狀態(tài)。

在上述三種方案中，其曲軸連桿的運動狀態(tài)是相同的，運動簡圖如圖4所示。

圖中：L——曲軸軸心至連桿活塞銷中心的距離，mm；

H——連桿活塞銷中心與軸切點之間的距離，mm；

R——曲軸軸心與軸切點之間的距離，mm；

ω——曲軸轉(zhuǎn)角，°；

β——連桿的擺角，°；

s——活塞位移，mm。

活塞位移表達式、速度公式、加速度公式如下：

（1）

（2）

（3）

角加速度、加速度分量公式如下：

（4）

（5）

（6）

4.2 ? 連桿受力分析

發(fā)動機單缸的轉(zhuǎn)矩公式為：

（7）

式中：P——單缸功率，kW；

n——曲軸轉(zhuǎn)速，r/min；

發(fā)動機單缸功率與平均有效壓力、單缸排量有關，故可將公式（7）轉(zhuǎn)化為：

（8）

式中：pe——平均有效壓力，MPa；

Vh——單缸排量，L；

i——缸數(shù)，個；

已知6140Q柴油機的缸數(shù)為6個，曲軸轉(zhuǎn)速為1800 r/min，單缸功率為26 kW，平均有效壓力為0.68 MPa，可得曲軸連桿所受扭矩為137.9 Nm，對應單缸排量為3.5 L。

如果通過上述三種方案對連桿進行調(diào)節(jié)，按照相同的調(diào)節(jié)距c，其改變的排量是一樣的，對應的壓縮比的變化也是一樣的；但由于危險截面面積不一樣，根據(jù)經(jīng)驗判斷，連桿軸頸孔偏心環(huán)調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)的受力性能更佳，連桿體燕尾槽楔式橫向調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)受力性能最差。

從有限元分析的結(jié)果來看（圖5），連桿軸頸孔偏心環(huán)調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)的應力主要集中在連桿體的連桿孔周邊的體位上，說明其承載風險小且可控，可以通過對連桿體的截面優(yōu)化設計，即可達到對抗彎、抗扭的基本要求；而連桿體絲桿縱向調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)與連桿體燕尾槽楔式橫向調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)的應力，主要集中在連桿體分體位置，從分析結(jié)果來看，這兩種結(jié)構(gòu)抗彎抗扭能力較弱，且該處截面優(yōu)化設計空間相對較小，對調(diào)節(jié)螺桿的力學性能要求較高。

5 ? ?總結(jié)與展望

由以上分析可以得出：通過連桿軸頸孔偏心環(huán)結(jié)構(gòu)來調(diào)節(jié)活塞行程，從而改變的柴油機壓縮比具有一定的的可行性；而另外兩種結(jié)構(gòu)，則由于可變連桿的強度等不滿足要求，難以通過改變連桿的長度來實現(xiàn)壓縮比的改變。因此，通過對柴油機的連桿軸頸孔進行偏心孔結(jié)構(gòu)改造，理論上可以達到改變柴油機壓縮比的目的。但目前在柴油機的實際運用上還不夠成熟，加上水運與陸運的工況相差較大，配套電控自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)成本較高，開發(fā)難度較大，所以目前國內(nèi)還沒有可變壓縮比柴油機運用在航海領域的實例。相信經(jīng)過工藝技術(shù)的不斷優(yōu)化和發(fā)展，未來將會見到可變壓縮比技術(shù)在柴油機上廣泛應用。

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