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1、用多连杆可变压缩比机构提高发动机 性能的研究 A Study of a Multiple-link Variable Compression Ratio System for Improving Engine Performance 可变压缩比技术的优势 提高了发动机的热效率，很大程度上改善了 发动机的燃油经济性 有利于降低排放 具有良好的燃料适应性 相同输出功率的情况下结构可以更紧凑，达 到小排量大功率、大扭矩 兼顾部分负荷时的燃油经济性和大负荷时的动力性，改善发动 机低速动力性能的同时还避免燃烧过程中的爆震风险 可变压缩比技术具有下列优势： 可变压缩比技术的必要性：随着对发动机动力性要求的
2、提高，发动机在高速大 负荷下动力性能好与中、低速中小负荷下动力性能及经济性能较差的矛盾却越 来越突出。 存在的问题 VCR发动机一般都结构复杂，通常都需要对发动 机进行大幅度改变，加工困难 新增的部件使发动机的摩擦、振动增加，也使发 动机的质量增加，这些大质量体的移动会耗费很 大一部分能量 适时准确的改变压缩比需要相应的高精度控制设 备，匹配困难 密封性问题 研发成本高 可变压缩比技术的展望 随着发动机相关理论、微机技术、电子技术、结构优化设计等技 术的飞速发展, 可变压缩比技术会越来越多地应用在发动机上, 它可使发动机的各项性能在各工况变化范围内得到优化。 VCR技术使未来的发动机趋向于小型
3、化、节能环保且能提供强大 的动力。 未来的VCR发动机应具有与现有发动机之间的互换性，以推动量 产。如现有的排气后处理系统、可变气门正时系统、变速器等均 可照常使用，而不需去重新开发。 未来的VCR发动机应与先进的电子控制系统相配合，以尽可能精 确地连续调节压缩比，使其满足不同的工况和使用要求，获得更 高的效率。 应加大可变压缩比技术研发投入，结合VVT、GDI、HCCI、涡轮增 压、稀薄燃烧等新技术来改善和提高发动机的综合性能。 可变压缩比的实现方案 压缩比的定义：气缸总容积与燃烧室容积的比值 ，改变发动机压缩比可通过改变气缸的工作容积和 燃烧室容积来实现 可变压缩比技术的实现方案： 通过改
4、变气缸盖的结构来实现 通过改变缸体结构来实现 通过改变活塞及曲柄连杆机构来实现 本文研究的主要内容是通过一种多连杆 机构（Muti-link）来改变压缩比 本文的主要内容 本文研究的主要内容是将可变压缩比 技术应用到一台涡轮增压发动机中，并研究其对 发动机性能的影响。此VCR系统使用一种新的活 塞-曲轴系统并入一个多连杆机制来改变活塞在 上止点的移动并因此获得了与工况相匹配的最佳 的压缩比。这一多连杆可变压缩比机构可以在不 提高发动机尺寸和重量的情况下安装。 结果发现：通过在发动机低负荷下 应用废气再循环并提高压缩比、在高负荷下采用 更高的增压压力并降低压缩比，这样都可以提高 发动机的燃油经济
5、性和输出功率。 多连杆VCR发动机的配置与原 理 运动规律：活塞与曲轴通过上连杆与下连杆连在一起。下连杆也通过控制连杆连接到了控 制轴偏心轴颈中心。曲轴的旋转导致了下连杆围绕着主轴颈的中心旋转，同时围绕着曲柄 销的中心转动。 压缩比改变的原理：移动偏心轴的中心向上使下连杆顺时针倾斜，因此使活塞的上止点和 下止点的位置同时下降以降低压缩比。相反，偏心轴的中心向下移动可以提高压缩比。 根据发动机的转度与负荷来改变压缩 比 在低速低负荷时采 用高压缩比14：1以 获得提高燃油经济性 的最佳效果 随着负荷的增加， 减小压缩比以防止爆 震发生 为了在全负荷时采 用高增压，将压缩比 设为最低值8：1 活塞
6、行程的特性 传统发动机的活塞运动 速度在上止点时比下止点时 要快，而VCR发动机的活塞 在上止点时移动速度变慢而 在下止点时的速度更快，因 此比传统发动机更加接近简 谐运动。 从图中可以看出VCR发 动机的膨胀行程前半部分角 度为92，比原发动机大14% ，这一特点对发动机的性能 （包括燃烧在内）产生了实 质性的影响。 活塞行程特性对各项损失的影响 时间 损失 漏气 损失 摩擦 损失 冷却 损失 时间损失 时间损失：内燃机实际循环中一个由燃烧速度的有限性所造成的损失。 两台发动机的燃烧周期基本相同，VCR发动机的活塞在上止点速度低，因此与原发动机 相比在上止点附近占用的时间长。因此，在燃烧周期
7、开始与结束时，VCR发动机活塞比原发动机 更加接近上止点位置。与原发动机相比这能减少VCR发动机的时间损失。减少时间损失能相应提 高0.5%的燃油经济性。 漏气损失 在不考虑增压的情况下， VCR发动机的漏气量比原 发动机的要高5L/min。 漏气损失增加的原因： VCR发动机的活塞在上止 点的速度较低，与原发动 机相比活塞在上止点有较 长的停留时间，而这段时 间内缸内压力比较高 摩擦损失 当燃烧压力作用于 活塞顶时，由于VCR发动机的 上连杆处于垂直状态，活塞 的侧向里大幅度降低。因此 ，活塞销所承受的负荷也降 低，这可以在活塞与活塞销 方面减少摩擦损失。因此， 由于使用较多连杆导致的摩 擦
8、增加被抵消了，总的发动 机摩擦也会降低。 在超过5000转的高 速范围内摩擦往往要比原发 动机的要高。这与VCR发动机 的主要循环部件的重量高于 原发动机的相应部件有关， 同时由于VCR发动机的多连杆 机构而带有更多的滑动部 件。 活塞拍击导致的缸体振动 实验工况： 发动机转速：1200r/min 点火时间：上止点前30 125um的安装间隙=标准水平下的实际间隙的160% 冷却损失与热平衡 冷却损失增加：活塞处于上止点附近时速度变慢，使燃烧气体较长时间处于高温高压下 “其他各类损失”：摩擦损失，泵气损失，未燃碳氢以及漏气造成的损失，其中漏气损失 增加，但摩擦损失减少，所以导致总的“其他各类损
9、失”减少。 结论：可变压缩比发动机可以获得与原发动机相同的热效率 容积效率比较 原因：由于VCR发动机的活 塞速度在下止点时更高，两 台发动机在相同的进气门关 闭时刻，可变压缩比活塞与 原发动机相比应该提高到一 个更高的位置。因此，在高 速范围进气门关闭时刻减缓 ，VCR发动机的容积效率往 往比原发动机的要低。 从图中可以看出：在中低速 范围，可变压缩比发动机的 容积效率略高，而在高速范 围容积效率比原发动机要低 采用较高的压缩比以及EGR率对降低燃油消耗的影 响 在压缩比为8.6:1的情况 下，VCR发动机可以与原发动 机获得相同的热效率。 提高压缩比可以提高 冷却损失和未燃碳氢，但降 低了
10、排气损失，因此使VCR发 动机的总热效率上升。此外 ，使用EGR降低其他各类损失 中的泵气损失与冷却损失， 这对提高燃油经济性都有很 大的影响。 高压缩比对扩大EGR极限的影 响 此时发动机的工况为：转速 2000转，有效制动扭矩60Nm， 无涡流控制阀。 与原发动机相比，VCR发动机的 活塞行程特点与更高的压缩比 的共同作用下提高了燃烧稳定 性并使喘振扭矩降低到了一个 比较低的水平。结果，可以看 出与原发动机相比，EGR的极限 提高了大约10%。 VCR发动机的扩大的EGR的极限对降低油耗的影响 从图中可以看出：仅 仅把压缩比从8.6提高 到14.3能降低油耗高达 7%，再使用EGR并使用
11、涡流控制阀提高EGR的 极限，可以降低油耗 最多为13% 实验工况：转速为 2000r/min和有效制 动扭矩为60Nm（代 表1000km/h的稳定 运行工况） 各种措施对最大功率的影响 A/R值是压气机壳体 及涡轮壳体的几何特 性数字 低速全负荷时的增压压力 降低压缩比提高了涡轮机进排气温度同时提高了排气能量，在低速区域，使得 VCR发动机以较大的A/R比提供等于原发动机相同的增压压力。因此，更高的A/R比提 高了VCR发动机的最大功率，同时能在低转速区保持与原发动机相同的功率。 结论 在一台VCR发动机上进行的实验表明在涡轮增压发动机上采用可变 压缩比机构可以对发动机的性能产生下列影响。
12、 （1）VCR发动机的活塞运动具有类似于简谐运动的特点，这可以减少摩擦 损失和时间损失，尽管冷却损失和由漏气带来的损失增加。由此产生的抵消作用 使得在同样的压缩比下，VCR发动机获得的热效率等于原发动机。 （2）涡轮增压发动机中，可变压缩比系统对发动机的性能有下列重要的影 响，它要求针对燃油经济性与功率采用不同的最佳压缩比。 燃油经济性：VCR发动机的活塞运动特点与较高的压缩比相结合可以提高燃 烧的稳定性，从而可以扩大EGR极限。结果，在日本的10-15测试模式下，降低了 10%燃油消耗。 功率：对于降低压缩比而扩大的增压压力极限与为增加排气能量而用较大 的涡轮增压器A/R比可以使最大功率提高10%。 ThankThank youyou
