01.18 熱效率指日“高升”——淺談發動機可變壓縮比技術

為了實現未來的CO2減排目標，特別是針對在真實駕駛條件下的排放限值，必須要開發出技術全面的新一代動力傳動系統。除了目前汽車行業正在進行的電氣化開發之外，製造商還需要充分利用內燃機的全部潛力進行性能優化。實現可變壓縮比是各汽車製造商多年來的目標。

在點火前，空氣和燃料的壓縮程度對發動機的整體效率有著至關重要的作用。因為壓縮比總是隨著發動機轉速和負荷的變化而變化，因此要實現理想壓縮比是開發中的難題。

1．可變壓縮比技術挽救熱效率

目前廣泛使用的一種方法是結合阿特金森循環，採用可變進氣門定時，將有效壓縮比與膨脹比分離。但隨著全球行駛里程標準的提升，正迫使所有制造商尋求另外的減少燃料消耗的方法。與其他優化途徑不同的是，可變壓縮比(VCR)作為一個單獨的參數，特別是與米勒循環發動機相結合時，對改善燃油經濟性具有極大的潛能。VCR系統已逐漸成為特定車輛類型的主流技術。

目前存在著多種可能的解決方案，例如英菲尼迪通過一套多連桿機構（Multi-link）改變發動機壓縮比，由Saab生產的通過可移動的氣缸蓋和氣缸體實現可變壓縮比功能的發動機系統等。這些概念都需要開發一個全新的發動機架構來實現。然而，一種二級可變壓縮比系統（Dual Mode VCS）採用了不同的途徑。

該系統集成在一個連桿中，連桿長度在兩個階段發生變化，從而達到理想壓縮比。此解決方案可以集成到現有的系列發動機產品中，而不需要對發動機架構進行大量的更改。這意味著現有的裝配線不需要大規模的調整就可以使用，所以二級可變VCS系統成為針對大規模的CO2減排, 並能夠滿足成本效益的解決方案。

2．簡單集成，無需開發發動機架構

在二級可變VCS的開發初期，最重要的理念和優勢就是可以簡單地集成到現有的發動機架構中。這使得具有VCR技術和不能滿足VCR技術的系列發動機都能夠實現可變壓縮比，這個開發標準也是二級可變VCS將VCR技術集成到連桿的主要原因。二級可變VCS系統的二級伸縮杆在涉及到校準和控制系統時是非常有效的。另外還能夠實現多達6種不同壓縮比的變化，以確保在全球統一的輕型車排放測試規程（WLTP）中可以充分達到8%的CO2減排水平。

此外，該設計將允許車輛根據具體的駕駛週期和類別，“量身定製”具體的操作和切換策略。結合傳統的內燃機提供完全模塊化的功能，發動機製造商可以使用現有生產線。由於這種集中在連桿的設計增加了額外的質量，不僅減少了振動質量，噪聲、振動和平順性也獲得了改善，並且不需要再去更改活塞組結構。在理想情況下，可變連桿的長度變化是通過非外加手段控制的，例如油壓變化。對於二級可變的VCS，開發目標是需要實現快速響應及儘可能地降低能源消耗，確保現有系統可以覆蓋整個發動機的工況範圍。

3．WTLC工況測試結果出色

為了評估二級可變VCS解決方案和完全可變壓縮比系統的可能性，對1款2.0 L TGD 發動機進行了WLTC工況測試。測試結果顯示了發動機性能表現分為兩個領域，即高壓縮比或低壓縮比區域。在低負荷/低轉速時必須利用高壓縮比達到最大CO2減少量。在高負荷區域，採用低壓縮比來實現最大的車輛性能，從而避免爆燃狀況的發生。

由於高轉速和低負荷的區域對油耗沒有顯著影響，故採用了低壓縮比。從WLTC工況的測試結果可以得出，發動機在運行中有96.3%的時間是可以實現理想的高壓縮比。有3.7%的時間在其他工況條件下有不同的壓縮比。與英菲尼迪多連桿機構方案相比，二級可變VCS帶來的潛力似乎更勝一籌。

4．二級可變

二級可變VCS的基本功能是靠1根可伸縮的連桿來完成的，其伸縮連桿可達到兩個極端的長度位置。從運動學的角度來看，連桿小端與大端是分開的，而這兩個部分都是通過過渡接頭連接的。為了實現兩個方向的長度變化，在發動機運行時，二級可變VCS系統能夠利用氣體和慣性力，在連桿小端對活塞進行作用。過渡接頭的平移運動正好有一個自由度, 如果合力為負，那麼就縮短了連桿長度。若合力為正，則連桿長度增加。

自由度在兩個方向上都受到嚴格的機械限制。在長度變化過程中，機油油量被轉移到過渡接頭的上或下液壓室，可以看作是一個氣缸活塞系統。通過液壓閥系統內的上下壓力腔，確保了連桿在正確的方向上進行移動。當到達末端位置時，閥門系統會在發動機循環的波動負荷下，以液壓的方式將連桿鎖住，從而保證了長度的變化限制。

由AVL和iwis 動力系統公司聯合開發的二級可變VCS，在整個負荷和速度範圍內可以達到6 500 r/min的最高轉速。兩家公司在系統開發方面取得了顯著的進展，並計劃到2021年進行量產準備。在目前的發展階段，還正在收集測試數據，不久後VCS發動機將會引入模塊化的生產量產。

下一步將專注於將二級可變VCS集成到具有高功率輸出，在單缸排量0.5 L的發動機中，這一目標將是開發的主要設計路線。另外模塊化的集成方法還可以很容易地轉移到其他的發動機機型，比如單缸排量0.4 L的發動機。基於目前的設計，二級可變的VCS能夠實現的單位CO2排放的成本收益比達到35美元~ 46美元。