浅析可变压缩比

1、浅析可变压缩比技术动机的可变气门正时、可变气门行程和可变进气歧管技术都不是什么新鲜的技术了，许多车 型都已经大量的采用了这些“可变”技术。但是发动机还有一项“可变”的技术，却是目前 量产车里面十分罕见的，这种技术可谓是发动机控制在“可变”方面的一场革命，这就是萨 博的“SVC可变压缩比技术”。我们知道，由于汽油的燃烧特性导致了汽油发动机的混和 气压力不能太高。如果气缸内的压力超过了临界值，汽油就会因为压缩而在点火之前被点燃， 这种现象被称为爆震，会对发动机带来很大的伤害。这种问题在增压发动机的设计上显得 尤为突出。固定的压缩比成为制约机械增压和涡轮增压发动机的一个很重要的因素。我们知 道，当涡

2、轮增压介入以后，燃烧室的温度和压力会大幅度升高，如果这个值过高，爆震就不 可避免。这会对发动机造出巨大伤害，同时也会影响动力输出。所以，固定压缩比的涡轮增 压和机械增压发动机只能把压缩比设计得比普通自然吸气发动机低很多。但是这种过低的压 缩比设计，又会导致发动机在增压器（特别是涡轮增压）没有完全介入时（也就是说，发动 机在低转速时），燃烧效率非常低，能产生的动力要比普通自然吸气发动机所产生的动力要 少的多。这个矛盾是促使设计师开发可变压缩比发动机的重要原因。另外，这种技术可以 让发动机在燃油适应性方面拥有巨大的优势。现在新款的主流发动机的压缩比普遍设计在 10:1以上，以获得更好的动力输出和燃

3、油经济性。但是高压缩比的发动机需要使用较高标 号的燃油，这种要求在发达国家也许不算什么，但是在国内，这种要求会降低汽车在偏远地 方的适应性，直接影响到车辆的销售。目前国内市场上的许多车型就是因为压缩比偏高而影 响了其在偏远地区的推广。例如著名的polo1.4发动机，因为压缩比太高，必须使用97号 汽油，使得polo1.4在没有97号汽油的偏远地方几乎无法销售。即便是在97号汽油充足的 大都市，也会遇见买了这类车型不敢的现远足旅行的苦恼，因为在中国，有太多地方没有 97号汽油了。但是，高压缩比设计是现在汽油发动机的一个设计趋势，太小的压缩比会降 低发动机的性能，如果将发动机的压缩比设计的很低，又

4、与发动机的主流发展方向相违背。 这种矛盾在中国及其他发展中国家显得尤为明显。这时候，可变压缩比的发动机就显得十分 可贵了。 2000年的日内瓦车展上，萨博展出了它的SVC可变压缩比发动机，当时这款发 动机震惊了整个业内。虽然在2年前就有人听说过这款发动机，但大家了解的只是一个概念。 而这次，萨博第一次向大家详细的介绍了它这款发动机的性能，其优越的特性让所有的参观 者都感叹不已。在很多年以前，制约可变压缩比发动机设计的一个很重要的原因是，工程 师们无法改变活塞上止点的位置。当时工程师设想，如果在涡轮增压器介入之前，压缩比就 像自然吸气发动机一样能达到10:1，甚至更高，当增压器完全介入以后，压缩

5、比降到7:1 以下，这样的增压发动机将是非常完美的。但由于上述的技术障碍，这种想法在当时仅仅是 空想而已，没有一个设计师能实现它。直到10多年以后的今天，萨博终于解决了这一难 题，最终设计出了可变压缩比发动机。我们下面就来看看萨博的精彩设计吧！SVC（Saab Variable Compression）发动机为了实现其可变压缩比功能，在其气缸体和气缸盖 的设计上完全打破了传统的设计理念。 先看看下面这张情况下右：低压缩比情况下SVC发动机的气缸盖和气缸体是动态连接在一起的，气缸盖 与气缸体通过一组摇臂连接（图中的桔黄色部分），摇臂能在ECU的控制下改变一定的角度， 从而改变了燃烧室的体积，也就

6、是说，压缩比也同样被改变了。 SVC比早期的可变压缩比 设计更灵敏，发动机没有其他多余的运动部件，只有气缸盖前后摆动，所以它的结构简单耐 用。由于比普通发动机多出了一套摇臂装置，所以它比普通发动机多需要一套冷却系统，它 通过气缸盖和气缸套周围的冷却水散热。由于气缸盖和气缸体会发生移位，在气缸盖和气缸 体之间设计了一组橡胶套，起到密封作用。这套可变压缩比系统允许萨博发动机可以采用 更高的增压压力（2.8bar），这个值比保时捷911Turbo的1.94bar要增加很多，甚至比萨 博9-3的Viggen发动机高出2倍。传统的涡轮增压器是无法提供如此高的增压值的，如果 要想获得如此高的增压值，只能采

7、用机械增压来替代（但是机械增压的缺陷是显而易见 的）。SVC能根据发动机的转速、负荷、工作温度、燃料使用状况等进行连续调节压缩比， 这一切，都在ECU的控制下进行，所以动力和油耗能达到完美的平衡。在日内瓦车展上展 出的这款SVC发动机已经是第三代设计了，它是一台直列5缸每缸4气阀的发动机，排量为 1598cc，但是其工作效率非常显著，它的压缩比能在8.1和14.gif/img1之间连续调节， 它能产生225匹的最大功率和304牛米的最大扭力，动力与本田的3.2升V6发动机相似， 而油耗却非常低一一比普通相同功率发动机能减少超过30%的燃油消耗。 这款SVC发动 机升功率能达到150匹每升，这个

8、指标是目前轿车发动机上最高的。同时废气排放能达到欧 四标准。这款发动机另外一个非常重要的优点，发动机的ECU能通过传感器传出的信息来判断汽油的标号，并选择最适合的压缩比。这样，它就能适应不同标号的汽油，特别是低 标号的汽油。如果国内的汽车采用了这种技术的发动机，车主们就不用在选择高性能还是高 适应性方面苦恼了。萨博早在80年代末期就开始研发SVC技术了，并且在1990年获得了 专利。当时的那款原型发动机是一台2.0排量的发动机。到了第二代，发展成1.4升直列6缸发动机，但是6缸的设计使得布置十分困难。最终直列5缸成了最佳的选择。即便到目 前，SVC发动机仍然出于试验室阶段，如果要将其量产，还需

9、要做很多的工作。优点：提 高了增压发动机的功作效率以及动力输出的平顺性，发动机的体积小重量轻，能适应各种不 同标号的燃油，环保性好 缺点：气缸盖异常复杂 下面应该这个技术领域，PSA与宝马合 作发展出的进化版本智能可变压缩比技术VCR1在2009年3月的日内瓦国际汽车展上，装 备此款1.5L MCE5 VCRi发动机的标致407也将亮相，其所使用的可变压缩比技术可将压缩 比可以控制在7.1至20.1之间，油耗仅为百公里6.7升，二氧化碳的排放量为每公里158 克而搭载这款新型发动的407也将在日内瓦车展正式亮相。此款发动机的排量为1.5L，其 最大功率为220HP(162KW/rpm),最大扭

10、矩为420Nm。这款标致1.5L MCE5 VCRi发动机所提 供的最大功率输出相当于标致3.0升V6发动机(155KW/rpm)所提供的动力，而其扭矩则达 到了一些V8发动机(陆巡LC200 4.7L V8最大扭矩410Nm；奔驰G500，5L V8最大扭矩460Nm； 陆虎发现3 4.4L V8发动机最大扭矩425Nm；奥迪Q7 4.2L V8最大扭矩440Nm)所提供的扭 矩性能。增压汽油机的可变压缩比技术匹1=1利用增压技术缩小发动机排量能兼顾汽车的动力性和燃油经济性。这对柴油 机和汽油机均适用。柴油机增压早已是司空见惯，但汽油机增压却不多见。其原 因如下：汽油机即使不增压也能轻松地达

11、到比增压柴油机还高的升功率增压会导致成本增加汽油机采用废气涡轮增压会给排放带来不利影响汽油机增压容易引发爆震如果汽油机不考虑通过转移工况点来优化燃油经济性，那么确实没有必要 采取增压。但是近年来汽油机的燃油经济性越来越受人关注，同时相当一部分用 户对汽车动力性的要求也日益高涨，所以汽油机增压越来越受到人们的关注。为了充分发挥缩小排量以提高增压汽油机燃油经济性的潜力，同时控制爆 震，不影响排放，最佳的解决方案是采用可以随着工况而改变的压缩比。相比之 下，自然吸气汽油机采用可变压缩比的意义不大；柴油机根本不需要采用可变压 缩比。比较调节机构所受的力，其中折迭式曲轴箱体（活动气缸盖和气缸筒）的 效果

12、不好，因为调节机构本身的原理决定了它处在力流之中。在连杆分成两段的 方案中，受力情况比较有利，但是操纵杆的偏心轴受到的力矩相当大。其余几个 方案都比较好，其中的可变活塞（连杆）方案仅在当时的气体力和惯性力可用于 调节压缩比，而且系统是自动稳定的情况下才比较好。在惯性力方面，活塞和连杆的调节系统有缺点，因为这种系统使得作往复 运动的质量增加了。在连杆分成两段的方案中，除了往复运动的质量提高了以外， 运动学方面的改变还会导致惯性力增大，以致在三缸和四缸机中必须进行强制性 的惯性力平衡。压缩比的可调节性，除了与作用在调节机构上的力有关以外，也与机构是 否易于接近有关。这方面，气缸盖中的副活塞和通过偏

13、心器调节的方案特别有利。在制造费用方面，对各种方案的制造过程相对于原型发动机的改变进行了 评估。分成两段、且带有操纵机构的连杆以及布置在气缸体内的折迭式机构对原 型发动机的影响最大；其他方案带来的影响比较小。关于安装空间的考虑表明， 在采用折迭式机构的方案中，进气侧和排气侧必须跟着转过一个角度。反之，在 连杆分成两段的方案中，侧置的操纵机构对发动机主尺寸的影响就成为一种缺 点。曲轴移位的方案特别有利的原因是，发动机主尺寸和安装空间的紧凑性都 可以保持不变。这个方案几乎不需要改变安装空间就可以在原型发动机上实施。可变压缩比汽油机实例SAAB公司气缸盖相对于曲轴箱侧转实现可变压缩比的增压汽油机SA

14、AB 公司的可变压缩 比技术缩写为SVC（ SVC=Saab Variable Compression）o SVC概念一个重要的优点是，它不必对已经经过实践考验的四气 门技术的燃烧室进行改造，就能够实现可变压缩比。燃烧室的设计对于燃烧过程 具有重要意义。而燃烧过程又对废气排放、燃油消耗以及发动机功率具有直接的 影响。因此，新的SVC概念能够与已有的技术兼容，这一点对于生产企业来说 十分重要。此外，在开发SVC发动机的过程中从传统的动力总成中继承了尽可 能多的基本零部件。这台可变压缩比的增压汽油机的技术数据见表2。SVC发动机跟传统发动机的主要差别在于，它分割成了上、下两部分。可 以通过液压调节

15、装置使上部相对于下部转过一个角度，从而调节压缩比（见图 2）。上部叫做整体气缸盖，包含着气缸盖和做成一体的气缸筒，见图3。下部就 是曲轴箱，由机体、曲轴、连杆和活塞组成。上、下两部分之间通过橡胶密封件 跟曲轴箱隔开，所以不会有机油喷出。跟标准发动机相比，上、下两部分之间的 分割面降低了大约20cm。这台小小的1.598升SVC五缸发动机采用机械增压器，大致达到了 3.0升 自然吸气式发动机的功率和扭矩水平，然而油耗比后者降低了三分之一左右。同 样引人注目的还有废气排放方面的优点：二氧化碳（C02）排放跟油耗成正比下 降，而一氧化碳（CO）、碳氢化合物（HC）和氮氧化物（NOX）都满足当今世 界

16、上已经生效的以及正在拟议中的一切法律条文的规定。FEV公司曲轴偏心移位实现可变压缩比的增压汽油机这项技术的核心是曲轴的偏心支承。曲轴支承在偏心器中，偏心器支承曲 轴的孔中心线和它的旋转中心线并不重合，两者之间的距离称为偏心度，见图4。 利用一台标定功率为200W的永磁激励无刷同步电机通过偏心器上的扇形齿轮 带动偏心器转动，曲柄中心线就会相对于气缸盖的位置发生改变，因而可以连续 地调节压缩比。压缩比可在8:1和16:1之间进行调节。调节时间在减小压缩比时 为0.1s，在提高压缩比时为0.3s。在压缩比的调节过程中，曲轴中心线的位置将发生改变；可是，与曲轴变 速器端和前端相连接的其他部件的位置是不

17、变的。因此，专门采用了平行的曲柄 传动机构对其进行必要的补偿，这个机构不增加安装空间，见图5。驱动侧的离 合器单元也适合于采用双质量飞轮的起动机/发电机或者集成的起动机/发电机。 气缸缸数对此影响不大。借助于偏心器调节压缩比的原理也可以用于V形发动 机，V形发动机中V形角对压缩比的影响很小，其影响可以通过软件中点火时 刻的自适应功能得到补偿。这台1.8升VCR（可变压缩比）发动机扭矩达300Nm，功率达165kW，升 功率超过90kW/L。将这台样机装在一辆成批生产的汽车上进行试验，结果表明， 样车在新欧洲行驶循环中相对于固定压缩比的原型车油耗降低7.8%，排放满足 欧洲4号排放法规要求。对这

18、台概念发动机进行了摩擦、功能和磨损方面的试验 及超过400小时的耐久试验后，证明发动机样机的摩擦与成批生产的原型机曲柄 连杆机构没有什么差别（因为平行的曲柄传动机构的传力元件是用滚针支承的）， 无论机械噪声还是燃烧噪声都不显著。可变压缩比与缩小排量和高增压概念相结合会因为它所要求增添的零部件 而使得制造成本增加，但是由此形成的优点使得这种做法变得很值得。偏心曲轴 移位的方案还有以下优点：对燃烧室几何形状的影响很小；调节机构需要的力比 较小；惯性力没有改变；摩擦没有增加；噪声没有恶化；良好的可调节性；适中 的制造费用。在以后投入成批生产时，还有以下优点值得考虑：不必为新的加工 设备投入高额投资，

19、传统的加工设备可以继续使用；主要尺寸基本上保持不变， 安装空间几乎可以不变。可变压缩比带来的好处汽油机采用可变压缩比的最大好处在于燃油经济性，此外还有许多其它好 处。适合于多元燃料驱动可变压缩比使得汽油机在所用燃料种类方面非常机动灵活，因为可变压缩 比汽油机总是以最适合于所选用的燃料的压缩比工作。如果可变压缩比汽油机采 用其辛烷值超过汽油的燃料工作，那么上述优点就会变得更大。例如，甲醇是一 种经常被用来代替汽油的代用燃料，其马达法辛烷值为88,而研究法辛烷值为 108。因此，在高转速下，甲醇达到了实际上跟汽油相同的抗爆震性；而在低转 速下则相反，它的抗爆震性远远超过汽油。可变压缩比汽油机概念能够充分利用 这种高抗爆震性，更好地利用燃料的能量。有利于降低排放为了使催化转