汽车发动机可变压缩比技术
2021-05-14 08:07 艾森ECU升级(北京运营中心)
压缩比？
什么是发动机的压缩比？不论这辆车上所选装的是汽油发动机还是柴油发动机,能保持稳定且适当的压缩比才能使发动机的运转得以平顺和稳定。压缩比的定义就是发动机混合气体被压缩的程度，用压缩前的气缸总容积与压缩后的气缸容积（即燃烧室容积）之比来表示。目前，绝对大部分汽车采用所谓的'往复式发动机'，简单地讲，就是在发动机气缸中，有一只活塞周而复始地做着直线往复运动，且一直循环不已，所以在这周而复始又持续不断的工作行程之中有其一定的运动行程范围。就发动机某个气缸而言，当活塞的行程到达最低点，此时的位置点便称为下止点，整个气缸包括燃烧室所形成的容积便是最大行程容积，当活塞反向运动，到达最高点位置时，这个位置点便称为上止点，所形成的容积为整个活塞运动行程容积最小的状况，需计算的压缩比就是这最大行程容积与最小容积的比值。
压缩比与发动机性能有很大关系，我们都知道汽油发动机在运转时，吸进来的通常是汽油与空气混合而成的混合气，在压缩过程中活塞上行，除了挤压混合气使之体积缩小之外，同时也发生了涡流和紊流两种现象。当密闭容器中的气体受到压缩时，压力是随着温度的升高而升高。若发动机的压缩比较高，压缩时所产生的气缸压力与温度相对地提高，混合气中的汽油分子能汽化得更完全，颗粒能更细密，再加上刚才所说的涡流和紊流效果和高压缩比所得到的密封效果，使得在下一刻运动中，当火花塞跳出火花时就能使得这混合气在瞬间内完成燃烧的动作，释放出最大的爆发能量，来成为发动机的动力输出。反之，燃烧的时间延长，能量会耗费并增加发动机的温度而并非参与发动机动力的输出，所以我们就可以知道，高压缩比的发动机就意味着可具有较大的动力输出。
那我们又为什么要让压缩比可变呢？
一般来讲，传统发动机因为活塞运动轨迹不变，所以压缩比也是不变，也就不能鱼和熊掌兼得。换言之，当一台发动机为了省油将压缩比调高时，就不能去满足高动力需求，因为在大负荷的工况下，如果压缩比太高很容易让缸内压力暴增，从而发生发动机爆震。
但如果一台发动机能够根据工况变化来改变压缩比的话就可以彻底解决这一矛盾。也就是在缸内压力较低时（如怠速、巡航时），采用较大的压缩比，达到省油的目的，而在大负荷下（加速），则采用较小的压缩比，防止发生爆震，从而最大限度地挖掘发动机的潜力。
概念普及完毕，我们再来说说可变压缩比发动机。一般谈到可变压缩比，我们第一个能想到的就是日产，但日产不是第一个研发可变压缩比的车企。
早在2000年日内瓦车展，萨博就发布了一款可变压缩比发动机——SVC。它基于一台1.6L直列5缸机械增压发动机打造，上半部分乃气缸盖和5个气缸铸成的一体式气缸，下半部为发动机曲轴箱。
其中，下方曲轴箱保持固定不动，上方的气缸与活塞部分则会在液压执行器控制下，以曲轴为中心偏转一个较小的角度，从而改变缸盖、汽缸与曲轴之间的相对位置，以达到压缩比变化的目的。
根据资料显示，SVC可变压缩比发动机可实现14:1至8:1之间压缩比的变化，最大功率225马力，峰值扭矩305N·m，综合油耗比常规发动机低30%。
但由于结构复杂，对缸盖材料的强度要求较高，再加上萨博始终无法编写合适的控制程序来控制液压执行器，所以该项目就随着萨博的破产被藏在了历史的尘土中。萨博失败后，研发“可变压缩比”的接力棒就交到了“MCE-5 Development”手上。
这家公由法国著名工程师威阿奈·拉维创建，其在萨博的影响下，研发了“Multi Cycle Engine-5 Parameters”（多循环发动机-5 系列），以下简称 MCE-5。
但和萨博SVC不同，MCE-5是通过操纵控制齿杆，来使发动机活塞上、下止点的位置发生改变，从而实现压缩比连续可调。
具体可看下图，下图是位于发动机中央的零部件——摆杆，摆杆两侧刻有轮齿，其中左侧与活塞啮合，右侧与液压执行器操纵的控制齿杆连接。
当液压执行器使控制齿杆向上/向下运动时，活塞就可在推杆的作用下向下/向上（跟齿杆的运动方向相反），由此在活塞行程不改变的情况下，改变上、下止点的位置，使得压缩比发生改变。
值得一提的是，该发动机的压缩比可以在7：1 至 20：1间无级变化，且过程非常迅速——从最大压缩比变化到最小压缩比仅需100ms。但很可惜，依旧是因为成本太高的缘故，该项目也被搁浅，没能实现量产。
时间来到2008年，德国FEV 公司在日本科技展上发布了一款可两级调节发动机压缩比的系统——“2 Step VCR System”。该系统主要是通过曲轴的偏心位移来改变活塞、下止点的位置，进而改变压缩比大小。
其原理是在发动机曲轴中加入了偏心轴结构，使得曲轴中心线与其旋转中心线不重合，产生偏心距。继而再利用一台永磁无刷同步电机，通过偏心轴上的齿轮带动偏心轴转动，届时活塞就会在偏心距的这段距离中发生位置变化，由此调节压缩比。
不过理想很美好，现实很残酷，他们也和前两家一样，最终也没能量产这款发动机，至于原因尚不明确。
历史的车轮滚滚向前，这个难倒了众多企业的可变压发动机，终于在日产的推动下成功突破。
他们用了20年的时间进行研发、测试，终于成功的推出了世界上第一个也是唯一个量产的可变压缩比涡轮增压发动机，代号KR20DDET。
这台发动机的技术核心总结起来就是靠固定在发动机一侧的电机执行器控制一套Multi-link连杆机构，通过连杆的伸缩，改变活塞位置，以实现压缩比变化。
详情见下图，从图可知，日产VCT发动机内部结构和传统发动机差不多，唯一不同的就是下方的活塞-曲柄连杆机构，其连杆机构是由上连杆和下连杆串联而成，并由控制连杆和控制轴进行控制。
其中，控制轴由发动机机体支撑的主轴和相对于主轴偏移的偏心轴组成。控制连杆的一端与偏心轴相连，另一端与下连杆相连。当曲轴转动时，下连杆跟随曲柄销的轨道运动，并在横向移动时垂直旋转，这使上连杆和与其相连的活塞位置能够在垂直方向上改变。
当该发动机压缩比想从8：1变化到14：1时，电机会从逆时针旋转，带动1号连杆，之后1号连杆带动2号连杆，让2号连接顺时针旋转。
因为2号连杆和3号连杆衔接处带有偏心轴设计，所以当2号连杆顺时针旋转时就带动了3号连杆，让其往下走了一段。届时，4号连杆就会往上走一段，进而改变了压缩后的气缸容积，实现压缩比转化。
不得不说，可变压缩比发动机的出现，让“技术日产”四个字又更有了含金量。但凡是都有利弊，如今的技术日产，也同样被技术所折磨。比如其天籁因为节温器、变速箱等问题负面缠身。
可见对于车企而言，黑科技只能够锦上添花，并不能决定一个产品的市场成败，而想要真正获得市场认可，做出出圈的产品，还需要在技术之外，做出更多的努力。
什么是发动机的压缩比？不论这辆车上所选装的是汽油发动机还是柴油发动机,能保持稳定且适当的压缩比才能使发动机的运转得以平顺和稳定。压缩比的定义就是发动机混合气体被压缩的程度，用压缩前的气缸总容积与压缩后的气缸容积（即燃烧室容积）之比来表示。目前，绝对大部分汽车采用所谓的'往复式发动机'，简单地讲，就是在发动机气缸中，有一只活塞周而复始地做着直线往复运动，且一直循环不已，所以在这周而复始又持续不断的工作行程之中有其一定的运动行程范围。就发动机某个气缸而言，当活塞的行程到达最低点，此时的位置点便称为下止点，整个气缸包括燃烧室所形成的容积便是最大行程容积，当活塞反向运动，到达最高点位置时，这个位置点便称为上止点，所形成的容积为整个活塞运动行程容积最小的状况，需计算的压缩比就是这最大行程容积与最小容积的比值。
压缩比与发动机性能有很大关系，我们都知道汽油发动机在运转时，吸进来的通常是汽油与空气混合而成的混合气，在压缩过程中活塞上行，除了挤压混合气使之体积缩小之外，同时也发生了涡流和紊流两种现象。当密闭容器中的气体受到压缩时，压力是随着温度的升高而升高。若发动机的压缩比较高，压缩时所产生的气缸压力与温度相对地提高，混合气中的汽油分子能汽化得更完全，颗粒能更细密，再加上刚才所说的涡流和紊流效果和高压缩比所得到的密封效果，使得在下一刻运动中，当火花塞跳出火花时就能使得这混合气在瞬间内完成燃烧的动作，释放出最大的爆发能量，来成为发动机的动力输出。反之，燃烧的时间延长，能量会耗费并增加发动机的温度而并非参与发动机动力的输出，所以我们就可以知道，高压缩比的发动机就意味着可具有较大的动力输出。
那我们又为什么要让压缩比可变呢？
一般来讲，传统发动机因为活塞运动轨迹不变，所以压缩比也是不变，也就不能鱼和熊掌兼得。换言之，当一台发动机为了省油将压缩比调高时，就不能去满足高动力需求，因为在大负荷的工况下，如果压缩比太高很容易让缸内压力暴增，从而发生发动机爆震。
但如果一台发动机能够根据工况变化来改变压缩比的话就可以彻底解决这一矛盾。也就是在缸内压力较低时（如怠速、巡航时），采用较大的压缩比，达到省油的目的，而在大负荷下（加速），则采用较小的压缩比，防止发生爆震，从而最大限度地挖掘发动机的潜力。
概念普及完毕，我们再来说说可变压缩比发动机。一般谈到可变压缩比，我们第一个能想到的就是日产，但日产不是第一个研发可变压缩比的车企。
早在2000年日内瓦车展，萨博就发布了一款可变压缩比发动机——SVC。它基于一台1.6L直列5缸机械增压发动机打造，上半部分乃气缸盖和5个气缸铸成的一体式气缸，下半部为发动机曲轴箱。
其中，下方曲轴箱保持固定不动，上方的气缸与活塞部分则会在液压执行器控制下，以曲轴为中心偏转一个较小的角度，从而改变缸盖、汽缸与曲轴之间的相对位置，以达到压缩比变化的目的。
根据资料显示，SVC可变压缩比发动机可实现14:1至8:1之间压缩比的变化，最大功率225马力，峰值扭矩305N·m，综合油耗比常规发动机低30%。
但由于结构复杂，对缸盖材料的强度要求较高，再加上萨博始终无法编写合适的控制程序来控制液压执行器，所以该项目就随着萨博的破产被藏在了历史的尘土中。萨博失败后，研发“可变压缩比”的接力棒就交到了“MCE-5 Development”手上。
但和萨博SVC不同，MCE-5是通过操纵控制齿杆，来使发动机活塞上、下止点的位置发生改变，从而实现压缩比连续可调。
具体可看下图，下图是位于发动机中央的零部件——摆杆，摆杆两侧刻有轮齿，其中左侧与活塞啮合，右侧与液压执行器操纵的控制齿杆连接。
值得一提的是，该发动机的压缩比可以在7：1 至 20：1间无级变化，且过程非常迅速——从最大压缩比变化到最小压缩比仅需100ms。但很可惜，依旧是因为成本太高的缘故，该项目也被搁浅，没能实现量产。
时间来到2008年，德国FEV 公司在日本科技展上发布了一款可两级调节发动机压缩比的系统——“2 Step VCR System”。该系统主要是通过曲轴的偏心位移来改变活塞、下止点的位置，进而改变压缩比大小。
其原理是在发动机曲轴中加入了偏心轴结构，使得曲轴中心线与其旋转中心线不重合，产生偏心距。继而再利用一台永磁无刷同步电机，通过偏心轴上的齿轮带动偏心轴转动，届时活塞就会在偏心距的这段距离中发生位置变化，由此调节压缩比。
不过理想很美好，现实很残酷，他们也和前两家一样，最终也没能量产这款发动机，至于原因尚不明确。
历史的车轮滚滚向前，这个难倒了众多企业的可变压发动机，终于在日产的推动下成功突破。
他们用了20年的时间进行研发、测试，终于成功的推出了世界上第一个也是唯一个量产的可变压缩比涡轮增压发动机，代号KR20DDET。
详情见下图，从图可知，日产VCT发动机内部结构和传统发动机差不多，唯一不同的就是下方的活塞-曲柄连杆机构，其连杆机构是由上连杆和下连杆串联而成，并由控制连杆和控制轴进行控制。
当该发动机压缩比想从8：1变化到14：1时，电机会从逆时针旋转，带动1号连杆，之后1号连杆带动2号连杆，让2号连接顺时针旋转。
因为2号连杆和3号连杆衔接处带有偏心轴设计，所以当2号连杆顺时针旋转时就带动了3号连杆，让其往下走了一段。届时，4号连杆就会往上走一段，进而改变了压缩后的气缸容积，实现压缩比转化。
不得不说，可变压缩比发动机的出现，让“技术日产”四个字又更有了含金量。但凡是都有利弊，如今的技术日产，也同样被技术所折磨。比如其天籁因为节温器、变速箱等问题负面缠身。
可见对于车企而言，黑科技只能够锦上添花，并不能决定一个产品的市场成败，而想要真正获得市场认可，做出出圈的产品，还需要在技术之外，做出更多的努力。
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