可变压缩比技术对发动机性能影响的研究

可变压缩比发动机的研究摘要:可变压缩比(VCR)对汽车的节能减排有重要作用，是改善汽车动力性、经济性及排放性能的重要技术之一。

本文从理论上分析了可变压缩比在汽车上应用的必要性，介绍了可变压缩比技术的意义、国内外研究现状及存在的问题，系统地总结了可变压缩比的实施方案。

关键词:发动机；可变压缩比(VCR)；节能减排Study of Variable Compression RatioEngineRui Xu(School of Automotive and Traffic Engineering,JiangsuUniversity,Zhenjiang,212013)Abstract:The variable compression ratio ( VCR ) is an important partof the energy saving and emission reduction in automobile，and it is one of the most important technology to improve the dynamic performance，economic performance and emission performance of automobile.This paper analyzes the necessity of the application of variable compression ratio in automobile． And it introduces the meaning of variable compression ratio ，the status of domestic and international research ，and existing problems.This paper systematically summarizes the implementation of the program of the variable compression ratio．Key Words:Engine;Variable Compression Ratio(VCR); Energy Saving and Emission Reduction引言严峻的能源形势和日益严格的排放法规使传统发动机，尤其是传统的车用发动机面临着严峻的生存挑战。

解析可变压缩比发动机（VCR）以及优劣势八月，日产宣布首款拥有可变压缩比技术（VCR - Variable Compression Ratio）的2.0升量产增压汽油机将被搭载于下一代英菲尼迪QX50。

该车将已于九月的巴黎国际车展正式亮相。

这是自从各大公司于上世纪末开始研究此类技术以来的第一款量产发动机，此举对内燃机发展方向有十分重要的意义。

英菲尼迪Q50该款2.0升汽油发动机最大功率200kW（升功率数据与现在主流的90-100kW/L左右相近），最大扭矩390Nm，与目前英菲尼迪正在使用的3.5升V6发动机数据相当，所以今后将会取代3.5升自然吸气发动机。

根据日产的数据，相比该3.5升发动机，新的2.0升产品可降低油耗27%（这也同时从一个侧面证明了适度小排量化带来的改善）。

为此立了大功的就是可以在8:1和14:1之间随意变化的VCR技术。

另外，这款发动机还将配备双喷技术（气道喷油缸内直喷）控制颗粒物排放。

什么是可变压缩比发动机压缩比是自然吸气发动机和增压发动机的最核心区别之一。

为了克服爆震问题，增压发动机需要降低压缩比，而这一举动将会降低发动机的效率。

有了VCR可变压缩比（Variable Compression Ratio），就可以在低载荷时使用高压缩比提高效率，在高载荷时降低压缩比克服爆震。

其实就像电喷，柴油共轨，可变气门正时等技术一样，给内燃机加入更多的智能控制系统来适应不同的场合，就像正式场合要喝葡萄酒香槟，看欧洲杯喝啤酒，撸串要喝二锅头。

下面这张图对比了在同一进气量和喷油量时不同压缩比带来的影响。

高压缩比（CR）由于受到爆震限制无法达到最大效率（最高发动机输出载荷BMEP）。

而过低的压缩比虽然可以达到局部优化BMEP，但是低压缩比导致BMEP的最大潜力受到局限。

所以最佳压缩比永远是各参数取舍的结果。

压缩比与效率取舍（来自SAE论文2003-01-0398）小编认为，这一技术在汽油机上应用的潜力更大，因为柴油机压缩比一般大致在15左右（当然，柴油机在满载也会受到最大缸压的限制，VCR仍能带来帮助），而汽油机普遍压缩比在10左右，改善空间更大。

汽车发动机的可变压缩比（VCR）创新设计摘要：背景：在追求动力性能和经济性能兼顾的今天，多少人一直在为创造出小排量，大功率引擎结构而努力。

不断需求更新更好的技术，纵观世界知名的汽车企业技术，如HONDA的VTEC、BMW的VANOS、TOYOTA的VVT-I等无不是工程师的智慧与汗水的结晶。

大家都知道这条探索之路没有终点。

而我们仅能为追求更好更优地改善或探索新型引擎做出自己的不懈的努力。

汽车发动机的可变压缩比技术(VCR)技术早在2000年或更早就与有人提出，这种可变压缩比发动机”向汽车工业提供了必要的战略，以生产具有吸引力，功率强大，燃料消耗经济的汽车。

这种汽车把燃料油消耗降低了30%，从而能够满足欧洲和全世界减少温室效应气体排放的目标，只采用传统的污染治理措施（三元催化器），就可以符合降低污染排放的规定。

至今，已有诸多关于VCR的设计。

目前，最具影响的有以下几项：萨博的SAAB方案、法国公司MCE-5可变压缩比发动机、以及NISSAN的VCR技术。

我们出于目前中国能源短缺及环保的要求，大胆的提出了我们的方案及探索。

方案：在我们提出的汽车VCR的方案中，相对于传统的发动机增加了些许的机构，实现的可变过程可由ECU控制，其控制策略为由ECU控制液压枪，液压枪推动顶杆，顶杆上串取的可变凸轮再一次的推动下一级顶杆，由这一级的顶杆拨动齿轮，引起曲柄销的旋转，曲柄销也串联了凸轮，这样旋转后的曲柄销便可带动连杆上移或下移。

从而引起压缩比的变化（详见正文）。

结果：我们提出的方案在理论上能够完成我们的目标，实现可变压缩比变化。

该装置的创新点在其不同于一般的实现VCR方案，即通过改变活塞的顶部来实现VCR。

而是巧妙地通过一系列机械传动来改变凸轮的升程从而达到“改变”了连杆的长度的方法来改变燃烧室的容积，从而实现VCR，我们的装置可实现的压缩比变化范围在15≤ξ，此外其响应效果显著, min7≤.0024000r时为s3.0/~08.0，。

压缩比对柴油机性能的影响一柴油机的建模1.1G T-POWER的介绍GT—SUITE是一个集成化的CAE软件包，要应用于发动机、动力系统、车辆性能等的设计和分析工作，包括下列模块:GT-POWER, GT-COOL, GT-DRIVE等。

其中GT—POWER已经被用于全球众多领先的发动机和车辆的制造厂、研究所，是一款几乎成为工业标准的发动机仿真软件。

它具有使用方便以及与GT—SUITE其它模块高度集成等优势。

在同类软件中,GT—POWER是最全面、最灵活的一种仿真软件，市场占有率最高，适用于许多研究开发项目。

GT—POWER可以用于发动机稳态和瞬态的仿真计算，也可以用于发动机／动力系统的控制系统分析。

它适用于几乎所有形式的内燃机，同时用它的部件可以搭建出用户设计的各种新型发动机。

GT—Power的主要应用于:(1)发动机定工况、变工况的计算;(2)功率、扭矩、油耗等性能参数的计算;(3)涡轮增压器匹配和响应特性，废气旁通阀的设计;(4)气门升程曲线和正时的优化;(5)进排气系统／机体干扰分析 ;(6)管路系统温度，气缸部件的热分析;(7)EGR(废气再循环)管路系统的设计;(8)迸排气的噪声，消声器、谐振腔的设计;(9)发动机控制功能的设计;(10)燃烧分析，HC、CO、NO和碳烟的排放分析;X1.2 基本功能模块及其功能的介绍（1） GT-power 模型数据库（Template）的组织体系，GT-power 的模块数据库是用户建模的基础，根据物理模型的特点，数据库主要分为七大类：●Flow：与流动有关的模块，如管道、阀门等，同时还包括气体、燃油的特性数据等。

这是GT-power 使用频率最高的一类模块。

●Mechanial：与机械结构有关的模块，如弹簧、内燃机机体等，还有多种金属的特性数据等。

●Thermal：附加的一些热计算模块，如有限元热计算模块等。

●Electrical：与电、磁有关的模块，如电动机、电池、电磁阀等。

第17卷第16期2017年6月 科学技术与工程Vol. 17 No. 16 Jun. 20171671 —1815(2017) 16-0061-07Science Technology and Engineering© 2017 Sci. Tech. Engrg.能源与动力工程基于可变压缩比技术大功率低热值气体燃料发动机性能优化魏洪元葛文庆*梁箫箫李波(山东理工大学交通与车辆工程学院，淄博255049)摘要为充分利用低热值气体燃料以缓解能源危机带来的压力，改善大功率低热值气体燃料发动机的燃烧过程和热效率，建立了大功率低热值气体燃料发动机的热力学循环仿真模型。

研究了可变压缩比对发动机各负荷下性能和燃烧过程的影响 规律，并对各工况下的压缩比进行数值优化。

结果表明：大功率低热值气体燃料发动机应用可变压缩比技术，可以使发动机 适应不同成分和理化性质的低热值燃料。

部分负荷工况下，可以使发动机压缩比大幅提高，提高部分负荷下混合气压缩效果，改善了发动机的燃烧过程。

应用可变压缩比技术，在中等负荷工况下热效率改善效果在4% ~ 8%左右，小负荷较高转速 下，热效率改善效果接近10%。

可变压缩比改善了大功率低热值气体燃料发动机的热效率，为充分利用低热值气体燃料奠定 了理论基础。

关键词大功率低热值气体燃料发动机可变压缩比 热效率 发动机性能爆震中图法分类号TK464;文献标志码A石油储量严重下降和大气污染的恶化，严重限制了社会的发展和人民生活水平的提高，人们迫切 希望改变当前的能源结构[1]。

与传统的化石能源 相比，天然气、煤层气、瓦斯等低热值气体燃料更加 清洁高效，污染物排放也大幅减少。

近年来，世界很 多国家相继把低热值气体燃料的动力应用提到了发 展规划中，国内也出台了一大批政策鼓励和促进低 热值气体燃料产业的发展。

低热值燃料的动力应用 方面，国内研究人员在大功率低热值气体燃料发动 机整机性能开发、燃烧系统参数、提高稀燃极限和 Millei •循环等方向做了大量的研究[2_4] ’对低热值燃 料的利用做出来重大的贡献。

学习报告：发动机可变压缩比技术简介：2008年在金融危机席卷全球之际，全球汽车工业都受到了严重的影响，美国三大汽车集团甚至面临破产的尴尬局面。

随着油价会继续的走高，发展新型节能高效发动机对振兴全球汽车工业十分重要，在未来的20至30年，全球的新能源发动机的需求量将超过现有需求量的80%。

在这种情况下，应运而生的可变压缩比技术，无疑受到了人们的广泛关注。

这项技术可以说是对发动机新技术探索的一种前瞻，一旦发展成功将具有很大的发展潜力，这种可变压缩比的新技术说明目前内燃机形式的发动机仍有很大潜力可挖而且一旦取得商业成功将会对现在同样尚不成熟的燃料电池技术产生很大的冲击。

但目前来说这款发动机被真正应用到量产的商品车上的几率不是很大，还有许多诚待解决的技术问题和成本问题，也许未来需要走的路还很长，但其巨大的发展潜力，还是深深吸引着人们的关注。

关键词：萨博的SVC可变压缩比技术、法国MCE—5可变压缩比发动机、日产VCR可变压缩比发动机、燃油经济性、燃烧热效率、降低成本、量产化正文：（一）可变压缩比的目的：提高增压发动机的燃油经济性。

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。

基于可变压缩比技术的均质压燃发动机动力学研究近期，均质压燃技术成为国内外专家学者研究较多的一种新型燃烧方式。

较高的热效率、极低的NOx及PM排放使得这种技术的应用前景十分乐观。

但均质压燃技术着火燃烧的过程主要受燃料与空气反应的化学动力学所控制，只能通过间接方式控制着火时刻控制及燃烧过程，故着火时刻控制成为均质压燃技术能否广泛应用的关键。

可变压缩比技术能够有效解决着火时刻控制的问题，本文提出了一种液压容积调节可变压缩比机构，能够有效控制气缸内压缩比，进而控制均质压燃着火时刻，使这一领域的研究更为深入。

并建立此机构的三维模型及动力学模型，运用动力学分析，对此机构的可行性进行了验证。

标签：可变压缩比机构；可变连杆；机构设计；动力学分析0 引言当前，全球汽车保有量不断增加，然而能源日趋匮乏，排放法规越来越严格，因此研发节能、清洁和高效的内燃机具有重要意义[1]。

均质压燃（HCCI，Homogeneous Charge Compression Ignition）作为一种全新的燃烧技术，被认为是发动机燃烧技术的一个重大进步[2]。

实验数据表明其优点是：①可以同时保持较高的动力性和燃油经济性；②可同时降低NOX和PM [3]。

目前HCCI發动机技术还不够成熟，尚待解决的主要技术难题主要有：着火时刻和燃烧速率的控制；高负荷下功率输出不足；发动机变工况运行的适应性；发动机冷起动；多缸机各缸均匀性的保证等。

针对HCCI发动机存在的技术问题，现解决方案主要有：可变压缩比（VCR）；EGR（废气再循环）；双模式运行等[4]。

上述各种难题解决的关键因素是对混合气成分、温度和压力的控制，其中温度的控制尤为重要，故可变压缩比技术是解决HCCI发动机技术难题最主要的有效手段之一[5]。

精确、适时、连续、各缸独立可调的可变压缩比技术突破意味着HCCI 发动机技术的突破，其意义非常重大。

1 可变压缩比机构三维模型设计本文考虑到设计的曲柄连杆机构较为复杂，研究中用三维CAD软件来构造其几何模型，本文选用SolidWorks三维建模软件对其进行模型的建立[6]。

汽车可变压缩比发动机有什么优势和缺点？
发动机的压缩比是影响发动机性能的一个重要参数，传统发动机中，汽油机的压缩比一般介于8-12左右，柴油机的压缩比要高于汽油机的压缩比，能达到12-22.当发动机确定之后，一般而言，相应的压缩比也随之确定，并且为一固定值，但是固定的压缩比不能充分发挥发动机的性能，在小负荷低转速运转时，发动机的热效率很低，可用较大的压缩比，而在大压缩比下，在大负荷高转速运转时，则很容易发生爆燃并产生很大的机械和热负荷，那么可变压缩比就能比较好的处理这个问题了。

可变压缩比的目的在于提高增压发动机的燃油经济性，主要运用在带有增压的发动机上。

不同厂家实现可压缩比的方法不同，但是要想实现可变压缩比，就必须从怎样改变燃烧室容积和工作。

燃烧室的容积由活塞顶盖，气缸和气缸盖3部分组成，所以可变压缩比一般也是围绕这三个方面做的改善，通用的包括：通过改变气缸盖的结构来实现或者改变缸体的结构来实现以及通过改变活塞与曲柄连杆机构来实现。

其中，萨博SVC发动机是通过活塞运动到上止点的位置的变化来改变燃烧室容积从而改变压缩比的，其压缩比值可在8:1-14:1之间变化。

此外，还有法国的MCE发动机，多连杆VCR发动机等也是通过不同的途径改变发动的压缩比。

可变压缩比技术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，有利于降低排放并提高发动机运行的平稳性。

但是其也存在不少的问题，可变压缩比发动机的研发及制造成本高，结构比较复杂，对加工制造和后期的维修也带来一些问题，同时，新添加的可活动的零部件也增加了发动机的总质量。

可变压缩比技术一．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。

二．可变压缩比技术的必要性随着对发动机动力性要求的提高，发动机都在高速大负荷下动力性能号与中、低速中小负荷动力性能及经济性能较差的矛盾却越来越突出。

三．可变压缩比技术具有大优势：1.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。

2.有利于降低排放。

3.具有良好的燃料适应性。

4.相同输出功率情况下结构可以更紧凑，达到小排量大功率、大扭矩。

5.兼顾部分负荷时的燃油经济性和大负荷是的动力性，改善发动机低速动力性能的同时还避免燃烧过程中的爆地震风险。

四．存在的问题1.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。

2.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。

3.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。

4.密封性的问题，研发成本高。

五．可变压缩比技术的实现方案1.通过改变气缸盖的结构来实现。

2.通过改变缸体结构来实现。

3.通过改变活塞及曲柄连杆机构来实现。

在运动部分采用可变机构可分为（1）活塞上部活动方式（2）采用活塞销偏心衬套方式（3）采用曲柄销偏心衬套方式在静止部分采用可变机构可分为：（1）多连杆方式（2）气缸盖活动方式（3）燃烧室容积可变方式（4）曲轴主轴颈偏心衬套方式六．性能指标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。

摘要本文首先在建立的GT-POWER一维仿真模型中，通过调节进气门早关、晚关及升程来达到改变有效压缩比的目的。

主要探究不同进气门控制策略对发动机泵气损失、机械摩擦、传热、排气能量损失、有效功和经济性的影响。

同时，在搭建的AVL-FIRE模型中，选取发动机2200r/min、25%负荷为研究工况，选用进气门早关策略中A1（进气门最早关闭时刻）控制方式和进气门晚关策略中E1（保持原机进气门升程）控制方式进行分析，探究不同控制方式对缸内气流运动的影响。

经过研究得出以下结论：1.在各负荷喷油量保持不变的工况下，采用进气门早关控制方式，无节气门控制使得发动机泵气损失大大降低；同时得益于有效压缩比的不断降低，发动机泵气损失、机械摩擦和平均传热率随着进气门早关角度的增加而减小；而由于有效压缩比不断降低不利于燃料快速燃烧，发动机的排气能量损失随着进气门早关角度的增加而增大；发动机的有效功和经济性随着进气门早关角度增大也得到不断的提升；A1（进气门早关）控制方式虽然采取无节气门控制使得气体在进气冲程初期迅速进入气缸，有利于增强气流运动，但是由于进气门提早落座导致在进气冲程中后期再无高速气流涌入气缸，无法为缸内气流提供新的运动能量，使得缸内气流运动强度迅速下降；该控制方式在进气冲程初期的缸内滚流运动、涡流运动和湍流运动强于E1（进气门晚关）和原机控制方式，但是在进气冲程末期至压缩冲程中期的缸内滚流运动、涡流运动和湍流运动要弱于其他两种控制方式，在压缩冲程末期的气流运动要弱于原机控制方式而强于E1（进气门晚关）控制方式，同时与其他两种控制方式不同的是在点火时刻其湍动能中心处于近排气门侧；在满足各工况进气量的前提下，进气门最早关闭时刻的控制方式（有效压缩比最小）对经济性提升最好。

2.在各负荷喷油量保持不变的工况下，采用进气门晚关控制方式，由于仅是调整进气门升程而并未对进气门晚关角度进行调整，所以有效压缩比不变，导致各项性能变化不大。