日產(chǎn)可變壓縮比發(fā)動(dòng)機(jī)

日產(chǎn)可變壓縮比發(fā)動(dòng)機(jī)可變壓縮比的目的在于提高增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性。在增壓發(fā)動(dòng)機(jī)中，為了防止爆震，其壓縮比低于自然吸氣式發(fā)動(dòng)機(jī)。在增壓壓力低時(shí)熱效率降低，使燃油經(jīng)濟(jì)性下降。盡管世界新能源汽車(chē)、新動(dòng)力汽車(chē)在加速研發(fā)，但是迄今仍占主流地位的汽油機(jī)或柴油機(jī)還在不斷改進(jìn)其結(jié)構(gòu)與性能。例如2005年2月，日產(chǎn)汽車(chē)公司發(fā)表可變壓縮比發(fā)動(dòng)機(jī)：本田汽車(chē)公司在同年7月也發(fā)表了通用型發(fā)動(dòng)機(jī)，采用阿金遜（ATKINSON）循環(huán)的結(jié)構(gòu)。不論哪一種都是在原來(lái)的固定的曲柄連桿機(jī)構(gòu)中引入可變功能，以提高發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率。迄今研究開(kāi)發(fā)的可變壓縮比機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)與存在的問(wèn)題可變壓縮比的目的在于提高增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性。在增壓發(fā)動(dòng)機(jī)中，為了防止爆震，其壓縮比低于自然吸氣式發(fā)動(dòng)機(jī)。在增壓壓力低時(shí)熱效率降低，使燃油經(jīng)濟(jì)性下降。特別在渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)中由于增壓度上升緩慢，在低壓縮比條件下，扭矩上升也很緩慢，形成所謂的增壓滯后現(xiàn)象。也就是說(shuō)。發(fā)動(dòng)機(jī)在低速時(shí)，增壓作用滯后，要等到發(fā)動(dòng)機(jī)加速至一定轉(zhuǎn)速后增壓系統(tǒng)才起到作用。為了解決這個(gè)問(wèn)題，可變壓縮比是重要方法。就是說(shuō)，在增壓壓力低的低負(fù)荷工況使壓縮比提高到與自然吸氣式發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比相同或超過(guò)：另一方面，在高增壓的高負(fù)荷工況下適當(dāng)降低壓縮比。換言之，隨著負(fù)荷的變化連續(xù)調(diào)節(jié)壓縮比，以便能夠從低負(fù)荷到高負(fù)荷的整個(gè)工況范圍內(nèi)有效提高熱效率。

ffl1日產(chǎn)可蟲(chóng)匹埔比荻功機(jī)ffl1日產(chǎn)可蟲(chóng)匹埔比荻功機(jī)?璀用香晦繁仙精M構(gòu)J：中木YGF1?*FHH-MJ￡MNiKiM蛇占口宙懺機(jī)料<1也!N—■柄#11懺點(diǎn)暮一B■與座■■近,眸注肝料WLSHH1a■ttJ（財(cái)tl?用切啟址早所.仙《體■^xw職采用這樣原理的可變壓縮比是簡(jiǎn)單的，然而實(shí)際情況卻難以實(shí)現(xiàn)，這是由于往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)的曲柄連桿機(jī)構(gòu)不僅是把活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為圓周運(yùn)動(dòng)，也是發(fā)生強(qiáng)大作用力的主要機(jī)構(gòu)。實(shí)現(xiàn)可變壓縮比的機(jī)構(gòu)有多種方案。（圖2）其大致上可分為在運(yùn)動(dòng)部分采用可變機(jī)構(gòu)和在靜止部分采用可變機(jī)構(gòu)兩種。美甘*|土郵茸的工n小，MJR加圖備日產(chǎn)可耋壓宣tt美甘*|土郵茸的工n小，MJR加圖備日產(chǎn)可耋壓宣tt投劫機(jī)的曲糟鈉呻哧昨?沽曲柄岬蕓蔑走胳編檢-提H曲陪的用性.帕曲ifiinfiE<^K4如.由■峰H瑁曲用鐘|桂行御睥嚀壬g附揪岑端直氐內(nèi)的命比的別構(gòu)汀,種茵的*連什我的FEV公韌屈貴建而開(kāi)袤■姑主牯辨11心某葬芯式一tfliFB尸青tflSE?&袖魘■岫，舞幸正杵方氏，采朗討鼻機(jī)仍■疾JSl*r3Sft?FE美■氏或醐寸為工作財(cái)頑wrp-fflUTA^in%芒迎出在運(yùn)動(dòng)部分采用可變機(jī)構(gòu)中可分為（a）活塞上部活動(dòng)方式；（b）采用活塞銷(xiāo)偏心襯套方式：（c）采用曲柄銷(xiāo)偏心襯套方式?；钊喜炕顒?dòng)方式是指改變活塞銷(xiāo)與活塞頂面的距離；而活塞銷(xiāo)偏心襯套方式與曲柄銷(xiāo)偏心襯套方式，其本質(zhì)上是通過(guò)改變連桿的長(zhǎng)度以調(diào)節(jié)壓縮比。這些方式由于采用液壓方式進(jìn)行遠(yuǎn)距離操縱，難以使所有的氣缸同步進(jìn)行壓縮比調(diào)節(jié)，因而使壓縮比連續(xù)可變也變得困難。此外，活塞上部活動(dòng)方式使活塞重量增加一倍，不適用于高轉(zhuǎn)速。由于這一原因，日產(chǎn)汽車(chē)公司以前曾經(jīng)在國(guó)際汽車(chē)展中展出過(guò)活塞上部滑動(dòng)式機(jī)構(gòu)，并未付諸實(shí)用。靜止部分采用組裝可變機(jī)構(gòu)的方式可分為(d)多連桿方式：(e)氣缸蓋活動(dòng)方式；(f)曲軸主軸頸偏心襯套方式；(g)燃燒室容積可變方式。多連桿方式(Multilink)是把連桿分為二部分，通過(guò)改變兩者的彎曲角以實(shí)現(xiàn)改變連桿長(zhǎng)度。氣缸蓋活動(dòng)方式就是相對(duì)于曲軸使氣缸蓋與氣缸發(fā)生變動(dòng)。曲軸主軸頸偏心襯套方式就是相對(duì)于氣缸體使曲軸發(fā)生變動(dòng)。而燃燒室容積可變方式則是通過(guò)設(shè)置在氣缸蓋內(nèi)的柱塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)改變?nèi)紵胰莘e。以上四種方式都存在著一些問(wèn)題。日產(chǎn)汽車(chē)公司選定的多連桿方式存在的問(wèn)題是：發(fā)動(dòng)機(jī)外形尺寸或振動(dòng)增加，由于可活動(dòng)部位增加而導(dǎo)致摩擦損失相應(yīng)增加。瑞典薩博(SAAB)公司開(kāi)發(fā)中的氣缸蓋活動(dòng)方式，可活動(dòng)部分的質(zhì)量大，其移動(dòng)需要大能量。而曲軸主軸頸偏心襯套方式一看就很簡(jiǎn)單，但是由于輸出軸位置要移動(dòng)，所以必須考慮與變速器結(jié)合或配合的課題。德國(guó)大眾汽車(chē)公司已開(kāi)發(fā)的燃燒室容積可變方式，其存在的問(wèn)題是，在低壓縮比時(shí)燃燒室形狀不能適應(yīng)容積可變方式。計(jì)算機(jī)仿真的產(chǎn)物日產(chǎn)汽車(chē)公司選擇多連桿方式是因?yàn)橥ㄟ^(guò)多連桿有效配置具有解決問(wèn)題的可能性。擔(dān)任可變壓縮比機(jī)構(gòu)開(kāi)發(fā)的日產(chǎn)綜合研究所青山俊一主任研究員稱(chēng)，為了調(diào)研可變壓縮比機(jī)構(gòu)的情況，訪問(wèn)了德國(guó)的FEV工程公司。這是因?yàn)镕EV公司已經(jīng)開(kāi)發(fā)多連桿可變壓縮比機(jī)構(gòu)。但在訪問(wèn)中獲知該項(xiàng)開(kāi)發(fā)已經(jīng)終止。其原因是不能解決振動(dòng)大的問(wèn)題。但是，他又認(rèn)為，如果該多連桿方式會(huì)增大振動(dòng)，則反過(guò)來(lái)說(shuō)，如果有效配置多連桿機(jī)構(gòu)也可能降低振動(dòng)。所以近一年來(lái)，數(shù)億次的對(duì)多連桿配置進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真。其中向外亮相的多連桿配置的研發(fā)成果就是這次發(fā)表的日產(chǎn)VCR(VariableCompressionRatio)可變壓縮比機(jī)構(gòu)。這種機(jī)構(gòu)如圖1所示，它采用在曲柄銷(xiāo)轉(zhuǎn)動(dòng)部位擺動(dòng)的杠桿的一端與連桿連接，而杠桿的另一端則采用與控制軸延伸出來(lái)的連桿相連接的構(gòu)造。連桿與控制軸的偏心部分連接，當(dāng)控制軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，控制軸連桿使曲柄銷(xiāo)回轉(zhuǎn)而使杠桿擺動(dòng)。由此，活塞的上止點(diǎn)的位置作上下移動(dòng)，從而能夠連續(xù)改變壓縮比。重動(dòng)凱的舌童距度斐教存上止或姑別篇火r而在下止點(diǎn)遠(yuǎn)割景慢.fEftB產(chǎn)菖尊鹽詞舞液的町查屆度比鬟劫劇的沽■建度宜化幾『無(wú)正蘊(yùn)皤螃第秋.重動(dòng)凱的舌童距度斐教存上止或姑別篇火r而在下止點(diǎn)遠(yuǎn)割景慢.fEftB產(chǎn)菖尊鹽詞舞液的町查屆度比鬟劫劇的沽■建度宜化幾『無(wú)正蘊(yùn)皤螃第秋.在上下對(duì)林附通度文代方而，意郵杠法甄的二就插動(dòng)好■.牌正可孤的釁曲的雌姓手istffiatsa規(guī)的正覆西我-V?酎何住瞿植所」一-g可登漩比咂囪控制軸連桿使杠桿的一端向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，則杠桿的另一端把曲軸連桿向上推壓，于是活塞的上止點(diǎn)向上移動(dòng)，壓縮比提高而控制軸連桿把杠桿的一端向上抬起時(shí)，則連桿的另一端把曲軸連桿向下推壓，活塞的上止點(diǎn)向下移動(dòng)，于是壓縮比降低。壓縮比的變化范圍在渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)中設(shè)定在14~8之間，在低增壓的低負(fù)荷時(shí)提高壓縮比，有利于降低燃油耗；而在高增壓的高負(fù)荷時(shí)降低壓縮比以防止爆震。此外曲軸銷(xiāo)杠桿具有擴(kuò)大行程達(dá)到原來(lái)13倍的功能，所以能夠縮短曲柄臂長(zhǎng)度并提高曲軸的剛性。如果保持與原來(lái)相同的剛性則使曲柄銷(xiāo)小徑化；另一方面寬度增加的曲柄銷(xiāo)起到確保杠桿兩端連接銷(xiāo)軸承面積的作用（圖3）?？刂票塾呻妱?dòng)執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)。電動(dòng)執(zhí)行器是由電機(jī)、梯形螺釘、螺帽構(gòu)成，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)梯形螺釘時(shí)，則螺帽作軸向移動(dòng)，這種位移被傳遞到控制軸的叉形部分，其彎曲角最大達(dá)到100°時(shí)控制軸作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。壓縮比從最大值變化到最小值所需要的時(shí)間比增壓壓力上升所需要的時(shí)間要短，為0.4秒?；钊鶑?fù)運(yùn)動(dòng)的改進(jìn)與活塞敲缸的限制效果日產(chǎn)可變壓縮比機(jī)構(gòu)還有其他兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)。第一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)幾乎接近正弦曲線；第二個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，顯著降低了活塞的敲缸聲。前者使直列4缸發(fā)動(dòng)機(jī)特有的慣性二次振動(dòng)接近于零，而后者由于增加連桿而導(dǎo)致摩擦增加也相互抵消。這些優(yōu)點(diǎn)是經(jīng)過(guò)數(shù)億次對(duì)連桿配置進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真所獲得的結(jié)果。在直列4缸發(fā)動(dòng)機(jī)中發(fā)生二次振動(dòng)是由于曲軸連桿的長(zhǎng)度有限引起的。有限長(zhǎng)度的曲軸連桿通過(guò)改變其傾斜角度在上止點(diǎn)使活塞速度發(fā)生急速變化，而另一方面在下止點(diǎn)時(shí)使活塞速度變化慢。其結(jié)果是，活塞速度的變化形成上下不對(duì)稱(chēng)，即使是4缸直列配置也存在二次慣性力。當(dāng)然，如果曲軸連桿的長(zhǎng)度無(wú)限長(zhǎng)，則活塞的速度變化呈正弦曲線，然而這在實(shí)際上是不可能的。所以，日產(chǎn)汽車(chē)公司的可變壓縮比機(jī)構(gòu)（VCR）利用杠桿的擺動(dòng)，使活塞的速度變化接近正弦曲線（圖5）。具體來(lái)說(shuō)，相對(duì)于曲軸連桿使杠桿作彎曲擺動(dòng)，以便達(dá)到上下幾乎對(duì)稱(chēng)的速度變化。就是說(shuō)，杠桿具有擴(kuò)大行程的作用，能夠縮短曲柄臂。另一方面，曲軸連桿與原來(lái)相等，所以支配活塞速度變化的連桿比增大。由此與采用長(zhǎng)曲軸連桿一樣，這類(lèi)活塞速度變化接近正弦曲線。由于發(fā)動(dòng)機(jī)底座采取了降振措施而減少了二次振動(dòng)。采用日產(chǎn)汽車(chē)公司可變壓縮比機(jī)構(gòu)的4缸發(fā)動(dòng)機(jī)與未安裝平衡軸的原機(jī)型相比，二次振動(dòng)顯著降低。特別在4000~4500r/min轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)二次振動(dòng)幾乎降低為零。而安裝平衡軸的發(fā)動(dòng)機(jī)的二次振動(dòng)介于兩者之間（圖4）。以正弦曲線為特點(diǎn)的活塞速度變化也具有減少扭矩變動(dòng)的效果。在往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)中，其扭矩最大值出現(xiàn)在爆發(fā)沖程的活塞接近上止點(diǎn)剛過(guò)的位置。作用于活塞頂部的燃燒氣體壓力在上止點(diǎn)后達(dá)到最大值，所以曲軸連桿與曲柄臂差不多處于同一直線上時(shí)，幾乎，不發(fā)生扭矩變化。當(dāng)活塞稍向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，曲軸連桿發(fā)生傾斜，其與曲柄臂交角接近直角時(shí)則產(chǎn)生最大扭矩。當(dāng)活塞再往卞運(yùn)動(dòng)時(shí)，燃燒氣體的壓力下降，輸出扭矩也下降。當(dāng)活塞的速度變化接近正弦曲線，燃燒氣體壓力高時(shí)，活塞速度下降，扭矩的極大值也下降。另一方面，燃燒氣體壓力下降時(shí)的扭矩則出現(xiàn)上升，由此扭矩平均值保持不變。就是減少了扭矩變動(dòng)，采用可變壓縮比的4缸發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩變動(dòng)接近于6缸發(fā)動(dòng)機(jī)的程度（圖6）。事實(shí)上，當(dāng)活塞的速度變化接近正弦曲線時(shí)，竄缸混合氣與冷卻損失增加。其原因是由于接近等容燃燒，活塞頂面受到長(zhǎng)時(shí)間高燃燒氣體壓力的作用。正弦曲線形狀的活塞速度變化是理想的，但也偶然遇到問(wèn)題?；钊酶椎靡源蠓冉档?，是因?yàn)楸l(fā)沖程的前半期曲軸連桿大致保持垂直狀態(tài)。垂直的曲軸連桿不會(huì)產(chǎn)生使活塞向氣缸壁擠壓的分力，所以活塞與氣缸之間的摩擦能夠降低44%。但是，在排氣沖程的前半期與壓縮沖程的前半期，曲軸連桿發(fā)生很大傾斜，活塞對(duì)氣缸壁產(chǎn)生擠壓。然而，排氣沖程前半期或壓縮沖程前半期，作用于活塞頂面的壓力比爆發(fā)沖程前半期顯著降低，活塞與氣缸間的摩擦也隨之降低。類(lèi)似的降低活塞敲缸的措施已經(jīng)付諸實(shí)用。偏置式曲軸就是例子。在這種場(chǎng)合，為了減少爆發(fā)沖程時(shí)曲軸連桿的傾斜角，使曲軸在橫向上與氣缸中心軸線形成偏置。由于曲軸連桿不能保持垂直，所以可以說(shuō)，采用這種方式以降低活塞與氣缸之間的摩擦，其效果不及日產(chǎn)汽車(chē)公司的可變壓縮比機(jī)構(gòu)。當(dāng)然，只有使曲軸發(fā)生偏置才易于減少摩擦損失，所以近來(lái)采用這種技術(shù)的實(shí)例增多。綜上所述，在多連桿式的可變壓縮比機(jī)構(gòu)中，必須降低摩擦損失。這是因?yàn)樵黾拥倪B桿接合部分會(huì)增加摩擦損耗。日產(chǎn)可變壓縮比發(fā)動(dòng)機(jī)與通常的發(fā)動(dòng)機(jī)相比，連桿的連接部分每缸有3個(gè)，通過(guò)降低活塞與氣缸之間的摩擦損耗防止整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦損耗增大。提高可變壓縮比機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵技術(shù)日產(chǎn)開(kāi)發(fā)的可變壓縮比機(jī)構(gòu)不僅能使壓縮比進(jìn)行連續(xù)變化，而且大幅度降低二次振動(dòng)，減少摩擦損耗。當(dāng)然，日產(chǎn)可變壓縮比機(jī)構(gòu)必須采用專(zhuān)用的氣缸體。其主要原因是不僅增加了連桿（連接件）的數(shù)量，而且氣缸體必須設(shè)有控制軸。如果從功能上來(lái)看，這與帶有平衡軸的發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸體是一樣的。特別在當(dāng)今采用緊湊型平衡器系統(tǒng)安裝在氣缸體下方，并由螺栓予以緊固的方式，而當(dāng)初的平衡軸是安裝在氣缸體上，是帶有平衡軸發(fā)動(dòng)機(jī)的專(zhuān)用氣缸體。因此如果增加的連桿（連接件）的成本與緊湊型平衡器系統(tǒng)相同的話，那么，這是一種具有競(jìng)爭(zhēng)力的技術(shù)。日產(chǎn)開(kāi)發(fā)的可變壓縮比機(jī)構(gòu)是用于渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)，在100km/h的定速行駛時(shí)，其燃油耗可降低13%，而且在高壓縮比時(shí)燃燒性能良好，即使在大量廢氣再循環(huán)下燃燒性能穩(wěn)定。此外該種技術(shù)還在考慮其他方面的應(yīng)用可能性。其中之一就是在柴油機(jī)上的應(yīng)用。眾所周知，柴油機(jī)為了確保起動(dòng)性，而采用高壓縮比但是在起動(dòng)以后就不需要高壓縮比。在這種場(chǎng)合，可變壓縮比是有效的方法，或許使柴油機(jī)成為與汽油機(jī)一樣的具有輕量化特點(diǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)。在汽油機(jī)中是按照燃料的辛烷值自動(dòng)調(diào)節(jié)最佳壓縮比。就是說(shuō)，采用辛烷值低的標(biāo)準(zhǔn)汽油能夠降低壓縮比，而采用辛烷值高的優(yōu)質(zhì)汽油時(shí)能夠提高壓縮比。如果應(yīng)用爆震傳感器，則按照辛烷值而很容易自動(dòng)調(diào)整壓縮比。這是比采用延遲點(diǎn)火以防止爆震，在熱效率方面具有更有利的防止爆震的方法。在自然吸氣式發(fā)動(dòng)機(jī)中可考慮按照負(fù)荷要求調(diào)節(jié)壓縮比。這是在低負(fù)荷時(shí)提高壓縮比，在高負(fù)荷時(shí)降低壓縮比的方法。但是，在這種場(chǎng)合，為了提高壓縮比調(diào)節(jié)的響