接上一篇的内容,从理论分析,现在我们知道,要实现可变压缩比的方式,就这几样:
1.可变的余隙高度;
2.可变的余隙高度及冲程。
下面就简单谈谈常见的几种方案。
第一种是可变燃烧室。
比较具有代表性的是SAAB的”Moving head”。SAAB通过一个摇臂实现了缸盖的运动过程,当摇臂将缸盖撬起,整机的轴线出现倾角,燃烧室的空间将得到扩大,压缩比就得到了调整。类似的还有丰田、福特、卡特彼勒的方案,通过缸体、缸盖的相对运动,或者通过一个小阀门来调节燃烧室的容积。这种方式的问题在于,缸盖、缸体的相对运动牵一发而动全身,对整机的影响较大,具体执行过程较为复杂,缸盖运动时可能会影响气门、气道的充气过程,发动机的爆发压力对摇臂的调整干扰也比较大。
第二种是可变活塞。
比如福特通过改变活塞压缩高的方式来实现VCR,类似的还有戴姆勒奔驰 。这种方案的优势在于,对缸体没有太特殊的需求, 假如再疯狂一点直接应用于已量产的机型也不用太大的改动,但是气缸内部时刻都在爆炸,这个结构的可靠性比较成问题。
第三种是偏心轮。
这是一种比较有意思的结构,四大之一的FEV和保时捷采用了这种方案。偏心轮是装在连杆小头上的,连杆内部则有两个小型的活塞,通过液压进行控制,当连杆内部的活塞运动至不同的位置时,偏心轮便旋转至不同的位置,其与连杆小头的圆心形成不一样的偏心量,比如3mm,则活塞运动到上止点时的位置也偏移3mm。目前而言,这应该是“看起来”最简单的VCR方式,但也存在不少问题,比如四个气缸压缩比同步调节可能存在误差,导致四缸压缩比不一致,比如这复杂的连杆究竟有哪家供应商能做…
这种方案还有升级版,比如法国的GoEngine。偏心轮安装于连杆大头,处于连杆大头与曲轴轴颈中间。 偏心轮旋转至不同位置,即偏心角度不一样时,就可以叠加给冲程不一样的偏心量,造成上止点时活塞往上多顶3mm,还是往下多沉3mm的效果。有趣的是,偏心轮本身还可以相对轴颈进行自转运动,自行实现四个冲程压缩比不相等的效果,噢其实解释起来比较麻烦,我就偷下懒不展开了,大家有兴趣后续可以扩展介绍。这种结构需要一套齿轮以及驱动电机做支持,其实也比较复杂,不过控制上的响应、精准都能够得到比较好的效果,也实现了无级调速,最主要的是天生自带阿特金森、米勒光环,光凭这一点足以使其成为最优解。
第四种是可变连杆。
采用这种方式的有MCE、标致以及尼桑,但细节上又有所区别。
MCE使用的是一个分级的控制架。控制顶杆与活塞连杆分别处于控制架的两侧,通过控制顶杆的相对位置来调节活塞连杆的相对位置。
而至于日产(还不快给我塞稿费?),大家都已经知道了,也是通过控制臂来调节连杆在气缸中的相对位置。
当然,其他形式的VCR也还有很多,比如福特的伸缩连杆(福特的VCR方案多得可怕,想象力也丰富得可怕),也有曲轴轴心偏移等等,大体上都可以按以上几种分类,就不一一讨论了。
尼桑的可变连杆结构也比较复杂,事实上要达到VCR的目的,就需要改变活塞连杆曲轴缸体缸盖这几个基本组件当中的一个或者多个,并没有什么所谓“比较简单的方案”。但不论如何,可变连杆已经战胜了千千万万的蝌蚪,游入了那唯一的归宿,孕育出了第一个量产的VCR方案。
但是,当我们很认真的去搜索关于VCR信息的时候,就会发现,被 道过的VCR方案寥寥无几,更多的只存在于专利当中,样机都不曾有过。尼桑做的当然也只是个开始,压缩比的潜力还很多,FEV甚至只能在两个压缩比之间做选择,这些事实都在传达同一个信息:
“轻易做不到”。
那么,VCR真的很难吗?
问题当然是一系列的。
为了得到足够好的节油效果,我们需求压缩比的改变范围有足够的区间,而足够的区间意味着对足够多的改动;
改变压缩比是为了提高燃烧效率,压缩比变化的过程,就比较忌讳燃烧室发生大的改动;
发动机性能对压缩比的变化非常敏感,如果要对压缩比进行闭环控制,压缩比的变化应当有一个可以衡量的值,而且需要足够精确;
可变压缩比是为了节省功耗,改变压缩比的过程当中消耗的功率也不宜过大;
发动机处于3000r/min时,每个气缸每个工作循环仅有40ms,压缩比的调整、响应速度应当达到这个数量级;
关键的问题是可靠性和耐久性,更不需要提成本的增加是否能够满足用户节省下来的汽油。
开发VCR过程中遇到的这些技术问题,都将从一个点,展开成一个庞大的面。比如摩擦,控制,标定,燃烧,排放,NVH,整机的集成等等等等。
这几十年来,也就只有尼桑这只蝌蚪长成了小青蛙(大雾),你们说呢。
答案是肯定的。
我明白大家对发动机的印象,多还停留在机械的状态里,就举一个例子来描述一下“技术”的范畴不止于此,并介绍一下VCR带来的益处是什么量级吧。
常用工况10%。这是平均使用情况下最保守的值。
尼桑或者其他厂家在宣传的时候,往往喜欢吹到30%,这是正常的,他们说的通常是“最好的”那个工况。比如现在说丰田可以达到40%的热效率,也仅仅是某个特定的工况点而已,要是以这样的方式来考虑,说VCR可节油30%也不是不行,但是整车正常使用,平均值是达不到这个水准的。
如果用NEDC对VCR进行评价,说综合、平均都好,达到10%~25%是可以的。配合VVT、增压器等其他技术,VCR与其相互配合发挥1+1大于2的效果,可以进一步得到提高。
10%是什么样的概念?
如今大街上满地是的VVT,对油耗的改善仅仅只有3%——而且你是否想过,这3%究竟是平均值呢,还是最优工况下的改善值?
只能说,发动机发展到今天边边角角的扣细节,通常情况下1%~3%已经是我们对某个新技术的期望。
10%的意义,不是百公里油耗从10L降低到9L,而是从5L降低到4.5L。
那么20%,30%呢?
混动车的水平又如何呢?
过去几十年经验的积累,发动机距离那个壁垒,已经非常近了。壁垒的意义,并不是我们要淘汰发动机,走向电动车的明天,也并不是发动机过去几十年没有发展,马上迎来革命。而是过去几十年,发动机有比较固有的形式,活塞是那个活塞,连杆是那个连杆,可以说那就是我们大学课设的减速器,我设计的比你好,但我和你的作品本质上,都是那几个齿轮。过去的新技术,往往是在发动机上加东西,比如前面提到的VVT、增压器,并未改变发动机的本质。
但未来,我们在过去的基础上开始要尝试的,是VCR,是HCCI,是油混水这种动及筋骨的技术。
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