汽车发动机的可变压缩比（VCR）创新设计.doc

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1、 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%，

2、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

3、，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，此外其响应效果显著, 时为 为，。但也有不足之处，它的压缩比是阶跃性的变化；如果运行工况时先要求大的压缩比，后即刻需要小的压缩比则需要一个变化过程，可能反应速度会低于预期水平。不过令人欣慰与振奋的是偌其能实现产品化，这种通

4、过改变凸轮来增加或减少压缩比，其效果还是相当令人满意，不仅能为企业创造出巨额利润，还能为打破国外汽车企业在该方面的技术垄断，增添国企的核心竞争力方面发挥巨大作用。关键词：VCR 理想模型 控制策略 凸轮机构 可变升程 新技术目录1 术语表 12 引言23 整体方案2 3.1曲柄销的修改设计2 3.2曲柄的修改设计53.3轴承座的修改与设计53.4轴承座的配套零件设计63.5中间传动装置的设计73.6传动杆的设计84 结果.95 讨论106 参考文献107 附录111术语表 曲柄销轴承座曲柄轴承座的配套零件液压中间传动装置槽轮传动杆棘轮凸轮顶杆轴棘轮槽行星轮2引言：汽车发动机的VCR技术在当今来

5、说是一向比较年轻的、前卫的、顶尖的技术。偌此项产品能实现产品化、产业化无疑将进一步提高发动机的动力性、改善其经济性，与当下的电动车相比，其技术性、可行性、效果更为显著。均质压然(HCCI)之所以不能普及现代发动机中，重要原因是发动机的压缩比不变，高效工作范围窄，不能较好的满足汽车变工况作业要求，若VCR实现产品化，HCCI技术将可以更广泛的应用到发动机中去，以满足大家对汽车的动力性及经济性的要求。 从世界范围来讲，人们对VCR技术的探索已有10多年了，但至今也没有一款产品化、大众化的VCR问世，其各种技术都还处于试验阶段。在此，我们小组大胆提出了我们的思路与解决方案，抛砖引玉。3整体方案 整个

6、传动装置视图 整体视图（一）、（二）局部视图局部视图（一） 局部视图（二） 为了完成该方案本文从设计上分6部分； 1）曲柄销的修改设计； 2）曲柄的修改设计； 3）轴承座的修改与设计；4）轴承座的配套零件设计； 5）中间传动装置的设计；6）传动杆的设计；3.1曲柄销的修改设计： 为实现压缩比可变，我们结合凸轮机构可变升程的特性，在传统发动机上串联一凸轮。由于一般发动机的活塞上止点与缺体顶边缘的距离为5-10mm，因此我们把凸轮的升程定位5mm，见图如下所示曲柄销（改后）不难想象要实现活塞升程可变，那么曲柄销与曲柄的连接为悬浮式，这样曲柄销才能旋转。因而，为了能使曲柄销旋转，我们在曲柄销的端面进

7、行加工。下图的任务就是实现曲柄销的旋转，行星轮的中间齿轮逆时针旋转（顺时针旋转），则行星轮必然会顺时针旋转（逆时针旋转）从而引起曲柄销的顺时针旋转（逆时针旋转）。这行星轮样的话就引起了曲柄销上的凸轮的旋转。进而导致活塞升程的变化。那么这个中间齿轮的动力又从哪里来呢？要是能引用发动机的动力来驱动就好了！但是空间不足。后来结合曲柄销的旋转特性我们想到了利用槽轮。槽轮我们把槽轮与中间轮串在一起，形成了一个整体。这样，只要槽轮能够旋转，那么，中间齿轮必然会旋转。现在的问题是如何实现槽轮的旋转。我们的想法是通过一个伸出的探针来拨动槽轮旋转，拨动一次槽轮旋转60。接下来的问题是这个槽轮如何固定。通过在曲柄

8、销钻取一通孔，后用一根轴将中间齿轮、槽轮连接起来，然后另一端用螺母固定。其具体结构如下： 曲柄销 曲柄销内部增加装置为了防止曲柄销在连杆的力的作用下自己旋转（从受力分析，这个力臂很小，应不足以转动，但为了安全起见，我们还是设计安全机构），我们在曲柄销的端面设置了棘轮，来防止压缩比失控。由于考虑到空间局限性，可采用刚性与塑性都较好的弹簧片。3.2曲柄的修改设计：由1部分的曲柄销的修改设计可以知道曲柄的修改与设计。其具体内容如下：号的曲柄端面要加工棘轮槽，此外，就是曲柄销配合，所以修改不大。但是探针与槽轮配合的时候就很可能与曲柄端面相碰，这是我们不希望看到的结果。所以，在曲柄的端面还应该给探针留一

9、道深槽轨迹，以免发生相撞。具体怎么开槽，以后分析时再述。这里仅给出曲柄销配合时的挖空状态。如下图所示： 观察曲柄的不同视角3.3轴承座的修改与设计： 为了能使槽轮运转，就必须有杆拨动槽轮，这里我们把拨动槽轮的杆布置在轴承座的底座上。为了能让杆按我们的要求去拨动槽轮，我们首选凸轮机构。通过让这个凸轮的转速与曲轴的转速同步，这样就可以改变凸轮的升程与升程的角度来让其按照要求拨动槽轮。另外，为了解决曲轴每旋转一周，连杆就会拨动槽轮一次，导致压缩比不断的改变的难题，我们的解决方案是通过一个液压装置来推动凸轮做轴向移动，通过调节液体多少来控制压缩比的改变。这样连杆、凸轮、液压装置都要求布置在轴承座上，进

10、而通过尺寸设计可以定出轴承轴的外形。其图大致如下： 图中粉红色的孔的是液压油道，其他为部件孔上面的图做了透明处理，此图为外观图3.4轴承座的配套零件设计这部分包括了3个部件的设计：1）拨动槽轮的顶杆；2）凸轮轴；3）液压装置； 先介绍液压装置。液压装置的作用是推动凸轮轴轴向移动，使得凸轮可以对顶杆产生作用。它的原理如下图所示： 此图为液压装置，左图（透明处理）中弹簧里充满了高压的油 凸轮顶杆粉红色部分为“凸轮” 此图为顶杆，同上，弹簧是回位弹簧图液压装置的弹簧处于压缩状态，当需要改变压缩比时就调高油压使其向左移动，图中凸轮顶杆轴的左端面为圆柱齿轮，其用作载取动力，中机构在中机构的作用下，向左移

11、动，由于中机构顶杆的B点与中机构的A点接触且空间相互垂直，这样中机构就会在中机构推动下使中的顶杆向前移动进而拨动槽轮转动。3.5中间传动装置的设计：前面提到图中的凸轮顶杆是旋转的，为了便于控制，我们设计的凸轮顶杆转速要与曲轴的转速一致，当然它的旋转力也是取自曲轴。基于此，在动力传送过程中，我们需要一传动装置，其图形如下： 中间传动装置图 上图的不同视角A端的锥齿轮是为了从上一级装置中取出动力，B端同轴同转速。B短语凸轮顶杆的左端齿轮相配合，这样，便得到了凸轮顶杆的动力。3.6传动杆的设计；传动杆的作用是把曲轴的动力取出来，传送给中间传送装置，具体形状如下图所示： 传动杆（主要作用是从曲轴截取动

12、力）A是与曲轴同大小、同齿数、同模数的圆柱齿轮，从而保证传动杆的转速与曲轴的转速保持一致。同样的C、D、E、F四个锥齿轮的转速也与曲轴转速一致。通过它们就能够把动力传动给中间的传动装置，这样就实现了可变压缩比。当然经过这样的设计曲轴箱、曲轴端盖要做少许的改动，这里不再阐述。4结果： 结果：在方法一栏中，我已经分步骤讲了我们设计的可变压缩比（VCR）的工作过程，但是不够连贯，这里我们以示例的方式将其工作过程简述一遍。 现假设，活塞的上止点距缸体上平面为7mm，活塞升程118mm，活塞直径为107.5mm，燃烧室容积为0.129L，单缸的工作容积易算得为1.071L，这是车的压缩比为9.3，汽车在

13、行驶过程中会有工况变化，这是ECU会计算在该工况下的最佳压缩比，然后ECU及时发出指令让执行器（液压器）工作起来，这里就是指液压器的压力变大，从而推动凸轮顶杆，（当然在此动作执行的整个过程中，凸轮顶杆是与曲轴一样的旋转着的，且转速一致）。凸轮顶杆在液压器的推动下，轴向移动，这时凸轮顶杆上的凸轮就与顶杆相配合，从而凸轮推动顶杆伸出曲轴轴承盖。当曲柄旋转过速时，顶杆就会拨动槽轮旋转，槽轮与行星轮副的中心齿轮是一体的。这样，行星轮中心齿轮就会旋转从而让曲柄销旋转。由于曲柄销的设计，旋转后的曲柄销会提高（或降低）。连杆的中心位置，从而改变活塞的上下止点的位置，进而改变压缩比。假设顶杆拨动槽轮旋转一次那

14、么小齿轮经过行星轮将带动曲柄销旋转1/18周，即360/18=20，那么调节后的活塞上止点与缸体上平面的距离为7-5*sin20=5.29mm，这时的工作容积依旧未变为1.071L，但燃烧室的容积减少了1.71*107.5/4=0.016L这时的压缩比为10.4，压缩比提高1.1，若ECU控制为减少压缩比，那么则必须经历先增大压缩比，再减小压缩比，不过不用担心，压缩比增高了，我们可以控制ECU适当少喷油，而压缩比是发动机每循环变动一次假设发动机处于4000r/min，那么每转的时间为60/4000而要减少压缩比，需10次（或更高但不超过18次），那么现实的时间为10*60/4000=0.15s

15、可见，这时非常短的时间，所以肯定能反映过来，响应性较好。5讨论： 我们的方案如果能够实现，那么从控制上是比较方便的，基于现在先进的发动机电子控制技术，可以精确的控制顶杆伸缩的时间这样就可避免因其伸出时间不当而发生卡齿或拨不到齿轮的现象。这样通过我们的设计便实现了VCR，进一步提高发动机的动力性、改善其经济性，使HCCI技术可以更广泛的应用到发动机中去。当然，由于我们水平有限，因而装置还有一些没解决的问题：不会用软件进行仿真与应力分析，这样不知道曲轴在高速运行下是否会与其他部件发生干涉，是否会发生变形。6【参 考 文 献】【1】 单岩，谢龙汉 . CATIA V5机械设计应用实例. 清华大学出版

16、社2004年10月 第一版【2】陈家瑞. 汽车构造（上） 北京： 机械工业出版社，2009年2月【3】臧杰，阎岩. 汽车构造 北京：机械工业出版社，2010年8月相关网站:中国汽车工程师之家机械设计网中国机械网www.china-7附录 可变压缩比的研究与进展解决动力性、燃油经济性及排放性能之间的矛盾一直是发动机技术研究的重点，而可变压缩比技术是解决这一 矛盾的技术之一。该附录主要介绍了发动机可变压缩比技术的概念、研发进展、实现方案、优点及存在的问题。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。 一直以来，既有良好的动力性能又有良好的 燃油经济

17、性和排放性能是发动机所追求的目标，然而这些性能在一般的发动机上又没法同时获得。为了解决这个矛盾，一些新技术如可变技术应运而生， 其中像可变气门正时、可变气门行程、可变进气歧 管、可变喷油及可变增压等技术都为人熟知并已在 许多车型上使用。可变压缩比技术也是其中很有潜力的一种，能够很好地改善发动机热效率、燃油经济 性和排放性能，但由于种种原因发展相对滞后。1概念 可变技术是内燃机相关系统的结构或参数随着 使用要求和工况的变化而变化，使内燃机在各种工况下都达到理想的工作效果，综合性能指标得到大 幅提高，并能够避免不正常燃烧及超负荷工作等发 生的一种技术。我们知道，发动机从设计制造好之后，其很多参数如

18、配气相位、压缩比等就是固定不变的，这些参数只是综合各种工况下最好状态后的折 中，这使发动机不能完全发挥其性能。发动机研究者们一直致力于提高发动机的各种性能，如果将一个个不可变的结构及参数变成可随相应工况和需要灵 活可变的，则能在很大程度上改善发动机的综合性能。可变技术就是基于这种想法而出现的，其在解决 较大转速荷范围的动力性与经济性及排放性 的矛盾显示出独特的优势。 压缩比是气缸总容积与燃烧室容积的比值，其表示活塞由下止点运动到上止点时气缸内气体被压 缩的程度，是衡量发动机性能的重要参数，是影响发 动机效率最重要的因素之一。一般来说，压缩比越高，发动机的性能就越好。对于传统的发动机，一经 设计

19、好其压缩比是固定不变的，因为燃烧室容积及 气缸工作容积都是固定的参数。现代汽车发动机的 压缩比汽油机一般为812，柴油机一般为1222 。可变压缩比技术主要是针对增压发动机的一种技术。固定的压缩比不能充分发挥发动机的性能，事实上在小负荷、低速运转时，发动机的热效率低，相应 地综合性能比较差，这时可以用较大的压缩比，而在大负荷、高转速运转时，若压缩比过高，则很容易发生爆震并产生很大的热负荷和机械负荷，这时可以用较小的压缩比。随着负荷的变化连续调节压缩比，可以最大限度地挖掘发动机的潜力，使其在整个工况区域 内有效提高热效率，进而提高发动机的综合性能。2国内外关于可变压缩比的研究关于可变压缩比技术的

20、研究起步较早，最早主要 是在压燃式发动机方面研究。英国内燃机研 究 所（BICERI） 于1952年就开始了可变压缩比活塞的研 究，后来其将高压涡轮增压技术推广到了中速压燃式发动机上，获得了很高的动力性又不使气缸压力超过限度。美国大陆公司于1961年开始研究的用于坦克动 力的AVCR1360-2可变压缩比柴油机，压缩比可高达9： 116： 1。其突出特点是, 为了克服过高的热负荷和机械负荷, 达到尽可能高的强化程度以及改善起动 性能和低速工作性能等采用了变压缩比活塞。我国西安交大的王志达先生于20世纪70年代末研制成可变压缩比摆盘柴油机，这种柴油机将摆盘设计成可以沿 轴向移动的结构，通过控制摆

21、盘的轴向位置来改变活塞的上下止点位置，使摆盘柴油机的压缩比成为可变 的和可以调节控制的。其结构紧凑，质量轻，不仅像低压缩比柴油机那样能实现高增压, 而且在起动性能和低负荷性能方面也表现优越。前苏联在20世纪80年 代就由拖拉机研究所车拉宾斯克分所做了可变压缩比柴油机的试验研究，其达到了在相同的增压条件下提高功率，提高部分负荷的经济性,并降低发动机零 部件热应力和机械应力的目的。近数十年来，随着日益严峻的能源问题和越来越严格的排放限制，可变压缩比技术的研究在点燃 式发动机上进展迅速，出现了很多相关的新技术和专利，几种优秀的可变压缩比发动机也已经问世，如瑞典绅宝（SAAB）汽车公司于2000年开发

22、的1.6 L可 变压缩比发动机SVC，压缩比可在8： 114： 1 之间变化，其最大功率为168 kW，达到了3.0 LV6发动机的水平，最大扭矩为305 Nm，CO，HC排放值平均可降 低30%，百公里耗油为8.3 L，性能很好。法国的MCE-5 Development 公 司 开 发 的 MCE -5 可变压缩比发动 机，压缩比可以从7： 120： 1无级地变化，压缩比控制 的过程非常快，是一种一体化的发动机组,综合了功率传输和压缩比控制功能，采用了长寿命的齿轮和 滚珠轴承系统导向的活塞，燃烧热效率可以 提 高20%，燃油消耗可降低30%。德国的FEV公司研发的1.8 L可变压缩比汽油机，

23、压缩比可在8： 116： 1之间进行调节，其扭矩达300 Nm，功率达165 kW，升功率超过90 kW/L，且相对于固定压缩比的原型车油耗 降低了7.8%，也满足欧排放要求。日本的日产公司于2005年研制的VCR发动机，压缩比可在8： 114： 1之间变化，在100 km/h定速行驶时，其燃油消耗可降 低13%，且在高压缩比时燃烧性能良好，即使在大量废气再循环的工况下燃烧性能仍然稳定。 我国对可变压缩比技术的研究起步较早，但由 于种种原因尚没有理想的产品问世，国内对VCR发动机的研究基本还处在理论研究阶段。很多相关的 专利技术如四川王季高工的 内燃机智能燃烧室、广东陈晨的自适应可变压缩比发动

24、机、贵州罗兴祥的充气式可变压缩比发动机等都是我国在这领 域的研究成就。尤其值得一提的是季先生于2002年提出并获得专利的内燃机智能燃烧室技术，其扩大和提高了可变压缩比的作用，获得了很好的应用效果。3可变压缩比的实现方案由压缩比的定义可知，要想使压缩比有所变化， 就必须从怎样改变燃烧室容积和工作容积方 面入手。发动机的燃烧室由活塞顶、气缸和气缸盖三部分 构成，迄今为止出现的一些可变压缩比实现方案都 是围绕这三个元素而行的。通常采用的手段大致为 下面三种：a. 通过改变气缸盖的结构来实现。b. 通过改变缸体结构来实现。c. 通过改变活塞及曲柄连杆机构来实现。具体结构方案见图1。 其中，方案1将气缸

25、和气缸盖设计成一个整体， 他们相对于曲轴移动一定位置，使燃烧室容积有所变化，进而使压缩比改变，绅宝汽车的SVC发动机用的就是这种设计，其缸体和气缸盖通过一组摇臂动态连接。方案2是通过改变气缸盖的形状结构来实现，借助 于气缸盖里面的副活塞或气门来改变燃烧室容积进而改变压缩比。Ford汽车公司和瑞典Lund技术学院在 这方面的研究比较领先。这种结构已经在两气门发动机上实现了，不过在多气门气缸盖上实现起来还需要做进一步的研究。方案3利用具有特殊结构且压缩高 度可变的活塞来改变燃烧室容积进而改变压缩比。应用比较成功的是由英国内燃机研究协会 研 发 的BICERA可变压缩比活塞，其结构由内、外活塞，上、

26、下 油腔和两个止回阀以及限压阀和节流阀等组成，内、外活塞之间构成上、下油室，通过液力耦合可相对移动，改变上、下油室体积，从而改变活塞的压缩高度。Daimler-Benz公司的VCR发动机也采用这种可变活塞 高度设计。方案4利用一个偏心的曲柄销或一根长度可变的连杆通过改变活塞高度来改变燃烧室容积进而改变压缩比。Gomecsys公司研发的VCR发动机就是这种设计。方案7、方案8、方案9都是借助于多连杆方式并且加设一根操纵杆而实现可变压缩比的，这类方案比较有代表性的设计为日产研发的可 变压缩比发动机。除了绅宝公司的SVC发动机，当今成熟的有代表性的可变压缩比发动机基本都是通过改变活塞及 曲柄连杆机构

27、的设计来实现的，像德国FEV公司的曲轴偏心移位技术、法国MCE-5可变压缩比发动机 使用的滚子导向活塞技术、日本日产公司的多连杆系统VCR发动机、英国内燃机研究协会的可变活塞高度设计、Gomecsys公司的曲柄销移位设计等都是这种方案成功的例子。值得一提的是，各种设计方案都有其独到的优点，可以综合以上各种方案博采众长来设计理想的 具有竞争力的VCR发动机。4可变压缩比的优点a. 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。这是可变压缩比技术对发动 机最大的好处。采用VCR后，无论是何种工况，发动机总在爆震限制条件下工作，获得最佳热效率。b. 有利于降低排放。发动机的有害排放很大

28、一 部分是在冷启动和暖机阶段产生，而废气催化转换器的工作温度为400 ，VCR可以缩短在催化转换 器达到工作温度之前的冷启动阶段，以降低此阶段的排放。c. 具有良好的燃料适应性。因为VCR发动机总 是以最适合于所用燃料的压缩比工作，这使发动机在所用燃料种类如标号的选取方面非常灵活，增强了发动机的灵活机动性。如果VCR发动机选用辛烷 值更大的燃料工作，这种优点尤为突出。d. 相同输出功率的情况下结构可以更紧凑，达到小排量大功率、大扭矩。e. 兼顾部分负荷时的燃油经济性和大负荷时的 动力性，改善发动机低速动力性能的同时还避免了 燃烧过程中的爆震风险，使发动机的动力性、经济性和排放性得到了较好的统一

29、。f. 一定程度上能提高运行稳定性，降低噪声。可变压缩比技术使发动机在冷机怠速和全负荷工作时能平稳地运行，通过提高压缩比还可抵消高EGR率给发动机运行带来的负面效应。5存在的问题a. VCR发动机一般都结构复杂，通常需要对发 动机结构进行大幅改变，有时加工困难。如何简化机 构以在有限的空间里实现理想的效果是需解决的一个问题。b. 那些新增的控制及辅助机构等可活动零部件 导致了振动、摩擦损失和磨损的增加，也使发动机质量增加，这些大质量体的移动需要耗费很大一部分能量。c. 适时准确地改变发动机的压缩比，需要相应 的高精度控制设备，匹配难度大。d. 密封性问题。当压缩比过高时，漏气会耗损发动机的动力

30、，并导致发动机机体等零部件的故障。若 过多的混合气漏入曲轴箱内，会引起润滑油的变质。e. 研发及制造成本高。6展望a. 随着发动机相关理论、微机技术、电子技术、结构优化设计等技术的飞速发展, 可变压缩比技术会越来越多地应用在发动机上, 它可使发动机的各 项性能在各工况变化范围内得到优化。b. VCR技术使未来的发动机趋向于小型化、节 能环保且能提供强大的动力。c. 未来的VCR发动机应具有与现有发动机之间的互换性，以推动量产。如现有的排气后处理系统、可变气门正时系统、变速器等均可照常使用，而不需 去重新开发。d. 未来的VCR发动机应与先进的电子控制系统 相配合，以尽可能精确地连续调节压缩比，使其满足不同的工况和使用要求，获得更高的效率。e. 应加大可变压缩比技术研发投入，结合 VVT、GDI、HCCI、涡轮增压、稀薄燃烧等新技术来改 善和提高发动机的综合性能。可变压缩比技术可以使发动机在整个转速和负 荷范围内获得良好的性能，对于降低发动机油耗、降低废气排放及提高动力性能都有很大的潜力，可以 在小型机上获得强大的动力，而且其燃料适应性强。节能环保的要求越来越严格, 当解决了相应的技术问题、结构问题和成本问题后，作为能同时获得较好 的动力性、经济性和排放性的可变压缩比技术必将会得到越来越广泛的应用。