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。
一直以来，既有良好的动力性能又有良好的燃油经济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1.1压缩比定义内燃机气缸总容积与燃烧室容积的比值，是内燃机的重要结构参数（见图）。
活塞处于下止点时气缸有最大容积，用Va表示；活塞处于上止点时气缸内的容积称为燃烧室容积，用Vc表示。
内燃机的压缩比ε为ε=Va/Vcε为几何压缩比，它表示活塞从下止点移动到上止点时气缸内气体被压缩的程度。
活塞位于下止点时进气门或进、排气口尚未关闭，故有时须用有效压缩比ε0的概念。
ε0指内燃机进、排气门(口)开始全部关闭瞬时的气缸容积与气缸压缩容积之比。
凡未经特别指明的压缩比均指几何压缩比。
压缩比对内燃机性能有多方面的影响。
压缩比越高，热效率越高，但随压缩比的增高，热效率增长幅度越来越小。
压缩比增高使压缩压力、最高燃烧压力均升高，故使内燃机机械效率下降。
汽油机压缩比过高容易产生爆震。
柴油机压缩比过低会使压缩终点温度变低，影响冷起动性能。
压缩比能使内燃机排气中有害成分（如NOX、烃类、CO 等）的含量发生变化。
现代柴油机的压缩比一般在12～22之间，但超高增压柴油机的压缩比可低至8。
几年以前，汽油发动机的压缩为6～10，但如今普遍都在9~12之间。
1.2可变压缩比（VCR）VCR（Variable Compression Ratio ）即发动机压缩比可变技术，是发动机可变技术中的一种。
所谓可变技术(Variable Technology)是指随着使用工况及要求的变化，或者为了解决矛盾及避免内燃机不正常工作现象的出现，使相关系统的结构或参数作相应的变化，从而使内燃机在各种工况下，综合性能指标能大幅度地提高，而且避免不正常燃烧及超负荷现象产生的一种技术。
可变压缩比技术可以有效的改善发动机性能，效率，以及降低发动机排放。
在燃烧初期更高的缸内压力和温度以及采用更高的压缩比带来的更小废气含量有助于获得更高的火焰传播速度，因此，着火延迟期变得更短。
换句话说就是在部分负荷采用更高的压缩比，使燃烧持续时间更短，热效率增加，明显的改善发动机燃油经济性。
Lund 技术学院在利用可变压缩比对HCCI燃烧的影响研究中发现，压缩比对燃烧效率的影响很大，当采用更高的压缩比时发动机热效率增加。
下面图1为压缩比对于发动机效率的影响。
图 1 压缩比对于热效率的影响根据热力学原理知道，可燃混合气（油气混合气）循环热效率与标准空气循环一样随压缩比增加而增加，图 2 表示的是理论燃油百分比（燃油/空气混合强度）在不同压缩比下对于热效率的影响。
２、国内外可变压缩比的研究关于可变压缩比技术的研究起步较早，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： 1～16： 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年开发的1.6 L可变压缩比发动机SVC，压缩比可在8： 1～14： 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 N·m，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： 1～20： 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，压缩比可在8： 1～16： 1之间进行调节，其扭矩达300 N·m，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Ⅳ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： 1～14： 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。
尤其值得一提的是王季先生于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 、可变压缩比的优点可变压缩比对于汽油机来说最大的好处在于燃油经济性，由于 VCR 发动机的几何容积率可以控制，因此，保证了发动机不论是在什么工况下总是在爆震限制条件之下工作，在发动机压缩比与点火提前角之间进行折中，保证发动机获得最佳指示热效率。
除此以外还具有以下几个方面的优点：（1）提高了发动机热效率，改善了发动机燃油经济性。
（2）具有良好的燃料适应性。
可变压缩比使得汽油机在所用燃料种类方面非常机动灵活，因为可变压缩比汽油机总是以最适合于所选用的燃料的压缩比工作。
如果可变压缩比汽油机采用其辛烷值超过汽油的燃料工作，那么上述优点就会变得更大。
（3）有利于减低排放为了使催化转化过程能够顺利的进行，三效催化转化器必须达到400℃左右的工作温度。
而发动机在启动阶段由于排温不能达到要求，而该阶段的排放所占比重有比较大，所以采用可变压缩比技术，与推迟点火一样能够降低热效率，提高排气温度，迅速的加热三小翠华转化器温度，明显的降低冷启动和暖机过程的排放。
（4）提高发动机运行稳定性。
（5）改善了汽油机低速扭矩同时还避免了燃烧过程的爆震风险。
（6）相同输出功率情况下可以将发动机做的更小。
（7）因为相对固定的峰值压力从而降低了低频噪声，以及获得基本固定的摩擦损失。
４、结论(1)VCR 技术可以大大改善发动机的动力性、燃油经济性和排放性，能够适应发动机新的要求。
(2)目前主要是通过改变活塞顶、气缸和气缸盖的结构，从而改变燃烧室的容积和工作容积，来实现可变压缩比。
(3)VCR 发动机一般都结构复杂、振动摩擦增加且对控制设备要求高，使量产化进展缓慢。
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