阅读文章前辛苦您点下“关注”，方便讨论和分享，为了回馈您的支持，我将每日更新优质内容。

文 |溪知许a

编辑|溪知许a

前言

为了限制与机动化和交通发展相关的不利外部影响，主要是以往以往往往以内燃机作为主要动力来源的往往往往往往限制了排放有害物质的允许水平，即一氧化碳、碳氢化合物、氮氧化物和颗粒物的排放。

另外鉴于全球变暖现象的加剧和液体燃料资源的减少，人们特别关注燃料消耗的降低和二氧化碳的排放，不幸的是活塞发动机的工作过程的物理和化学规律并不简单地满足所有上述要求。尽管近年来取得了重大进展，但要进一步改善活塞发动机的生态和能源参数，需要对其设计进行进一步的改变，涵盖几乎所有的功能系统。

其中一种更有效的方法，尽管在当前阶段的发展仍然存在许多技术和操作上的困难，是构建具有可连续在广泛范围内相对较短时间内改变的压缩比的发动机。在传统发动机中，压缩比即活塞上止点位置时最小和最大缸容积的比值——是恒定的，并由缸体和曲轴机构的几何形状确定。

被称为可变压缩比，简称VCR，这种新技术完全改变了发动机以往不变的特征。许多公司注意到了可变压缩系统中潜在的巨大潜力，并将所有注意力集中在寻找应用和利用这一特性的方法上。因此近年来对这种创新型结构的兴趣越来越大。

可变压缩比技术的潜在应用领域

可变压缩比的构想最初是为了使用具有不同性质的燃料供应给发动机，即所谓的多燃料能力。尽管这仍然是一个有价值的特性，但目前在内燃机的发展中，特别强调降低燃料消耗，从而减少二氧化碳排放，以及减少有害排放组分如一氧化碳、碳氢化合物、氮氧化物或颗粒物的排放。

全球汽车工业以及从事可变压缩比技术开发的科研机构都表示，通过在不同功率的发动机中使用可变压缩比，可以显著降低燃料消耗。特别是当将可变压缩比技术应用于高功率发动机时，经济效益尤为显著。如果这些发动机是自然吸气或增压的、直接喷射和可变控制的气门操纵发动机，效益更为明显。这些解决方案在个别和综合使用时的潜在益处。

值得注意的是，在燃料经济性和发动机生态方面，通过结合可变压缩比和可变气门操纵系统可以获得更大的好处。使用这些系统可以实现阿特金森循环的实施，并使用尺寸更小但保持高工作参数的发动机，即“超级缩小”思想的实现。

“缩小”是活塞发动机的一个相对较新的发展趋势，它是对降低燃料消耗和提高整体发动机效率的强大压力的回应。缩小的理念是通过减少动力传动装置的容积并增加功率比例来降低缸容积，主要通过使用越来越高的增压压力来实现。

通过减小行程容积，还可以通过减少气缸数量等方法获得机械和热损失的减少，以及所谓的“抽气”损失。同时发动机的整体效率提高。然而增加增压压力需要降低几何压缩比，以避免燃烧过程中的不利现象。由于与循环效率直接相关，尽可能使用较高的压缩比是首选。因此压缩比的值必须在实现高循环热效率和其他限制因素如爆震极限、机械和或热负荷水平、最大压力上升速率等之间取得平衡。

然而这些限制仅在高负载，尤其是高增压条件下有效。在传统发动机中，压缩比是针对这些工况进行优化和确定的。

然而这并不是它们通常工作的重要领域。在低负载和中等负载下，压缩比可以更高，从而提高车辆的运行效率。因此可变压缩比技术实现了“缩小”范围的显著扩展，使排量进一步降低，并使用更高的增压压力。据估计，这种调整火花点火发动机工作参数的方法可以将燃料消耗降低高达30%，而毒性废气化合物的排放增加不明显。

最后可变压缩比技术的另一个应用领域是有效实施先进的低温低温燃烧过程。这些低温燃烧过程以燃烧阶段的高互补性导致极低的有害化合物排放水平，但是在降低充气温度的条件下进行。特别是，燃烧室中的温度梯度的缺乏是避免氮氧化物形成的主要原因。

然而在高负荷下实现低温燃烧稳定性仍然存在一定困难。在发动机的这个工作范围内，可变压缩比技术具有潜在的应用潜力，因为它在调节燃烧室中的热力学条件方面具有较高的能力，这决定了燃烧过程的启动和进行。

压缩比的改变是由于机构特殊构造导致的曲轴-活塞系统的几何和/或运动学变化。在这种情况下，曲轴活塞系统中的摩擦损失通常会增加，尽管也可能减少。有时根据这些概念的压缩比的变化也会导致气缸行程体积的不利变化。

尽管可变压缩比发动机的理念与显著的构造和技术复杂性以及许多操作问题相关，但估计它将在不久的将来成为汽车活塞发动机的技术标准。

测试发动机的设计假设和基础单元选择在可变压缩比技术领域的分析基础上，考虑到已知可变压缩比发动机的所有优点和缺点以及现有样机的技术和制造能力，决定根据当时情况的运动学系统来建造测试发动机，即由沿气缸轴线控制位置和运动的气缸头组件组成。

这种解决方案的特点是由于将标准活塞发动机改装为可变压缩比发动机的可能性，施工成本相对较低，结构简单，控制简单，同时确保在定位时具有相对较宽的压缩比变化范围和较高的精度。

该发动机将以系列生产的燃烧发动机为基础。假定为了进行拟定的实验测试范围，需要获得广泛的压缩比变化范围，涵盖火花和柴油发动机的典型值，即从约9:1增加到19:1。测试发动机还应具备液冷能力，以确保研究期间的良好温度稳定性。

选择VEB IFA-Motorenwerk Nordhausen生产的中速液冷4缸柴油发动机作为构建可变压缩比发动机的基础单元。选择该发动机的原因是其独特的结构特点，即曲轴箱与气缸组件之间的物理存在的平面。

4VD发动机的基本参数如下：气缸直径-120毫米，活塞行程-145毫米，排量-6560立方厘米，原始几何压缩比-18:1，气门传动系统：OHV顶置气门，凸轮轴位于曲轴箱中，凸轮从动件，传杆，装在头部上方的气门臂。

选择气缸滑动系统的基本元素是通过目录选择的伺服电机、两个锥齿轮、传动联轴器、两个偏心轴、连杆和一个设计和制造的保持气缸的主支撑板。主支撑板通过特殊螺纹安装螺栓固定在气缸块上。

为了在曲轴块和气缸块之间插入柔性密封垫片的额外空间，必须将活塞更换为至少高度大于5毫米的较高活塞。从HANOMAG D942发动机中采用了满足设计的可变压缩比发动机所需尺寸的合适活塞。

VCR发动机设计过程中的下一个关键阶段是精确加工带有气缸滑动系统的偏心轴以及一套八个连杆。为了确保适当的尺寸精度，采用了CNC机床进行技术加工。支撑板与气缸一起的移动是通过一个复杂的伺服机构驱动的偏心曲柄机构实现的，即通过两个角锥齿轮和两个偏心轴。

偏心轴的传动通过两个ROTEX GS离合器进行。通过滑动桶的组合，确保了气缸-气缸头组件运动的任何障碍和误差。

通过偏心曲柄机构和复杂的伺服机构实现的支撑板与气缸的运动，在可变压缩比发动机的设计过程中，通过改变气缸头组件的位置和运动来实现压缩比的变化。虽然这种方法通常会增加曲轴-活塞系统中的摩擦损失，但也有可能减少。

选择了VEB IFA-Motorenwerk Nordhausen生产的中速液冷4缸柴油发动机作为可变压缩比发动机的基础单元，并根据设计要求进行了设计和技术变更。发动机的设计目标是通过使用控制定位和运动的气缸头组件来实现较宽的压缩比变化范围。

关键的构造元素包括伺服电机、锥齿轮、偏心轴、连杆和主支撑板。通过精确加工偏心轴和连杆，并结合合适的活塞和密封垫片，实现了气缸滑动系统的设计。伺服机构驱动的偏心曲柄机构确保了气缸头组件的运动。这个设计提供了一个实验平台，用于研究可变压缩比发动机的性能和效果。

结论

多年来，活塞发动机一直是各种机械设备和技术设备包括汽车和其他交通工具中基本且常用的动力源。尽管最近出现了各种争议性的预测和观点，而且并不总是基于可信和有记录的技术知识，但内燃机无疑将继续成为许多交通和工业领域中不可替代的推动力源。

应该牢记的是，科学、技术和技术的快速进展使最终产品越来越完美。考虑到最近几年的发展趋势，主要集中在改善燃烧过程，可以注意到可变压缩比内燃机的技术发展在这个过程中发挥了重要作用。

通过研究出的原始设计、构造和技术成果，展示了可变压缩比的四缸燃烧发动机的巨大创新和应用潜力。

除了一些主要的汽车工业努力外，开发这样一个独特的动力装置往往以失败告终。可变压缩比发动机的设计开发为以前不可用的新研究和开发机会打开了大门。主要涉及对发动机工作过程的改进方向和内燃机的利用可能性的新研究，例如对先进的低温燃烧过程的研究，或者对交通运输中各种燃料的统一和灵活使用的研究。

参考文献：

[1] 柴油发动机压缩比的技术改造与修理[J]. 魏金民.农机维修,1996(05)

[2] 后喷策略下多次主喷对重型柴油发动机性能的影响[J]. 昂飞;鹿盈盈;范超.汽车技术,2022(09)

[3] 柴油发动机电控燃油喷射系统对排放的影响[J]. 于海.新型工业化,2022(09)

[4] 康明斯柴油发动机故障分析预防与排除[J]. 马鑫.内燃机与配件,2021(14)

[5] 电控柴油发动机的故障检测与维修方式研究[J]. 邓文超.内燃机与配件,2021(23)