可变压缩比14031

用多连杆可变压缩比机构提高发动机性能的研究 AStudyofaMultiple linkVariableCompressionRatioSystemforImprovingEnginePerformance 2 可变压缩比技术的优势 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有利于降低排放具有良好的燃料适应性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燃烧过程中的爆震风险 可变压缩比技术具有下列优势 可变压缩比技术的必要性 随着对发动机动力性要求的提高 发动机在高速大负荷下动力性能好与中 低速中小负荷下动力性能及经济性能较差的矛盾却越来越突出 存在的问题 VCR发动机一般都结构复杂 通常都需要对发动机进行大幅度改变 加工困难新增的部件使发动机的摩擦 振动增加 也使发动机的质量增加 这些大质量体的移动会耗费很大一部分能量适时准确的改变压缩比需要相应的高精度控制设备 匹配困难密封性问题研发成本高 可变压缩比技术的展望 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 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 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 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 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 可变压缩比的实现方案 压缩比的定义 气缸总容积与燃烧室容积的比值 改变发动机压缩比可通过改变气缸的工作容积和燃烧室容积来实现可变压缩比技术的实现方案 通过改变气缸盖的结构来实现通过改变缸体结构来实现通过改变活塞及曲柄连杆机构来实现本文研究的主要内容是通过一种多连杆机构 Muti link 来改变压缩比 本文的主要内容 本文研究的主要内容是将可变压缩比技术应用到一台涡轮增压发动机中 并研究其对发动机性能的影响 此VCR系统使用一种新的活塞 曲轴系统并入一个多连杆机制来改变活塞在上止点的移动并因此获得了与工况相匹配的最佳的压缩比 这一多连杆可变压缩比机构可以在不提高发动机尺寸和重量的情况下安装 结果发现 通过在发动机低负荷下应用废气再循环并提高压缩比 在高负荷下采用更高的增压压力并降低压缩比 这样都可以提高发动机的燃油经济性和输出功率 多连杆VCR发动机的配置与原理 运动规律 活塞与曲轴通过上连杆与下连杆连在一起 下连杆也通过控制连杆连接到了控制轴偏心轴颈中心 曲轴的旋转导致了下连杆围绕着主轴颈的中心旋转 同时围绕着曲柄销的中心转动 压缩比改变的原理 移动偏心轴的中心向上使下连杆顺时针倾斜 因此使活塞的上止点和下止点的位置同时下降以降低压缩比 相反 偏心轴的中心向下移动可以提高压缩比 根据发动机的转度与负荷来改变压缩比 在低速低负荷时采用高压缩比14 1以获得提高燃油经济性的最佳效果随着负荷的增加 减小压缩比以防止爆震发生为了在全负荷时采用高增压 将压缩比设为最低值8 1 活塞行程的特性 传统发动机的活塞运动速度在上止点时比下止点时要快 而VCR发动机的活塞在上止点时移动速度变慢而在下止点时的速度更快 因此比传统发动机更加接近简谐运动 从图中可以看出VCR发动机的膨胀行程前半部分角度为92 比原发动机大14 这一特点对发动机的性能 包括燃烧在内 产生了实质性的影响 活塞行程特性对各项损失的影响 时间损失 时间损失 内燃机实际循环中一个由燃烧速度的有限性所造成的损失 两台发动机的燃烧周期基本相同 VCR发动机的活塞在上止点速度低 因此与原发动机相比在上止点附近占用的时间长 因此 在燃烧周期开始与结束时 VCR发动机活塞比原发动机更加接近上止点位置 与原发动机相比这能减少VCR发动机的时间损失 减少时间损失能相应提高0 5 的燃油经济性 漏气损失 在不考虑增压的情况下 VCR发动机的漏气量比原发动机的要高5L min 漏气损失增加的原因 VCR发动机的活塞在上止点的速度较低 与原发动机相比活塞在上止点有较长的停留时间 而这段时间内缸内压力比较高 摩擦损失 当燃烧压力作用于活塞顶时 由于VCR发动机的上连杆处于垂直状态 活塞的侧向里大幅度降低 因此 活塞销所承受的负荷也降低 这可以在活塞与活塞销方面减少摩擦损失 因此 由于使用较多连杆导致的摩擦增加被抵消了 总的发动机摩擦也会降低 在超过5000转的高速范围内摩擦往往要比原发动机的要高 这与VCR发动机的主要循环部件的重量高于原发动机的相应部件有关 同时由于VCR发动机的多连杆机构而带有更多的滑动部件 活塞拍击导致的缸体振动 实验工况 发动机转速 1200r min点火时间 上止点前30 125um的安装间隙 标准水平下的实际间隙的160 冷却损失与热平衡 冷却损失增加 活塞处于上止点附近时速度变慢 使燃烧气体较长时间处于高温高压下 其他各类损失 摩擦损失 泵气损失 未燃碳氢以及漏气造成的损失 其中漏气损失增加 但摩擦损失减少 所以导致总的 其他各类损失 减少 结论 可变压缩比发动机可以获得与原发动机相同的热效率 容积效率比较 原因 由于VCR发动机的活塞速度在下止点时更高 两台发动机在相同的进气门关闭时刻 可变压缩比活塞与原发动机相比应该提高到一个更高的位置 因此 在高速范围进气门关闭时刻减缓 VCR发动机的容积效率往往比原发动机的要低 从图中可以看出 在中低速范围 可变压缩比发动机的容积效率略高 而在高速范围容积效率比原发动机要低 采用较高的压缩比以及EGR率对降低燃油消耗的影响 在压缩比为8 6 1的情况下 VCR发动机可以与原发动机获得相同的热效率 提高压缩比可以提高冷却损失和未燃碳氢 但降低了排气损失 因此使VCR发动机的总热效率上升 此外 使用EGR降低其他各类损失中的泵气损失与冷却损失 这对提高燃油经济性都有很大的影响 高压缩比对扩大EGR极限的影响 此时发动机的工况为 转速2000转 有效制动扭矩60Nm 无涡流控制阀 与原发动机相比 VCR发动机的活塞行程特点与更高的压缩比的共同作用下提高了燃烧稳定性并使喘振扭矩降低到了一个比较低的水平 结果 可以看出与原发动机相比 EGR的极限提高了大约10 VCR发动机的扩大的EGR的极限对降低油耗的影响 从图中可以看出 仅仅把压缩比从8 6提高到14 3能降低油耗高达7 再使用EGR并使用涡流控制阀提高EGR的极限 可以降低油耗最多为13 实验工况 转速为2000r min和有效制动扭矩为60Nm 代表1000km h的稳定运行工况 各种措施对最大功率的影响 A R值是压气机壳体及涡轮壳体的几何特性数字 低速全负荷时的增压压力 降低压缩比提高了涡轮机进排气温度同时提高了排气能量 在低速区域 使得VCR发动机以较大的A R比提供等于原发动机相同的增压压力 因此 更高的A R比提高了VCR发动机的最大功率 同时能在低转速区保持与原发动机相同的功率 结论 在一台VCR发动机上进行的实验表明在涡轮增压发动机上采用可变压缩比机构可以对发动机的性能产生下列影响 1 VCR发动机的活塞运动具有类似于简谐运动的特点 这可以减少摩擦损失和时间损失 尽管冷却损失和由漏气带来的损失增加 由此产生的抵消作用使得在同样的压缩比下 VCR发动机获得的热效率等于原发动机 2 涡轮增压发动机中 可变压缩比系统对发动机的