雙偏心軸可變壓縮比機構、4種工作模式

經(jīng)過20年的研發(fā)和四代迭代設計優(yōu)化，日產(chǎn)2.0T VC-Turbo可變壓縮比發(fā)動機終于在2021年投入量產(chǎn)，成為全球首款量產(chǎn)可變壓縮比發(fā)動機。日產(chǎn)希望憑借這種獨特的發(fā)動機技術在市場上立于不敗之地。近日，國家專利局正式公布長城汽車可變壓縮比發(fā)動機技術系列專利。日產(chǎn)此時極其驚訝！中國品牌的技術實力發(fā)展到這樣的程度了嗎？你能在幾年內(nèi)破譯可變壓縮比發(fā)動機的含義嗎？沒有證據(jù)，我們來看看長城專利藏著什么樣的黑技術！

30秒了解本文的亮點:

1.長城和日產(chǎn)的可變壓縮比機構有什么區(qū)別？

2.長城雙偏心軸可變壓縮比機構的四種工作模式

3.長城雙偏心軸可變壓縮比機構的優(yōu)點

●長城與日產(chǎn)可變壓縮比機構的異同

我們可以在國家知識產(chǎn)權局官網(wǎng)找到長城申請的可變壓縮比發(fā)動機技術專利。這些專利包含了多種可變壓縮比發(fā)動機的機構設計、控制方法以及相關部件的結(jié)構設計。

在長城申請的一系列專利中，連桿和曲軸之間還設計了一個“中間杠桿”。杠桿一側(cè)連接連桿下端，另一側(cè)連接可變壓縮比控制機構，與日產(chǎn)的設計基本一致。

至于控制機構，或許是為了避免專利侵權，長城采用了各種不同于日產(chǎn)的方案，比如用電機直接驅(qū)動偏心軸旋轉(zhuǎn)，從而拉動杠桿控制連桿，用皮帶帶動偏心軸旋轉(zhuǎn)，用齒輪傳動。這些方案都是基于日產(chǎn)的方案，通過簡單更換控制機構得到的。至于創(chuàng)新程度，他們一點也不突出。

●獨特的可變壓縮比機構引起了我的注意。

看了長城的幾個專利，有一個創(chuàng)新設計的專利引起了我的注意。雖然這個專利和日產(chǎn)的設計還是有一定的相似性，但是仔細看完這個專利，我發(fā)現(xiàn)長城的這個專利真的不簡單，值得大家仔細閱讀。

零件9和7是該控制機構的兩個偏心軸。偏心軸9上有一個齒輪，與曲軸上的齒輪嚙合，這樣曲軸轉(zhuǎn)動時，偏心軸9也會隨之轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)速是曲軸轉(zhuǎn)速的1/2。偏心軸7由電機驅(qū)動，可以在一定角度范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)。

由上可知，你應該知道日產(chǎn)VC-Turbo 2.0T發(fā)動機可變壓縮比控制機構的工作原理。長城雙偏心軸可變壓縮比機構的偏心軸7與日產(chǎn)VC-Turbo 2.0T發(fā)動機可變壓縮比控制機構的偏心軸功能相同，可以改變活塞的上下死點，從而改變壓縮比。

偏心軸9是長城這個專利的核心。偏心軸9是隨著曲軸的旋轉(zhuǎn)而旋轉(zhuǎn)的偏心軸。它每旋轉(zhuǎn)一次，活塞上死點和下死點的位置就會改變。具體來說，偏心軸每轉(zhuǎn)一圈，活塞的位置就會從高到中到低到中到高循環(huán)變化。在該機構中，活塞的高、中、低位置恰好對應發(fā)動機工作循環(huán)中不同的上、下止點，如排氣上止點、進氣下止點、壓縮上止點和膨脹下止點。

●長城雙偏心軸可變壓縮比機構的四種工作模式

當偏心軸9和曲軸之間的相位在90-150度范圍內(nèi)時，進氣下止點與膨脹下止點相同，排氣上止點低于壓縮上止點。進氣沖程和排氣沖程小于膨脹沖程和壓縮沖程，膨脹比等于壓縮比。這種工作模式簡稱為“模式1”。

當偏心軸9和曲軸之間的相位在180-250°范圍內(nèi)時，進氣下止點高于膨脹下止點，排氣上止點與壓縮上止點相同。進氣沖程和壓縮沖程小于膨脹沖程和排氣沖程，膨脹比大于壓縮比。這種工作模式簡稱為“模式2”。

當偏心軸9與曲軸之間的相位在270°-330°范圍內(nèi)時，進氣下止點與膨脹下止點相同，排氣上止點高于壓縮上止點。進氣沖程和排氣沖程大于膨脹沖程和壓縮沖程，膨脹比等于壓縮比。這種工作模式簡稱為“模式3”。

當偏心軸9和曲軸之間的相位在0-60°范圍內(nèi)時，進氣下止點低于膨脹下止點，排氣上止點與壓縮上止點相同。進氣沖程和壓縮沖程大于膨脹沖程和排氣沖程，壓縮比大于膨脹比。這種工作模式簡稱為“模式4”。

值得一提的是，偏心軸7的轉(zhuǎn)動可以使活塞的上下死點同步上升或下降，這可以使發(fā)動機的壓縮比和膨脹比同步上升或下降，但進氣沖程、排氣沖程、膨脹沖程和壓縮沖程基本不變。相當于偏心軸9被用于調(diào)節(jié)發(fā)動機工作模式，偏心軸7以特定模式精細地調(diào)節(jié)膨脹比和壓縮比，以滿足更多的發(fā)動機工作條件。此外，上述兩種模式之間還有過渡狀態(tài)，可以適應更多的發(fā)動機工況。

技術優(yōu)勢、量產(chǎn)路上或遇到的問題

◆HCCI均勻充氣壓縮點火模式

在上述四種特征模式中，模式1對應HCCI均質(zhì)充量壓燃模式，通過采用超高壓縮比和空燃油比，可以提高熱效率，降低油耗。

HCCI模式的優(yōu)勢在于可以利用高壓縮比和高空燃油比高壓縮比有利于提高熱效率， 而它也是壓燃混合氣的關鍵，而高空燃燒比則是簡單地降低混合氣中的汽油含量，從而達到節(jié)油效果。

長城雙偏心軸可變壓縮比機構可以動態(tài)微調(diào)壓縮比，進一步提高壓縮比以提高低負荷工況下的壓燃效率，適當降低高負荷工況下的壓縮比和爆震傾向，有助于在一定程度上擴大HCCI工作模式的工作范圍，從而有助于提高發(fā)動機的整體運行效率。

◆阿特金森循環(huán)模式

模式2為阿特金森循環(huán)模式，其中膨脹比大于壓縮比，偏心軸7的轉(zhuǎn)動調(diào)節(jié)可以使發(fā)動機隨著負荷的增加同步降低膨脹比和壓縮比，從而抑制爆震現(xiàn)象；或者隨著發(fā)動機負荷的降低，同步提高膨脹比和壓縮比，提高發(fā)動機的熱效率。

長城可變壓縮比機構的亮點在于，它可以在所有工況下保持阿特金森循環(huán)模式正常運行，并通過微調(diào)物理壓縮比來優(yōu)化不同工況下的性能。目前主流的阿特金森循環(huán)發(fā)動機可以通過延遲關閉進氣門來改變實際壓縮比，但由于活塞上止點位置固定，燃燒室容積固定，降低壓縮比意味著減少進氣量，這會降低發(fā)動機的動力輸出性能。相比之下，長城可變壓縮比機構可以在不改變進氣量的情況下直接調(diào)節(jié)壓縮比，在動力輸出性能上會更有優(yōu)勢。

◆改善冷啟動性能和排放的模式

發(fā)動機啟動時將采用模式4，此時膨脹比小于壓縮比。在偏心軸7的調(diào)節(jié)下，隨著發(fā)動機溫度的升高，發(fā)動機的膨脹比和壓縮比會相應降低，從而提高發(fā)動機的起動和排放性能。

該專利沒有詳細分析模式3的工作模式，膨脹比等于壓縮比，壓縮比相對較低。我猜這種模式是用來匹配高渦輪增壓值，以實現(xiàn)增強的動力輸出。一個更準確的應用場景只有在制造商解密該技術時才會顯現(xiàn)出來。

●長城雙偏心軸可變壓縮比機構優(yōu)點:

仔細看完專利，對長城的新型可變壓縮比發(fā)動機技術有了更深的了解。與日產(chǎn)VC-Turbo 2.0T發(fā)動機的可變壓縮比技術相比，上面詳細介紹的雙偏心軸可變壓縮比技術的優(yōu)勢在于，不僅可以動態(tài)調(diào)節(jié)發(fā)動機的壓縮比，還可以實現(xiàn)不同的工作模式，從而在動力、燃油經(jīng)濟性、排放等方面達到更好的平衡。

●要實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)，耐用性和控制策略是兩個障礙:

長城的雙偏心軸可變壓縮比機構雖然功能強大，但不可否認的是，為了實現(xiàn)更多的功能，該機構也引入了更多的部件，如位于曲軸處的齒輪傳動機構、隨曲軸轉(zhuǎn)動的偏心軸、額外的連桿機構、調(diào)節(jié)偏心軸相位的電機等。對于高速發(fā)動機來說，更多的部件意味著更高的耐久性測試。我認為雙偏心軸長城變壓縮比發(fā)動機能否量產(chǎn)的最大考驗是機構的耐用性。另外，更復雜的功能需要更高效的控制策略來支撐，否則量產(chǎn)后很可能成為結(jié)構非常先進、性能平平的產(chǎn)品。

●全文總結(jié):

長城汽車近兩年申請的多項可變壓縮比發(fā)動機機構專利與日產(chǎn)可變壓縮比發(fā)動機機構相似，只有可變壓縮比控制機構做出了自己的創(chuàng)新。然而，長城的雙偏心軸可變壓縮比機構頗具創(chuàng)新性。與日產(chǎn)的設計相比，它有更多的發(fā)動機工作模式，有望實現(xiàn)更好的綜合性能。但是雙偏心軸可變壓縮比的長城發(fā)動機要真正走向量產(chǎn)還有很長的路要走。首先要保證耐久性，實現(xiàn)最優(yōu)控制策略。日產(chǎn)的可變壓縮比發(fā)動機從設計到量產(chǎn)用了20年。不知道長城以中國的速度推進這個項目需要多少年？讓我們拭目以待吧！