雙偏心軸可變壓縮比機(jī)構(gòu)、4種工作模式

經(jīng)過20年的研發(fā)和四代迭代設(shè)計(jì)優(yōu)化，日產(chǎn)2.0T VC-Turbo可變壓縮比發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)。日產(chǎn)希望憑借這種獨(dú)特的發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)在市場(chǎng)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(dòng)機(jī)技術(shù)系列專利。日產(chǎn)此時(shí)極其驚訝！中國品牌的技術(shù)實(shí)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(dòng)機(jī)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(shù)！

30秒了解本文的亮點(diǎn):

1.長城和日產(chǎn)的可變壓縮比機(jī)構(gòu)有什么區(qū)別？

2.長城雙偏心軸可變壓縮比機(jī)構(gòu)的四種工作模式

3.長城雙偏心軸可變壓縮比機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)

●長城與日產(chǎn)可變壓縮比機(jī)構(gòu)的異同

我們可以在國家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局官網(wǎng)找到長城申請(qǐng)的可變壓縮比發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)專利。這些專利包含了多種可變壓縮比發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、控制方法以及相關(guān)部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

在長城申請(qǐng)的一系列專利中，連桿和曲軸之間還設(shè)計(jì)了一個(gè)“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(jī)構(gòu)，與日產(chǎn)的設(shè)計(jì)基本一致。

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

●獨(dú)特的可變壓縮比機(jī)構(gòu)引起了我的注意。

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

零件9和7是該控制機(jī)構(gòu)的兩個(gè)偏心軸。偏心軸9上有一個(gè)齒輪，與曲軸上的齒輪嚙合，這樣曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，偏心軸9也會(huì)隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)速是曲軸轉(zhuǎn)速的1/2。偏心軸7由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，可以在一定角度范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)。

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

偏心軸9是長城這個(gè)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(diǎn)和下死點(diǎn)的位置就會(huì)改變。具體來說，偏心軸每轉(zhuǎn)一圈，活塞的位置就會(huì)從高到中到低到中到高循環(huán)變化。在該機(jī)構(gòu)中，活塞的高、中、低位置恰好對(duì)應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)工作循環(huán)中不同的上、下止點(diǎn)，如排氣上止點(diǎn)、進(jìn)氣下止點(diǎn)、壓縮上止點(diǎn)和膨脹下止點(diǎn)。

●長城雙偏心軸可變壓縮比機(jī)構(gòu)的四種工作模式

當(dāng)偏心軸9和曲軸之間的相位在90-150度范圍內(nèi)時(shí)，進(jìn)氣下止點(diǎn)與膨脹下止點(diǎn)相同，排氣上止點(diǎn)低于壓縮上止點(diǎn)。進(jìn)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(dāng)偏心軸9和曲軸之間的相位在180-250°范圍內(nèi)時(shí)，進(jìn)氣下止點(diǎn)高于膨脹下止點(diǎn)，排氣上止點(diǎn)與壓縮上止點(diǎn)相同。進(jìn)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(dāng)偏心軸9與曲軸之間的相位在270°-330°范圍內(nèi)時(shí)，進(jìn)氣下止點(diǎn)與膨脹下止點(diǎn)相同，排氣上止點(diǎn)高于壓縮上止點(diǎn)。進(jìn)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(dāng)偏心軸9和曲軸之間的相位在0-60°范圍內(nèi)時(shí)，進(jìn)氣下止點(diǎn)低于膨脹下止點(diǎn)，排氣上止點(diǎn)與壓縮上止點(diǎn)相同。進(jìn)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(dòng)可以使活塞的上下死點(diǎn)同步上升或下降，這可以使發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比和膨脹比同步上升或下降，但進(jìn)氣沖程、排氣沖程、膨脹沖程和壓縮沖程基本不變。相當(dāng)于偏心軸9被用于調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)工作模式，偏心軸7以特定模式精細(xì)地調(diào)節(jié)膨脹比和壓縮比，以滿足更多的發(fā)動(dòng)機(jī)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(yīng)更多的發(fā)動(dòng)機(jī)工況。

技術(shù)優(yōu)勢(shì)、量產(chǎn)路上或遇到的問題

◆HCCI均勻充氣壓縮點(diǎn)火模式

在上述四種特征模式中，模式1對(duì)應(yīng)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(shì)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(guān)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(dá)到節(jié)油效果。

長城雙偏心軸可變壓縮比機(jī)構(gòu)可以動(dòng)態(tài)微調(diào)壓縮比，進(jìn)一步提高壓縮比以提高低負(fù)荷工況下的壓燃效率，適當(dāng)降低高負(fù)荷工況下的壓縮比和爆震傾向，有助于在一定程度上擴(kuò)大HCCI工作模式的工作范圍，從而有助于提高發(fā)動(dòng)機(jī)的整體運(yùn)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(dòng)調(diào)節(jié)可以使發(fā)動(dòng)機(jī)隨著負(fù)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(dòng)機(jī)負(fù)荷的降低，同步提高膨脹比和壓縮比，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率。

長城可變壓縮比機(jī)構(gòu)的亮點(diǎn)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(yùn)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(dòng)機(jī)可以通過延遲關(guān)閉進(jìn)氣門來改變實(shí)際壓縮比，但由于活塞上止點(diǎn)位置固定，燃燒室容積固定，降低壓縮比意味著減少進(jìn)氣量，這會(huì)降低發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力輸出性能。相比之下，長城可變壓縮比機(jī)構(gòu)可以在不改變進(jìn)氣量的情況下直接調(diào)節(jié)壓縮比，在動(dòng)力輸出性能上會(huì)更有優(yōu)勢(shì)。

◆改善冷啟動(dòng)性能和排放的模式

發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)將采用模式4，此時(shí)膨脹比小于壓縮比。在偏心軸7的調(diào)節(jié)下，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)溫度的升高，發(fā)動(dòng)機(jī)的膨脹比和壓縮比會(huì)相應(yīng)降低，從而提高發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)和排放性能。

該專利沒有詳細(xì)分析模式3的工作模式，膨脹比等于壓縮比，壓縮比相對(duì)較低。我猜這種模式是用來匹配高渦輪增壓值，以實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)的動(dòng)力輸出。一個(gè)更準(zhǔn)確的應(yīng)用場(chǎng)景只有在制造商解密該技術(shù)時(shí)才會(huì)顯現(xiàn)出來。

●長城雙偏心軸可變壓縮比機(jī)構(gòu)優(yōu)點(diǎn):

仔細(xì)看完專利，對(duì)長城的新型可變壓縮比發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)有了更深的了解。與日產(chǎn)VC-Turbo 2.0T發(fā)動(dòng)機(jī)的可變壓縮比技術(shù)相比，上面詳細(xì)介紹的雙偏心軸可變壓縮比技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于，不僅可以動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比，還可以實(shí)現(xiàn)不同的工作模式，從而在動(dòng)力、燃油經(jīng)濟(jì)性、排放等方面達(dá)到更好的平衡。

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

長城的雙偏心軸可變壓縮比機(jī)構(gòu)雖然功能強(qiáng)大，但不可否認(rèn)的是，為了實(shí)現(xiàn)更多的功能，該機(jī)構(gòu)也引入了更多的部件，如位于曲軸處的齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、隨曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)的偏心軸、額外的連桿機(jī)構(gòu)、調(diào)節(jié)偏心軸相位的電機(jī)等。對(duì)于高速發(fā)動(dòng)機(jī)來說，更多的部件意味著更高的耐久性測(cè)試。我認(rèn)為雙偏心軸長城變壓縮比發(fā)動(dòng)機(jī)能否量產(chǎn)的最大考驗(yàn)是機(jī)構(gòu)的耐用性。另外，更復(fù)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(gòu)非常先進(jìn)、性能平平的產(chǎn)品。

●全文總結(jié):

長城汽車近兩年申請(qǐng)的多項(xiàng)可變壓縮比發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)構(gòu)專利與日產(chǎn)可變壓縮比發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)構(gòu)相似，只有可變壓縮比控制機(jī)構(gòu)做出了自己的創(chuàng)新。然而，長城的雙偏心軸可變壓縮比機(jī)構(gòu)頗具創(chuàng)新性。與日產(chǎn)的設(shè)計(jì)相比，它有更多的發(fā)動(dòng)機(jī)工作模式，有望實(shí)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(dòng)機(jī)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(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制策略。日產(chǎn)的可變壓縮比發(fā)動(dòng)機(jī)從設(shè)計(jì)到量產(chǎn)用了20年。不知道長城以中國的速度推進(jìn)這個(gè)項(xiàng)目需要多少年？讓我們拭目以待吧！