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文|奇物君
編輯|奇物君
重型柴油機在交通運輸、工業和農業領域扮演著重要的角色。然而，傳統的柴油機在燃燒效率和排放控制方面存在一定的局限性。
為了滿足日益嚴格的環保要求，並提高燃油效率，本文以「可變壓縮比VCR技術在重型柴油機中的應用」為主題，介紹了VCR技術在重型柴油機中的原理、設計假設、構造要點和實際應用。
●○可變壓縮比（VCR）技術的潛在應用領域○●
可變壓縮比的概念最初起源於使用具有不同性質的燃料供給給發動機，即所謂的靈活燃料能力。但目前在內燃機的發展中，我們仍需要降低燃料消耗，從而減少CO2排放，以及減少有害排放成分（如一氧化碳、碳氫化合物、氮氧化物或顆粒物）的排放量。
全球汽車工業以及從事VCR技術開發的科學研究機構都表示，通過在不同容量的發動機中使用可變壓縮比，可以實現減少燃料消耗。當可變壓縮比技術用於高功率發動機時，尤其能夠帶來顯著的經濟效益。
如果這些發動機是自然吸氣或增壓直噴（DFI）和可變控制的氣門控制（VVA）發動機，則其效益更為顯著。
圖1說明了這些解決方案在個別和組合使用時的潛在效益。
結合VCR和VVA可變氣門控制系統（圖2）可以獲得更大的燃料經濟性和發動機生態效益。使用這些系統可以實現阿特金森循環的應用，並使用尺寸更小但保持高運行參數的發動機，即實現「超小型化」的理念。
「小型化」是活塞發動機的一個相對較新的發展趨勢，它是對降低燃料消耗和提高整體發動機效率的強大壓力的回應。小型化的理念是通過減少動力裝置的排量並增加功率比，主要通過使用更高的增壓壓力來實現的。
減小衝程容積也可以通過減少缸數等方式實現，從而減少機械和熱損失，以及氣缸進排氣交換損失，即所謂的「抽氣」損失。與此同時，發動機的整體效率也會提高。
另一方面，增壓壓力的增加需要降低幾何壓縮比，以避免燃燒過程中出現不利現象。由於與循環效率直接相關，最好使用儘可能高的壓縮比。
壓縮比的值必須在實現循環高熱效率和其他限制條件之間做出妥協，例如爆震限制、機械和/或熱負荷水平、最大壓力上升速率（發動機運行難度）等。
這些限制僅在高負荷、特別是高增壓情況下才起作用。在傳統發動機中，壓縮比經過優化並最終確定適用於這些工況。然而，這並不是它們通常運行的重要區域。
在低負荷和中等負荷下，壓縮比可以更高，從而提高車輛的運行效率。因此，VCR技術可以顯著擴大「小型化」範圍，進一步降低排量並使用更高的增壓壓力。
據估計，調整火花點火發動機的工作參數的這種方法可以將燃料消耗減少高達30%，而不會顯著增加有害排放物的排放。
儘管可變壓縮比（VCR）發動機的構造和技術複雜性以及許多操作問題，但估計在不久的將來，它將成為汽車活塞發動機的技術標準（見圖3）。
●○設計測試發動機的假設和基本單元的選擇○●
基於對可變壓縮比技術領域的分析，在考慮到已知的可變壓縮比發動機技術和現有樣機的所有優缺點以及自身的製造能力的基礎上，決定根據表1中顯示的運動學系統（g）構建測試發動機，即由控制的氣缸頭總成沿氣缸軸的位置和運動組成。
這種解決方案的特點是相對較低的實施成本，因為可以將標準活塞發動機改造為可變壓縮比發動機，結構簡單、控制簡單，並能在位置上實現相對較寬的壓縮比變化範圍，並且具有較高的精度。
該發動機將基於系列生產的燃燒發動機。假設根據擬定的實驗測試範圍，需要獲得廣泛的壓縮比變化範圍，涵蓋了汽油和柴油發動機的典型值，即從約9:1到19:1。
為了確保研究過程中的溫度穩定性，測試發動機應該是液冷的。選擇了由VEB IFA-Motorenwerk Nordhausen製造的中速液冷4缸柴油發動機型號為4 VD 14.5/12-1 SRW 作為構建可變壓縮比發動機的基礎。
這種發動機的獨特結構特點是存在一個將曲軸箱與氣缸總成分隔的物理平面（見圖4）。
4 VD發動機的基本參數如下：氣缸直徑為120毫米，活塞行程為145毫米，排量為6560立方厘米，原始幾何壓縮比為18:1，氣門傳動系統為：OHV氣門傳動，凸輪軸位於曲軸箱中，凸輪隨動器、杆、安裝在氣缸頭上方軸上的氣門臂。詳細的發動機規格描述在表2中。
根據4 VD 14.5/12-1 SRW發動機的幾何尺寸，可以確定氣缸頭總成沿氣缸軸的移動如何影響壓縮比變化，根據關係式（1）：
式（1）中，ε´是作為氣缸頭總成位移的函數的壓縮比，ε是初始壓縮比，Vc是氣缸排量，D是氣缸直徑，h是氣缸頭總成相對於初始位置的位移值。
從初始位置開始，氣缸頭總成傾斜的範圍為10毫米，將導致壓縮比從19:1變化到9:1，如圖5所示的曲線。這些變化範圍基本上與發動機的預期研究範圍相一致。
如有需要，可以通過更換具有不同燃燒室容積的活塞來相對容易地進行調整。 採用的改變壓縮比的概念要求使用精確、精密的氣缸頭總成移位機構與曲軸箱相連。
除了要求該機構具有高精度的定位和快速變換氣缸位置之外，還需要傳遞各個發動機氣缸中燃燒過程產生的氣體力。這些力的值可以通過公式（2）來確定：
其中Fmax是由氣缸內氣壓產生的作用在移位系統上的最大力，pmax是氣缸內的最大氣壓，D是氣缸直徑。 假設氣缸內的最大氣壓為10兆帕，我們得到單個氣缸產生的力約為113千牛頓。
因此，滑動機構必須具有足夠的強度和剛度，操作可靠性，小尺寸和相對較高的定位解析度，特別是在較高壓縮比範圍內。
新設計的壓縮比調整機構的任務是通過兩個同步旋轉的偏心軸精確移動4缸「氣缸頭」總成，其通過一種形式的橫杆-連杆與滑動元件相連，在0-10毫米範圍內。布置圖和主要機械載荷來源如圖6所示。
力和扭矩的分析表明，偏心軸將承受約300牛頓米的扭矩負荷。 圖7顯示了偏心軸及其軸驅動系統的位置。兩個軸的兩端和中間都有軸承。
在兩個軸的自由端，有兩個齒輪直角傳動裝置；它們的輸入通過共同的傳動軸連接，由同步伺服電機驅動，帶有機械制動器，軸距約為380毫米，與測試發動機的設計特點直接匹配。
負荷分析表明，每個錐齒輪傳動裝置必須傳遞小於300牛頓米的最大扭矩，而主伺服電機必須產生該扭矩的雙倍值，即至少600牛頓米。 因此，根據結構安全係數，選擇了合適的工作元件。
右角傳動採用額定扭矩Ma = 320牛頓米的TRAMEC斜齒輪箱RA 38AC 1:1 E B3版本。作為伺服電機，使用了兩級平面減速器Stöber SMS型號F402AGN0470 EZ503U EL1，帶有700牛頓米的加速扭矩，由Stöber POSIDRIVE MDS5110A/L 11.0 kW 3.400 V變頻器驅動（圖8）。
所有齒輪傳動裝置的中間齒隙都降低到小於10弧分鐘的值。
施工工作始於對研究發動機的逆向工程過程，即通過掃描發動機本體的空間結構並確定特徵點、表面、距離、間隙等，以便設計和製造其他發動機部件和組件。IFA 4 VD 14.5/12-1 SRW發動機的特點是發動機塊與氣缸沒有固定連接。
分割平面如圖9所示。其實際存在為設計和建造適當的驅動機構提供了機會，以實現氣缸（連同氣缸頭）在垂直方向上的運動。
氣缸滑動系統的基本元素包括選擇的伺服電機、兩個錐齒輪、傳動聯軸器、兩個偏心軸、連杆和一個設計製造的主支撐板來固定氣缸。主板（圖10，深藍色）通過特殊的螺紋安裝螺栓安裝在氣缸塊上。
為了在曲軸箱和氣缸塊之間增加插入柔性密封墊片的空間，需要將活塞更換為高度更大的活塞，至少增加5毫米。符合設計的VCR發動機所需尺寸的合適活塞來自HANOMAG D942發動機。
VCR發動機設計過程的下一個關鍵階段是製造與氣缸滑動系統配套的偏心軸和八個連杆的精確加工。為確保適當的尺寸精度，使用CNC工具機進行了技術加工。
圖11顯示了與偏心軸連接的連杆。
通過由兩個角錐齒輪和兩個偏心軸驅動的偏心曲柄機構強制支撐板與氣缸的運動（圖12）。
橙色部分構成了通過連杆孔徑固定的總成。偏心軸安裝在橫樑上焊接的套筒中（綠色和黃色）。
偏心軸的驅動通過兩個ROTEX GS離合器傳遞。 通過滑動筒的裝置，確保了氣缸-氣缸頭總成的運動不會出現任何故障或錯位。
滑動筒固定在曲軸箱中，並安裝在氣缸本體中精確製作的孔中。 為了更好地說明VCR發動機的結構複雜性，圖13以等軸測視圖呈現了整個設計。
最終完成的具有可變壓縮比的研究發動機如圖14所示
幾十年來，活塞發動機一直是各種機械設備和技術設備（包括汽車和其他交通工具）的基本和常用動力源。
儘管近年來出現了各種爭議性的預測和觀點，但燃燒發動機仍然是許多交通和工業領域無法替代的動力來源。
我們必須牢記科學、保持技術進步的快速發展，使最終產品變得越來越完美。 考慮到近年來的發展趨勢，主要集中在改善燃燒過程上，可以看出VCR內燃機的技術發展在這一過程中起到了重要的貢獻。
VCR發動機的設計開發為以前無法實現的新的研究和開發機會打開了大門。這主要涉及發動機工作過程的改進方向和內燃機的利用可能性的新方向，即對先進的低溫燃燒過程研究或對各種燃料在交通運輸中的統一靈活使用的研究，包括具有不同反應性的替代燃料的研究。