為了實(shí)現(xiàn)未來(lái)的CO2減排目標(biāo)，特別是針對(duì)在真實(shí)駕駛條件下的排放限值，必須要開(kāi)發(fā)出技術(shù)全面的新一代動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)。除了目前汽車行業(yè)正在進(jìn)行的電氣化開(kāi)發(fā)之外，制造商還需要充分利用內(nèi)燃機(jī)的全部潛力進(jìn)行性能優(yōu)化。

實(shí)現(xiàn)可變壓縮比是各汽車制造商多年來(lái)的目標(biāo)。在點(diǎn)火前，空氣和燃料的壓縮程度對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的整體效率有著至關(guān)重要的作用。因?yàn)閴嚎s比總是隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷的變化而變化，因此要實(shí)現(xiàn)理想壓縮比是開(kāi)發(fā)中的難題。

1可變壓縮比技術(shù)挽救熱效率

目前廣泛使用的一種方法是結(jié)合阿特金森循環(huán)，采用可變進(jìn)氣門(mén)定時(shí)，將有效壓縮比與膨脹比分離。但隨著全球行駛里程標(biāo)準(zhǔn)的提升，正迫使所有制造商尋求另外的減少燃料消耗的方法。與其他優(yōu)化途徑不同的是，可變壓縮比(VCR)作為一個(gè)單獨(dú)的參數(shù)，特別是與米勒循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)相結(jié)合時(shí)，對(duì)改善燃油經(jīng)濟(jì)性具有極大的潛能。VCR系統(tǒng)已逐漸成為特定車輛類型的主流技術(shù)。

目前存在著多種可能的解決方案，例如英菲尼迪通過(guò)一套多連桿機(jī)構(gòu)（Multi-link）改變發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比，由Saab生產(chǎn)的通過(guò)可移動(dòng)的氣缸蓋和氣缸體實(shí)現(xiàn)可變壓縮比功能的發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)等。這些概念都需要開(kāi)發(fā)一個(gè)全新的發(fā)動(dòng)機(jī)架構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

然而，一種二級(jí)可變壓縮比系統(tǒng)（Dual Mode VCS）采用了不同的途徑。該系統(tǒng)集成在一個(gè)連桿中，連桿長(zhǎng)度在兩個(gè)階段發(fā)生變化，從而達(dá)到理想壓縮比。此解決方案可以集成到現(xiàn)有的系列發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品中，而不需要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)架構(gòu)進(jìn)行大量的更改。這意味著現(xiàn)有的裝配線不需要大規(guī)模的調(diào)整就可以使用，所以二級(jí)可變VCS系統(tǒng)成為針對(duì)大規(guī)模的CO2減排, 并能夠滿足成本效益的解決方案。

2簡(jiǎn)單集成，無(wú)需開(kāi)發(fā)發(fā)動(dòng)機(jī)架構(gòu)

在二級(jí)可變VCS的開(kāi)發(fā)初期，最重要的理念和優(yōu)勢(shì)就是可以簡(jiǎn)單地集成到現(xiàn)有的發(fā)動(dòng)機(jī)架構(gòu)中。這使得具有VCR技術(shù)和不能滿足VCR技術(shù)的系列發(fā)動(dòng)機(jī)都能夠?qū)崿F(xiàn)可變壓縮比，這個(gè)開(kāi)發(fā)標(biāo)準(zhǔn)也是二級(jí)可變VCS將VCR技術(shù)集成到連桿的主要原因。二級(jí)可變VCS系統(tǒng)的二級(jí)伸縮桿在涉及到校準(zhǔn)和控制系統(tǒng)時(shí)是非常有效的。另外還能夠?qū)崿F(xiàn)多達(dá)6種不同壓縮比的變化，以確保在全球統(tǒng)一的輕型車排放測(cè)試規(guī)程（WLTP）中可以充分達(dá)到8%的CO2減排水平。

此外，該設(shè)計(jì)將允許車輛根據(jù)具體的駕駛周期和類別，“量身定制”具體的操作和切換策略。結(jié)合傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)提供完全模塊化的功能，發(fā)動(dòng)機(jī)制造商可以使用現(xiàn)有生產(chǎn)線。

由于這種集中在連桿的設(shè)計(jì)增加了額外的質(zhì)量，不僅減少了振動(dòng)質(zhì)量，噪聲、振動(dòng)和平順性也獲得了改善，并且不需要再去更改活塞組結(jié)構(gòu)。在理想情況下，可變連桿的長(zhǎng)度變化是通過(guò)非外加手段控制的，例如油壓變化。對(duì)于二級(jí)可變的VCS，開(kāi)發(fā)目標(biāo)是需要實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)及盡可能地降低能源消耗，確?，F(xiàn)有系統(tǒng)可以覆蓋整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的工況范圍。

3WLTC工況測(cè)試結(jié)果出色

為了評(píng)估二級(jí)可變VCS解決方案和完全可變壓縮比系統(tǒng)的可能性，對(duì)1款2.0 L TGD 發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了WLTC工況測(cè)試。測(cè)試結(jié)果顯示了發(fā)動(dòng)機(jī)性能表現(xiàn)分為兩個(gè)領(lǐng)域，即高壓縮比或低壓縮比區(qū)域。在低負(fù)荷/低轉(zhuǎn)速時(shí)必須利用高壓縮比達(dá)到最大CO2減少量。

在高負(fù)荷區(qū)域，采用低壓縮比來(lái)實(shí)現(xiàn)最大的車輛性能，從而避免爆燃狀況的發(fā)生。由于高轉(zhuǎn)速和低負(fù)荷的區(qū)域?qū)τ秃臎](méi)有顯著影響，故采用了低壓縮比。從WLTC工況的測(cè)試結(jié)果可以得出，發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)行中有96.3%的時(shí)間是可以實(shí)現(xiàn)理想的高壓縮比。有3.7%的時(shí)間在其他工況條件下有不同的壓縮比。與英菲尼迪多連桿機(jī)構(gòu)方案相比，二級(jí)可變VCS帶來(lái)的潛力似乎更勝一籌。

4二級(jí)可變VCS技術(shù)

二級(jí)可變VCS的基本功能是靠1根可伸縮的連桿來(lái)完成的，其伸縮連桿可達(dá)到兩個(gè)極端的長(zhǎng)度位置。從運(yùn)動(dòng)學(xué)的角度來(lái)看，連桿小端與大端是分開(kāi)的，而這兩個(gè)部分都是通過(guò)過(guò)渡接頭連接的。為了實(shí)現(xiàn)兩個(gè)方向的長(zhǎng)度變化，在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，二級(jí)可變VCS系統(tǒng)能夠利用氣體和慣性力，在連桿小端對(duì)活塞進(jìn)行作用。過(guò)渡接頭的平移運(yùn)動(dòng)正好有一個(gè)自由度, 如果合力為負(fù)，那么就縮短了連桿長(zhǎng)度。

若合力為正，則連桿長(zhǎng)度增加。自由度在兩個(gè)方向上都受到嚴(yán)格的機(jī)械限制。在長(zhǎng)度變化過(guò)程中，機(jī)油油量被轉(zhuǎn)移到過(guò)渡接頭的上或下液壓室，可以看作是一個(gè)氣缸活塞系統(tǒng)。通過(guò)液壓閥系統(tǒng)內(nèi)的上下壓力腔，確保了連桿在正確的方向上進(jìn)行移動(dòng)。當(dāng)?shù)竭_(dá)末端位置時(shí)，閥門(mén)系統(tǒng)會(huì)在發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)的波動(dòng)負(fù)荷下，以液壓的方式將連桿鎖住，從而保證了長(zhǎng)度的變化限制。

由AVL和iwis 動(dòng)力系統(tǒng)公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)的二級(jí)可變VCS，在整個(gè)負(fù)荷和速度范圍內(nèi)可以達(dá)到6 500 r/min的最高轉(zhuǎn)速。兩家公司在系統(tǒng)開(kāi)發(fā)方面取得了顯著的進(jìn)展，并計(jì)劃到2021年進(jìn)行量產(chǎn)準(zhǔn)備。在目前的發(fā)展階段，還正在收集測(cè)試數(shù)據(jù)，不久后VCS發(fā)動(dòng)機(jī)將會(huì)引入模塊化的生產(chǎn)量產(chǎn)。

下一步將專注于將二級(jí)可變VCS集成到具有高功率輸出，在單缸排量0.5 L的發(fā)動(dòng)機(jī)中，這一目標(biāo)將是開(kāi)發(fā)的主要設(shè)計(jì)路線。另外模塊化的集成方法還可以很容易地轉(zhuǎn)移到其他的發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)型，比如單缸排量0.4 L的發(fā)動(dòng)機(jī)?；谀壳暗脑O(shè)計(jì)，二級(jí)可變的VCS能夠?qū)崿F(xiàn)的單位CO2排放的成本收益比達(dá)到35美元~ 46美元。