摘 要

汽车保有量的增加在为人们带来便利的同时，也造成了严重的环境问题和能源危机。可变压缩比技术作为提高发动机性能的有效方式，已经得到了广泛关注。

本文对可变压缩比的基本原理进行了学习，也对目前可变压缩比的研究现状作了了解。在此基础上，提出了一个可变压缩比的实现方案。通过对一台2.0L发动机进行GT-Power建模，选取了1500r/min、3000r/min、4500r/min三个转速，在负荷为25%、50%、75%的不同工况下，通过对比研究了可变压缩比对发动机动力性和经济性的改善效果。

研究后可以得到结论，可变压缩比对于发动机的动力性和经济性均有改善，低负荷时可变压缩比对于发动机性能的改善更加明显，随负荷增大，发生爆震的可能性随之增大，这限制了可变压缩比在高负荷时对发动机的改善效果。

关键词：可变压缩比；动力性；经济性

Abstract

The increasing of car ownership brings convenience to us, but also creates serious environmental problems and energy crisis. As an effective way to improve engine performance, variable compression ratio has received extensive attention.

In this paper, I learned about the basic principles of variable compression ratio, and understood the current research situation. On the basis of this, I proposed a scheme to achieve variable compression ratio. In this paper, an engine model was built based on a 2.0L engine using the simulation software GT-Power, engine operating condition were at 1500r/min,3000r/min,4500r/min, under the load of 25%,50%,75%. Then I studied the positive effect of variable compression ratio on engine power performance and fuel economy.

As a conclusion of this research, we can find that variable compression ratio has a very positive effect on engine power performance and fuel economy. When the load is low, the improvement by variable compression ratio is quite obvious. With the increase of load, the risk of knock also increase, limiting the improvement of variable compression ratio on engine.

Key Words：Variable compression ratio; Power performance; Fuel economy

目录

摘要 Ⅰ

Abstract Ⅱ

第1章 绪论 1

1.1研究背景和意义 1

1.2国内外研究现状 1

1.3研究内容及预期目标 3

第2章 可变压缩比机构设计及模拟仿真 4

2.1可变压缩比机构设计方案 4

2.2本课题可变压缩比技术方案的设计 5

2.3 GT-Power软件介绍 6

2.4汽油机仿真模型建立 6

2.4.1内外部环境以及管路的设置 7

2.4.2进排气阀门的设置 8

2.4.3喷油器的设置 9

2.4.4汽缸模型的设置 9

2.4.5曲轴箱模块的设置 10

2.4.6搭建发动机整机模型 11

2.4.7汽油机仿真模型的验证 11

2.5本章小结 13

第3章 可变压缩比对发动机性能改善的研究 14

3.1研究内容 14

3.2转速1500r/min时可变压缩比的改善作用 15

3.3转速3000r/min时可变压缩比的改善作用 24

3.4转速4500r/min时可变压缩比的改善作用 32

3.5本章小结 40

第4章 总结与展望 41

4.1全文小结 41

4.2未来展望 41

参考文献 42

致谢 43

第1章 绪论

1.1研究背景和意义

21世纪以来，全世界的汽车行业进入了快速的发展期，我国的汽车产业随着经济增长，也得到了迅速的发展，汽车保有量和产销量逐年上升。根据中国公安部的数据显示，在2017年，我国全年共产销2901.54万辆和2887.89万辆汽车，与2016年相比增长了3%，增速稍有回落。而截止到2017年底，我国的机动车保有量已经达到3.1亿辆。但是，汽车保有量的大幅增加，在给人民生活带来极大便利的同时，也带来了诸多问题。雾霾、拥堵等都是机动车过多带来的负面影响。而且当今世界正面临着严重的能源短缺问题和日益严格的减排要求，尤其是化石燃料接近枯竭，石油价格逐年猛增，这使得需要消耗化石燃料的传统内燃机来到了更新换代的关键节点。如果不能减少化石燃料的使用量，传统的内燃机将迅速退出舞台。为了同时解决这两项问题，发动机需要通过改进来获得更好的动力性能和燃油经济性，并且降低污染物的排放量。为了达到这一目的，研究员们已经探索了包括可变气门配气相位、连续可变的气门正时、缸内直喷分层燃烧等新技术，而可变压缩比技术作为其中的一员，已经走入了研发者的视线^[1-2]。

可变压缩比技术可以使发动机在不同的工况下使用不同的压缩比。由于汽油机本身的固有特点：进气节流和爆震，使得在压缩比固定时，汽油机不能充分发挥其性能，与柴油机比较起来经济性相对较差^[3-4]。而可变压缩比机构可以通过在低负荷下使用更高的压缩比来提高效率，并且在高负荷下使用更低的压缩比避免爆震和减小机械负荷。这样既可以提高发动机热效率、减少冷启动和暖机阶段的污染物排放、增加燃油经济性，也可以控制爆震的发生，使不同负荷下的动力性和经济性能够得到兼顾，让发动机的动力性、燃油经济性和排放性都有显著的提高。可变压缩比作为提高发动机性能的有效方式，已经得到了许多科研单位和企业的关注，但其仍然有机械结构复杂、可变压缩比控制困难、制造成本高等问题，还需要继续进行技术攻关。

1.2国内外研究现状

国外对于可变压缩比的研究开展较早，因此在理论研究和样机制造方面均取得了许多成果，部分成果已经可以实际应用到汽车中。而我国由于研究起步较晚，在众多研发人员的努力下，目前取得了一些理论成果，也有一些相关的专利申请，但尚未有成熟的样机问世。本节将简单讲述国外和国内的研究现状。

(1）国外现状

德国亚琛工业大学的Andreas Balazs和Henning Kleeberg等人在2013年研究了通过对现有的发动机架构进行微小的修改，使用可变长度连杆系统来实现二级可变压缩比，并将该系统用于现有的涡轮增压直喷汽油发动机中。该系统可以显著减少CO2排放量^[5]。

福特汽车公司的Michael H.Shelby和Thomas G.Leone等人于2017年在多缸汽油涡轮增压直喷发动机上以几个不同的压缩比进行试验，以确定压缩比对燃油经济性、排气温度、峰值气缸压力、燃烧速率、低速扭矩和高速动力的影响，并以此评估了轻型车辆可变压缩比的燃料经济性潜力^[6]。

德国IAV公司和西萨克森大学的M.Sens、S.Zwahr和M.Günther等人在2016年通过研究已证实，利用米勒循环与可变压缩比组合的方案能显著降低小型发动机的部分负荷燃油耗，而且混合气不加浓就可以满足实际行驶排放法规的要求^[7]。