可變壓縮比發動機的案例
日產的可變壓縮比發動機究竟厲害在哪里?
盡管電動車來勢洶洶，但發動機一時半會兒并不能被取代，至少車企和供應商都還沒有放棄，還在開發各路新技術，以期能夠滿足排放和油耗要求愈加嚴苛的法規。在經濟高效的大方向下，每家的手段各不相同，但究其根源，都是讓發動機變得更加“聰明”：在不同工況下，能夠及時靈活地調整自身狀態，提供適當的輸出性能。所以可以看到，近幾年發動機的新技術，幾乎離不開可變二字——可變氣門升程、可變正時、可變氣缸數（停缸技術）乃至可變截面渦輪，都是為了讓發動機能夠盡可能在不同工況下達到最優解。
在眾多的可變技術中，可變壓縮比是改善效果最明顯的，也是改變難度最大的。至今，僅有日產一家真正開始量產。兩年前，日產正式對外宣布可變壓縮比發動機達到量產狀態。目前，這款發動機已經搭載在了英菲尼迪QX50和已經在北美發布的天籟上。
從1998年開始研發，到2016年宣布量產，2017年正式推出，日產花了二十年的可變壓縮比技術究竟厲害在哪里呢？
壓縮比的數值直接代表著發動機的燃燒效率。壓縮比越高，發動機的燃燒效率越高，經濟性也就越好。所以，在追求經濟性時，可以明顯看到各個廠商對于高壓縮比的追求。比如馬自達的創馳藍天，曾表示想將壓縮比實現到18。目前一般車輛發動機的壓縮比在10-12，高壓縮比一般是14。但是，大學時候老師就會告訴你，壓縮比并不能被無限提高。因為在高壓縮比時，容易發生爆震，不僅不能提高性能，反而會對發動機帶來損害。阿特金森循環就此應運而生，通過犧牲一部分動力性能來減少和避免爆震問題。
所以，最好的狀態就是，在平時以高壓縮比工作，而在加速時，發動機能夠自動降低壓縮比來適應工況的改變，就可以同時兼顧經濟性與加速性，且不會讓發動機產生異常狀態。
但壓縮比的改變也是最難的。稍微了解發動機構造的就會知道，活塞通過曲柄連桿與曲軸相連，要想改變壓縮比，就得讓影響活塞運行的一個參數是可變的。
展開 發動機可變氣缸技術
可變氣缸技術是指能夠根據道路情況或者駕駛員駕駛狀態對發動機氣缸工作狀態進行調節的一項節能新技術，在不需要大功率的輸出時，控制關閉一部分氣缸，以減少燃料消耗。
通常情況下用于多氣缸大排量發動機，如V6、V8、V12等發動機，因為這些汽車在日常行駛時并不需要大功率的輸出，特別是在越來越擁堵的城市，大排量多氣缸的搭配就顯得有點浪費，而小排量又無法滿足人們對于駕駛樂趣的需求，于是為了解決這樣的矛盾，可變氣缸技術應運而生，當然，今天的小排量發動機領域也同樣開始應用可變氣缸技術。
目前具有代表性的可變氣缸技術有可變氣缸管理、多段式排氣量調節系統、主動式可變氣缸管理系統等。
一、
一、可變氣缸管理
可變氣缸管理（VariableCylinderManagement，VCM）是本田公司所擁有的一種可變氣缸管理技術，它可以在行駛時將發動機的個別氣缸關閉，讓一臺3.5L V6發動機在3缸、4缸、6缸之間變化，排量則在1.75～3.5L之間變化，如下圖所示。這種技術的發動機安裝在第8代和第9代本田雅閣汽車3.5L上。
VCM技術可以智能地管理汽車發動機，當汽車進行爬坡、加速、起步等全負荷工作時，發動機的6個氣缸會全部投入工作；當汽車以中速巡航狀態行駛時，工作的氣缸數會減半，即只有3個氣缸工作；在高速巡航時，為了保證汽車的動力輸出，運行氣缸的數量會增加至4個。由于系統會自動關閉非工作缸的進氣門和排氣門，所以可避免與進、排氣相關的吸排損失，并進一步提高了燃油經濟性。
展開 【汽車知識】圖解發動機可變氣門的工作原理
● 配氣機構的作用
配氣機構主要包括正時齒輪系、凸輪軸、氣門傳動組件（氣門、推桿、搖臂等），主要的作用是根據發動機的工作情況，適時的開啟和關閉各氣缸的進、排氣門，以使得新鮮混合氣體及時充滿氣缸，廢氣得以及時排出氣缸外。
● 什么是氣門正時？為什么需要正時？
所謂氣門正時，可以簡單理解為氣門開啟和關閉的時刻。理論上在進氣行程中，活塞由上止點移至下止點時，進氣門打開、排氣門關閉；在排氣行程中，活塞由下止點移至上止點時，進氣門關閉、排氣門打開。
那為什么要正時呢？其實在實際的發動機工作中，為了增大氣缸內的進氣量，進氣門需要提前開啟、延遲關閉；同樣地，為了使氣缸內的廢氣排的更干凈，排氣門也需要提前開啟、延遲關閉，這樣才能保證發動機有效的運作。
● 可變氣門正時、可變氣門升程又是什么？
發動機在高轉速時，每個氣缸在一個工作循環內，吸氣和排氣的時間是非常短的，要想達到高的充氣效率，就必須延長氣缸的吸氣和排氣時間，也就是要求增大氣門的重疊角；而發動機在低轉速時，過大的氣門重疊角則容易使得廢氣倒灌，吸氣量反而會下降，從而導致發動機怠速不穩，低速扭矩偏低。
固定的氣門正時很難同時滿足發動機高轉速和低轉速兩種工況的需求，所以可變氣門正時應運而生。可變氣門正時可以根據發動機轉速和工況的不同而進行調節，使得發動機在高低速下都能獲得理想的進、排氣效率。
影響發動機動力的實質其實與單位時間內進入到氣缸內的氧氣量有關，而可變氣門正時系統只能改變氣門的開啟和關閉的時間，卻不能改變單位時間內的進氣量，變氣門升程就能滿足這個需求。如果把發動機的氣門看作是房子的一扇“門”的話，氣門正時可以理解為“門”打開的時間，氣門升程則相當于“門”打開的大小。
展開 力學筆記#3：物質的可壓縮性和流動的可壓縮性之間的區別是什么？
-----可壓縮性
可壓縮性是由體積模量決定的，體積模量的倒數就是可壓縮系數。在討論可壓縮性的時候，利用lamda+2G/3或者E/（3*（1-2v）來討論會更方便一些，尤其是后者。根據E/（3*（1-2v），在現實中也發現，泊松比接近0.5的時候，體積模量接近無窮大，表示物質接近不可壓，泊松比接近0的時候，體積模量很小，在楊氏模量一定時物質非常可壓。對于空氣來說，其泊松比接近0（網上找的，咱也不知道怎么測的），其體積模量就接近一個很小的數，這就是為啥空氣好壓縮的原因（吳望一P67）。對于液體來說，其泊松比接近0.5，其體積模量是比較大的，所以液體接近不可壓縮性。對于固體來說，只有高彈性體的泊松比接近0.5，所以高彈性體接近不可壓。
其他的部分金屬泊松比也接近0.5，其他的材料都小于0.5，具有一定的可壓性。金屬的塑性變形階段是接近不可壓的，只有彈性變形是可壓的，也即塑性變形與球應力無關（米海珍P5）。
-----可壓縮性和體積自鎖
可壓縮性在物質變形有限元計算中具有很重要的地位，與體積自鎖很相關。當物質泊松比接近0.5時候，盡管楊氏模量也很大，其體積模量還是會接近很大的數目。這時候就要求單元在承受靜水壓力時的變形小到可以忽略，或者說是計算不出其變形（莊茁P68）。而一般的單元都是以節點位移和形函數描述的，這種位移描述的單元是計算不出球應力的，所以需要單獨對壓應力設置一個自由度，這種就叫雜交單元。如果強行用一般的位移描述單元，那么就會經歷體積自鎖（莊茁P223、P252）。
-----可壓縮物質和可壓縮流動
任何物質都是可壓的，只是對于低速運動的物質，其質量守恒方程（連續性方程）可以得到一定的簡化。由前可知，可壓縮性由體積模量的倒數表示。體積模量公式可見博文：
數峰青，公眾號：數峰青
力學筆記#1：什么是體積模量？
展開 
渦輪風扇發動機 - 風扇和壓縮機部分與殼體 ￥10
渦輪風扇發動機 - 風扇和壓縮機部分與殼體
渦扇發動機是基本燃氣渦輪發動機的最現代變體。在渦扇發動機中，核心發動機前部由風扇包圍，后部由附加渦輪機包圍。風機和風機渦輪機由許多葉片組成，如核心壓縮機和核心渦輪機，并連接到一個附加的軸。
- 模型已在 Siemens NX 上創建。
- 通過將 CSYS 與 CSYS 作為接口對齊來創建約束。
- 此外，螺紋是使用 WAVE Geometry Linker 創建的。
- 所有組件均采用 STL 格式，用于 3D 打印工藝。
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展開 GKN使用3D打印技術生產勞斯萊斯發動機的壓縮機外殼
2021年5月，南極熊獲悉，航空航天部件供應商GKN已成功為勞斯萊斯（Rolls-Royce）公司的OEM飛機發動機提供了內部壓縮機殼——ICC，這個部件完全由3D打印制造而成。
ICC將被應用到勞斯萊斯推出的Ultra Fan發動機的展出模型中，這一研究屬于歐洲最大的航空科研項目Clean Sky 2的一部分，致力于減少當今飛機發動機的CO2排放量和噪音水平。Clean Sky 2項目依托于歐盟的Horizo 2020計劃和航空工業的資金投入，旨在加強該領域的合作關系，同時也促進健康的競爭。
GKN航空航天公司瑞典技術中心副總裁Henrik Runnemalm說：“向Rolls-Royce交付UltraFan發動機的ICC是一個真正意義上的的里程碑。它代表了Clean Sky 2協作計劃的成功，我們很高興在ICC的開發中應用了最新的可持續性技術。我們為成為勞斯萊斯團隊的合作伙伴，以及為未來的這種節能型航空發動機做出貢獻而感到非常自豪。”
△UltraFan引擎的ICC，圖片來自GKN
Ultra Fan引擎
勞斯萊斯發動機產品組合的最新成員是Ultra Fan型發動機。據報道，與第一代Trent發動機相比，Ultra Fan的燃油效率提高了25％，具有新的發動機核心架構。該系統的扇葉直徑為140英寸，曾被描述為實現“可持續航空旅行”的新途徑。
借助碳——鈦結構的風扇葉片和復合材料的外殼，這款新型發動機可將飛機的重量減輕多達680公斤。它還配備了全新的齒輪設計，可提供高效的動力，以實現高推力和高旁通率。Rolls-Royce公司計劃在2022年進行一次完整的發動機地面測試，并將在不久后進行飛行測試。
展開 目前最先進的發動機技術，其實就是連桿的革命，中國品牌車啥時候配備
四沖程發動機現已成為汽車最高效可靠的動力之一，然而工程師并沒有停下腳步，因為現有的技術還沒有達到理想化的水平。為了將效率和性能都達到最大化，工程師將許多新技術都應用到了目前量產發動機上。
有些技術要把它從圖紙變成產品卻異常困難，因為它的實現意味著要對已經沿用上百年的發動機結構進行改進，而一旦量產發動機將從此跨入一個新的時代，這項技術就是可變壓縮比。
可變壓縮比是一項革命性技術
每過一段時間就會有新的發動機技術誕生，從缸內直噴、渦輪增壓、高壓縮比再到阿特金森循環，這些新技術的確讓發動機變得更高效更省油，但它們仍然無法改變傳統發動機結構上的弊端。發動機工作模式其實與人運動時非常類似，慢跑時人們需要緩慢呼吸讓心臟處于相對松弛的狀態，快跑時則需要使勁呼吸讓心臟處于緊繃狀態。人通過心臟調節呼吸來控制節奏，而發動機則是通過調節壓縮比來控制運轉模式。
平常慢慢開車時，發動機負載很小缸內溫度相對較低，上了高速后發動機開始高負荷運轉，缸內的溫度隨之提高。理想狀態下，發動機低負荷應當可以使用高壓縮比提升效率降低油耗，而高負荷下可以使用低壓縮比徹底釋放動力。但傳統發動機壓縮比是固定的，一旦把壓縮比提高壓榨動力，那么高溫高負荷下就會發生爆震，導致極限性能受限，把壓縮比調低一點，雖然發動機極限性能更好，但是低負荷工況效率不高。因此不得不退而求其次，設定一個不高不低的壓縮比，這種辦法只是權宜之計。
固定的壓縮比限制了發動機運轉模式，所以傳統發動機必須在油耗和動力之間做選擇，要么選擇其中一個要么折中，如果能實現壓縮比隨工況調節，那么這個問題就迎刃而解了。日產從上世紀末就開始著手研發可變壓縮比技術，從最初的圖紙到正式量產一共用了20年的時間。
展開 LS-Dyna ICFD不可壓縮流心臟瓣膜模擬 ￥199
1.LS-Dyna ICFD求解器介紹
不可壓縮流動求解器基于應用于流體力學的現有有限元技術。它與固體力學求解器完全耦合。FSI 耦合分析，允許通過顯式技術進行穩健的弱 FSI 耦合分析，或使用隱式進行強 FSI 耦合分析。除了能夠處理自由 表面流動之外，使用保守的水平集界面跟蹤技術,還可進行雙相流分析功能。還支持基本湍流模型。本求解器是 LS-DYNA 中第一個應用新的體網格劃分器，它只需將流體域邊界的高質量表面網格作為輸入，然后由 程序自動生成體網格。另外，在隨著不可壓縮流的時間推進期間，求解器將自適應地重新網格化輸入求解器 特點。網格劃分器的另一個重要特征是能夠創建邊界層網格。當在流體壁附近計算剪切應力時，這些各向異性邊界層網格是模型求解關鍵。
圖 1 ICFD 汽車外流場、水流沖擊大壩、圓柱擾流案列
2. LS-DYNA ICFD 基本功能
2.1自動體網格生成
ICFD 求解器使用自動體網格器劃分流體域。 這極大地簡化了前處理階段，而且，提供高質量的表面網 格。 對于 FSI 流-固耦合分析，求解器使用 ALE 方法進行網格移動。 在 FSI 模擬導致大位移的情況下，求解器可以自動重新網格化以保證可接受的網格質量。
圖 2 ICFD自動生成邊界層及體網格
2.2網格細化和自適應網格劃分工具
LS-Dyna為用戶提供了幾種工具用于細化局部體網格，以便更好地捕獲網格敏感現象，例如湍流渦流或邊界層分離和再附著。在幾何體設置期間，網格劃分器可以根據用戶指定曲面，生成體積內的局部網格尺寸。如果沒有使用內部網格來指定大小，則網格器將使用封閉體的表面大小進行線性插值。
展開 可變飽和流-可變飽和流
可變飽和流
這個例子使用理查德方程應用模式估計地球灌溉傳感檢測可變飽和土壤流體飽和度.
亞利桑納大學水文和水利資源學院的Andrew Hinnell, Alex Furman, 和Ty Ferre給出該例子. 他們起初在COMSOL
Multiphysic PDE模式求解該問題, 但是此處討論在理查德方程應用模式重新建立他們的模型.
在描述可變飽和多孔介質流動屬性時的主要問題是需要描述進入并填充空隙的流體如何傳遞和儲存. 此類屬性很難通過實驗獲得相關數據.
此外, 方程系數隨著土壤飽和度的變化而發生變化, 這使得數學模型非線性化. 理查德方程應用模式由交互界面自動給出van Genuchten (參考文獻1)和Brooks和Corey
(參考文獻2)的流體保持和材料屬性隨解變化的關系.
展開 2018年全球十大汽車技術創新，目標是最終消除車禍
3 日產和英菲尼迪的VC-TURBO發動機
花費日產集團13年時間研發的VC-TURBO發動機是全球首臺可變壓縮比發動機，其壓縮比可以實現從8：1到14：1的轉變，幫助車輛在燃油經濟性和動力之間取得完美平衡。
4 高通集團"Vehicle to Everything"（汽車通往一切）技術
該技術幫助道路上的所有車輛互相交換行駛信息，最終達到自動駕駛以及增加行駛安全性的目的。盡管該技術還在測試階段，但是隨著5G網絡的發展，它一定會在未來發展得更好。
5 奧迪A8主動懸架技術
奧迪A8創新式的主動式后空氣懸架可以幫助車輛在偵測到有被追尾風險時，將后懸架主動提升8公分，以幫助成員應對即將到來的危險。這一動作可以在半秒內完成，從而極大提升了全新A8的被動安全性能。
6 現代勝達后座成員警報系統
這套系統利用盲區監測系統幫助車內成員避免在后方有來車時打開車門。當后排成員打開車門時，這套系統將會自動落鎖，從而避免可能到來的碰撞發生。
7 GMC的SIERRA MULTIPRO尾門
鑒于皮卡是美國最受歡迎的車型，所以這一技術創新得以上榜。這一技術幫助GMC的皮卡能夠實現6種后擋板開閉方式，能夠更加多樣性的利用皮卡車的后排空間。
8 寶馬無線充電技術
近些年手機無線充電技術開始逐漸流行，可是你想過嗎，汽車也可以實現無線充電技術。
展開 5-流體的幾組基本概念——壓縮與不可壓縮流、牛頓與非牛頓流、定常與非定常流
認識流體之壓縮與不可壓縮流、牛頓與非牛頓流、定常與非定常流
1、不可壓縮流和可壓縮流
壓縮性是流體的基本屬性。
任何流體都是可以壓縮的，只不過可壓縮的程度不同而已。
液體的壓縮性都很小，隨著壓強和溫度的變化，液體的密度僅有微小的變化，在大多數情況下，可以忽略壓縮性的影響，認為液體的密度是一個常數。
氣體的壓縮性都很大。從熱力學中可知，當溫度不變時，完全氣體的體積與壓強成反比，壓強增加一倍，體積減小為原來的一半；當壓強不變時，溫度升高1℃體積就比0℃時的體積膨脹1/273。所以，通常把氣體看成是可壓縮流體，即它的密度不能作為常數，而是隨壓強和溫度的變化而變化的。我們把密度隨溫度和壓強變化的流體稱為可壓縮流體。把液體看作是不可壓縮流體，氣體看作是可壓縮流體，都不是絕對的。在實際工程中，要不要考慮流體的壓縮性，要視具體情況而定。
2、牛頓流體與非牛頓流體
考慮流體的剪切應力和速度梯度之間的關系。如果流動過程中流體層間所產生的剪應力與法向速度梯度成正比，而與壓力無關，則這種流體為牛頓流體。
非牛頓流體廣是指不滿足牛頓黏性實驗定律的流體，指的是其剪應力與剪切應變率之間不是線性關系的流體，粘性隨著剪切力或者剪切速率而變化而改變。非牛頓流體其實很常見，絕大多數生物流體都屬于現在所定義的非牛頓流體。比如人身上血液、淋巴液、囊液等多種體液，以及像細胞質那樣的“半流體”都屬于非牛頓流體。
太（白）粉溶液是典型的非牛頓流體，它的主要特征是：流體的粘度會因為受到的壓力或速度而變化，壓力越大速度越快，粘度會增加，甚至可以成為暫時性的固體。一盆太（白）粉的水溶液，如果你將手緩慢的插入水溶液中你的手會沒入其中，當你拿出來時手上會沾滿白色的太（白）粉溶液。
展開 
《Langmuir》福師大丁富傳、康涅狄格大學孫陸逸：受鉤-環緊固件啟發的超級可拉伸和可壓縮水凝膠
通過
多尺度分子模擬證實，納米片上的高密度羥基和聚合物鏈上的大量胺官能團對于在分子尺度上實現可逆相互作用至關重要，可作為納米鉤環緊固件耗散能量
。因此，合成的水凝膠具有優異的拉伸性（>2100% 應變）、壓縮回彈性（>90% 應變）和耐用性。
值得注意的是，水凝膠可以在模擬滑液的溶液中承受 > 5000 次壓縮和扭轉循環，因此有望用
于潛在的生物醫學應用，例如人工關節軟骨。可以采用和推廣這種鉤環模型來設計各種具有優異機械性能的多功能材料。相關論文以題為
Super Stretchable and Compressible Hydrogels Inspired by Hook-and-Loop Fasteners
發表在《L
angmuir
》上。
主圖
受鉤環緊固件啟發的水凝膠
圖
1.
(a) Xanthium 鉆頭的數字圖片。(b) 物理鉤環緊固件的圖像和納米鉤環緊固件的相應圖示（幾何形狀與實際鍵無關），其中 ZrP-NS 表面上部分帶電的羥基用作鉤子 ，而聚合物鏈上部分帶電的胺基團充當環。它們的離子相互作用導致納米級的鉤環效應。(c) 合成含 ZrP 水凝膠及其微觀結構的程序（未按比例繪制）。
水凝膠的優異拉伸性和壓縮性
圖
2.
展開 可壓縮兩相流的數值模擬
前 言
核電系統中冷卻劑通常運行在高溫高壓的條件下，因此通常會遇到可壓縮兩相流問題，尤其對于飽和水-水蒸氣系統，還會同時因為壓力的變化而引起相變。例如在自動減壓系統（ADS）中，可能會經歷單相和汽液兩相流動工況。ADS閥門在兩相工況下的能力對反應堆冷卻系統（RCS）的壓力控制具有非常重要的影響，采用數值模擬的方法，可以對相關設備進行研究，降低研發成本和項目周期，提高經濟效益。
在汽液兩相流動中，由于壓力變化較大，導致飽和溫度降低，可能引起液相發生蒸發相變，如果壓力差足夠大，甚至能夠達到臨界流的狀態，因此對該問題進行數值模擬，可以研究汽液兩相流的排放能力，具有非常重要的意義。
2. 數 學 模 型
2.1 模型概述
可壓縮兩相流的模型一般為7方程模型，包括每一相的密度、動量、能量、壓力、質量分數等，共10個未知量，根據狀態方程建立每一相的密度、壓力、內能之間的關系，以及兩相質量分數的關系，可將未知量減少到7個，方程組得以封閉。如果僅考慮單一壓力場，認為兩相的壓力相等，則可將7方程模型簡化成6方程模型。采用混合速度描述兩相的速度，可進一步簡化成5方程模型。
展開 分享：可壓縮湍流流動
參考資料：ANSYS Fluid Dynamics Verification Manual
算例說明
本案例介紹了方腔內兩股高速氣流的混合流動。
計算域：300mm X 72 mm
物質屬性：理想氣體，比熱為1006.43J/kg-K，導熱系數為0.0242 W/m-K，粘度1.4399e-05kg/m-s
邊界條件：氣流（1）：總壓487 kPa，靜壓36 kPa，溫度360 K，馬赫數2.35，湍動能74 m2/s2，湍流耗散率62300 m2/s3
氣流（2）：總壓37.6kPa，靜壓36 kPa，溫度290 K，馬赫數0.36，湍動能226 m2/s2，湍流耗散率332000 m2/s3
網格劃分
采用矩形網格，網格數量為3000
注意：這里左側為壓力入口邊界，平均分為上下兩個部分，上方為氣流1流入，下方為氣流2流入，同樣，在右側壓力出口處也分為上下兩個部分。
計算設置
本次計算為穩態湍流計算，求解選擇密度基。
物質屬性
計算物質設置它的密度、比熱、導熱系數和粘性
湍流模型
選擇RNG k-e湍流模型
能量方程
激活能量方程
邊界條件
設置上下兩束氣流
壓力出口上下對應兩個位置的設置
設置求解方法和松弛因子
計算結果
計算域速度場云圖
計算值與實驗值對比
x=50mm位置處水平速度值對比圖
參考文獻
S.G. Goebel, J.C. Dutton. “Experimental Study of Compressible Turbulent Mixing Layers”. AIAA Journal, Vol. 29, pp. 538-546, 1991.
展開 OpenFOAM中的可壓縮流動模擬 ￥10
1. 前言
2.使用Docker安裝OpenFOAM
3.在Windows上與其他附加軟件一起安裝
4. rhoCentralFoam中的沖擊管模擬
5.設置rhoPimpleFoam和rhoCentralFoam的缺點
800M，英文視頻，中文字幕，帶案例文件
