新浪汽车>技术>正文

20年磨一剑 日产VC-TURBO发动机解读

20年磨一剑 日产VC-TURBO发动机解读
2018-12-13 13:39:28 新浪汽车
我因而思考到反应,我发现同样的遭遇,却有不同的反应,这些反应都折射了意识形态(也可说是意志系统,或者意识系统)。

在严苛的油耗和排放法规面前,发动机似乎越来越黔驴技穷。真的无路可走了吗?发动机界还有最后一条路,也是最后一个难题——可变压缩比。日产终于带来世界首款机械层面的量产可变压缩比发动机VC-TURBO。

20年磨一剑 日产VC-TURBO发动机解读

  新浪汽车讯 如果你问几位发动机设计师,这个行业最大的成就是什么?答案可能五花八门,降低能耗、提升动力、抑制声振……但你肯定会不止一次听到这样一个名词:可变压缩比。没错,可变压缩比技术可以说是自活塞往复式内燃机发明以来,对于大部分内燃机基本性能提升的终极关隘。奔驰、标致、萨博、斯巴鲁、丰田等等品牌,他们不止一次向这个难题发起冲击,但均告失败。不过就在今年,日产宣布可变压缩比发动机量产,像一枚重磅炸弹,引爆了原本有些死气沉沉的内燃机圈子。

· 为什么可变压缩比如此重要?

· 日产的VC-TURBO发动机是如何实现的?

· 结构更加复杂,振动抑制却堪比大排量V6,你信吗?

· 对油品的依赖度如何?

日产汽车高级工程师-茂木克也日产汽车高级工程师-茂木克也

  来自日产可变压缩比三大发明人之一的茂木克也先生和我们分享了有关这台发动机更多的信息。

省油与动力的根源——压缩比

  其实,我们汽车黑科技在之前的趣说动画中就给大家简单科普过压缩比的概念。简单说,发动机基础性能的根源就在这个参数。压缩比高,气缸内油气混合气的燃烧速度就快、燃烧得更加彻底,由化学能转化成的机械能就更多,所以追求经济省油的发动机往往压缩比就高,例如马自达的“创驰蓝天”发动机、丰田的高热效率发动机等,但同时高压缩比也会带来爆震的风险;反之,压缩比越低,发动机就更“粗暴”,可以压榨出更强的性能,但燃油经济性下降得厉害,一般钢炮车、性能车会使用低圧缩比的发动机,而且压缩比低不易爆震,发动机可以尽情地粗暴喷油。

20年磨一剑 日产VC-TURBO发动机解读

  这个公式表达了理论热效率(等号左边)与压缩比ε之间的关系,可以看出。压缩比越高,理论热效率也就越高。

20年磨一剑 日产VC-TURBO发动机解读

  从这张图我们可以看到,一般增压发动机的压缩比较低,自然吸气且追求省油的车,其发动机压缩比就高。还是那句话,鱼和熊掌不可兼得,高低圧缩比你好歹只能选择其中一种。有没有巧妙地“改变”压缩比的方法呢?有。通过进排气门正时调节可以达到一定程度的压缩比改变,让发动机在奥拓和阿特金森循环之间切换。但这种调节方式并非硬件层面,只是偷换了概念,它的调节范围十分有限,而且还是基于高压缩比发动机而来,我们叫它“伪可变压缩比”。

  因此,在机械层面上实现大范围的压缩比调节,最好是无级调节,就成了兼得鱼掌的唯一途径。这也就是为什么,机械层面的可变压缩比是发动机工程界的哥德巴赫猜想,在性能与省油之间自如切换,这样的发动机才是终极答案。

20年的冷板凳
20年磨一剑 日产VC-TURBO发动机解读

  在茂木克也先生的分享中我们得知,可变压缩比的构想早在1998年就提出了,而且申请了专利。直到三年后,日产高层开始重视并规划可变压缩比技术,当时萨博也在做可变压缩比,但由于品牌经营与技术路线的原因,并未成功。所以当时的可变压缩比在行业里处于一个比较迷茫的时期,日产决定偷摸摸尝试一下,而这一尝试,就是近20年的冷板凳。期间,日产仅在2005年正式发布过有关该技术的新闻。直到2014年,可变压缩比在日产手中经历三代演进,经过结构定性、工艺提升、小型化、试制生产等等阶段后才最终发布。所以用“忍”来形容日产的可变压缩比,真的不为过。到今天可变压缩比在量产车上的搭载,茂木克也从33岁做到了53岁。

让曲轴“活”起来
20年磨一剑 日产VC-TURBO发动机解读

  由于多年来行业的不断努力,我们可以总结出至少八种实现可变压缩比的方法。其中不乏脑洞大开的,比如让缸盖位置可动这种,萨博就是选择了这种技术路线,最后发现根本就无法实现。另外,丰田当初选择的路线是独立调节每个曲柄连杆,这对控制精度提出了极高的要求,也被证实是极难完成的任务。相比之下,日产将研发重心放在了曲轴和连杆上。

20年磨一剑 日产VC-TURBO发动机解读

  日产的方法是,通过曲轴下方增加的一套电控回旋机构,在曲轴旋转轴心位置不变的情况下控制曲柄连杆的动作高度,也就是对活塞和曲柄进行整体的上下推移,这个范围是6mm。这样一来,压缩比就可以从8:1到14:1进行无级调节。

20年磨一剑 日产VC-TURBO发动机解读
20年磨一剑 日产VC-TURBO发动机解读

  为什么选择这样的路线?首先这样做的优势是降低了结构工艺的难度。在这样的一套系统中,核心零部件的运动都是由轴、销、轴承、衬套等组成的,都是回转运动,这些零部件加工起来难度较低,精度上更容易实现,很好地平衡了性能、成本和可靠性。

20年磨一剑 日产VC-TURBO发动机解读

  其次,可变压缩比发动机对空间利用率的要求很高,也就是体积不能太大,因此最好能用一个执行机构控制所有气缸。日产的VC-TURBO就实现了仅通过一台伺服电机,与四个气缸所有的活塞实现机构上的连接。一动全动,大大节省执行机构所占的体积,同时还规避掉了丰田遇到的独立控制下保持一致性的问题。说白了,日产的这套控制机构核心原理就跟传统的活塞-连杆-曲轴一样规律,不会出现某个气缸工作状态不一致的情况。

听说振动抑制堪比V6?
左:传统发动机 右:VC-T发动机左:传统发动机 右:VC-T发动机

  日产的这套技术路线,还有一个很大的优势,那就是振动抑制。从上面两种发动机的运动方式我们能看出,传统发动机活塞在运动时,曲柄连杆的摆动范围更大,相比之下VC-T的曲柄连杆摆动范围更小。

20年磨一剑 日产VC-TURBO发动机解读

  再对比两种发动机活塞运行路径,可以发现,VC-T(红色)活塞在上止点和下止点时的运动状态差别很小,比传统活塞(蓝色)更接近一条正弦曲线,也就是说,VC-T发动机的二阶振动抑制天生就比传统四缸机好得多。

20年磨一剑 日产VC-TURBO发动机解读

  再对比一下瞬间曲轴扭矩,你会发现VC-T对曲轴的瞬间扭矩要比传统2.0L四缸机平缓得多,有多平缓?接近日产自家拿过沃德十佳发动机的经典VQ35。需要注意的是,“曲轴瞬间扭矩”跟发动机的最大扭矩参数没有直接关联,它反映的是曲轴所承受的瞬间峰值压力。

20年磨一剑 日产VC-TURBO发动机解读

  最终,日产VC-TURBO发动机比传统直列四缸发动机在振动抑制方面好得多,比较接近V6发动机水准。

20年磨一剑 日产VC-TURBO发动机解读

  除了振动抑制,减摩也是VC-TURBO和传统L4发动机的区别所在。传统发动机由于曲轴旋转中心与连杆之间的力臂较长,所以会对活塞和缸壁之间产生影响,也就是活塞会对缸璧产生压力,这是摩擦损失的一个来源;而VC-TURBO呢,我们前面就说过,它的连杆运动范围窄,也就是曲轴运动中心和连杆之间的力臂短,这样一来对活塞和缸壁之间的摩擦控制就很小了。有多小?图上写着“No Thrust force”几乎没有压力。

到底是怎么标定的?
20年磨一剑 日产VC-TURBO发动机解读

  能实现机械层面的可变压缩比,如何利用好也尤为重要。上面的MAP图表达的是在不同的转速对应扭矩负荷的情况下,发动机的压缩比状态。我们发现,VC-TURBO不会长时间维持在10~11这样的“中等”压缩比状态,对于不同的转速下的扭矩需求,发动机会很快过渡到对应的压缩比情况。例如驾驶员在1600rpm巡航,此时的负荷较低,那么按照MAP图此时的压缩比就是接近14的状态。突然一脚地板油,发动机进入高负荷区间,这时压缩比会下降到8附近,为车辆提供更强的动力。

  至于油品方面,你可能会忧虑技术含量这么高的发动机会不会很挑剔粮食,不好伺候?根据茂木克也先生分享的信息,VC-TURBO发动机推荐添加95号汽油。注意这里说的是推荐,也就是你真要加92号汽油也是可以的,因为工程师会为引入国内的VC-TURBO发动机准备两套标定方案(MAP图),车辆会根据油品情况自动调用对应的方案。不过,按照我们用车的习惯,既然官方推荐加95号汽油,那车主就别加92号,因为这样做肯定会影响发动机应有的动力和燃油表现。

总结
20年磨一剑 日产VC-TURBO发动机解读

  除了核心的可变压缩比之外,VC-TURBO还搭载了DVVT、集成排气歧管、双喷射、变排量机油泵等等一系列主流的发动机技术。换言之,并不是因为可变压缩比研究了20年,这台发动机除了可变压缩比之外就都是落后的。应该说日产揭开了发动机技术领域一个新的纪元。在采访中,上海交通大学汽车工程研究院院长许敏先生也说到,可变压缩比是目前严苛的油耗和排放法规下一个最有挖掘潜力的技术路线,日产走在了前面,其他厂商也会陆续跟进。

(责编:穆正凯)
新浪汽车公众号
新浪汽车公众号

更多汽车资讯,涨知识赢好礼扫描二维码关注(auto_sina)

购车完全指南

更多

汽车黑科技

更多

最新图集

更多

最新视频

更多

车型推荐

换一批

车型排行

更多

推荐阅读

联合制作

热门搜索

更多

新浪扶翼

行业专区