日产VC-Turbo可变压缩比技术解析:高性能能兼顾低油耗?

2018-10-17 | 浏览:1.9万 | 评论:2

我们都知道“又要马儿跑,又要马儿不吃草”是明显违背常理的,但是在汽车发动机技术领域,高性能与低油耗却并非完全对立的关系,我们可以通过很多手段提升发动机运转时的效率,减少能量损失,从而做到在提升发动机性能的同时,有效降低发动机的油耗。比较常见而且相对比较简单的方式莫过于提升发动机的热效率,或者直接加上一套混动系统。但是,日产却不走寻常路,一脑袋扎进了可变压缩比技术的钻研中,从1998年提出设想,到今年正式将这台2.0T可变压缩比发动机推向市场,日产足足花了20年的时间。

发动机的压缩比,顾名思义,就是气缸压缩前(活塞处于下止点时)的体积与压缩后(活塞处于上止点时)体积的比。一般发动机的压缩比是不可变的,压缩比较低的发动机因为不容易引起爆震,更容易做到更大的扭矩,但是燃油经济性较差。提高发动机的压缩比可以提升发动机的燃油经济性,但是又容易导致发动机爆震,因此扭矩不能做得太大。如果能在同一台发动机内实现不同的压缩比,在高负荷时使用低压缩比,提升动力,在低负荷时使用高压缩比,降低油耗,那岂不是两全其美?因此,汽车工程师们就有了可变压缩比技术的设想。

根据压缩比的定义,要改变压缩比看起来是非常简单的事,如上图所示,理论上可以实现的方案非常多。实际上,在过去几十年的时间里,也有不少厂家的工程师尝试过各种方案,试图实现可变压缩比,比如2000年的日内瓦车展上,萨博就发布了一款SVC发动机,它通过集成式缸盖绕曲轴中心偏转一定角度的方式实现可变压缩比,但是最终,这些方案都没能成功量产,直到日产的VC(Variable Compression)–Turbo发动机推出,汽车史上才有了第一台量产的可变压缩比发动机。

日产实现可变压缩比的方法是在活塞连杆和曲轴之间加入一个L型连杆,并增加一套连杆机构,由电机带动,去改变L型连杆的角度,从而改变活塞运动时上下止点的位置,最终达到改变发动机的压缩比的目的。单从结构设计来看,这套系统不算特别复杂,实际上,在2002年,日产就已经将其雏形设计出来,但是,在后续的十几年里,为了使其能够满足量产要求,日产坚持不懈地对雏形进行细节改进。

日产对其结构作出的最重要的改进,就是大大缩小了多连杆机构的体积。作为关键零件的L型连杆,体型缩小后不仅提升了强度,抑制了连杆整体的变型量,而且通过调整结构,使L型连杆的重心向旋转原点附近移动,运转时,其惯性力更小,有助于减少发动机震动。

同时,连杆机构的控制轴被移到了曲轴正下方,减少了安装时螺栓的数量,并且为内置于油底壳的机油泵让出空间。另外,随着驱动电机技术的进步,超薄型高减速比HarmonicDrive谐波减速机得到了应用,大大减少了电机占用的空间,并且降低了电机运转时的噪音。现在我们介绍起这些“小改进”,感觉似乎是轻描淡写,但是在其背后,却饱含着日产的工程师们十几年不断改进、不断试错所付出的心血。

最终,通过这套连杆机构,VC-Turbo发动机运转时时活塞的上下止点最大可以偏移约6mm,实现从8:1到14:1的压缩比连续可变。同时,这台发动机还同时使用了歧管喷射和缸内直喷两种喷油模式,配合可变压缩比,以达到更高的热效率。搭载在英菲尼迪QX50上时,这台发动机最大功率可以达到200千瓦,最大扭矩达到380牛米,工信部综合油耗在7.4-7.9之间。

VC-Turbo发动机可靠性如何?

每当有新技术面市,消费者最关心的莫过于可靠性的问题,特别是像VC-Turbo这样在高速运转的发动机中再增加一套运动机构的设计,一旦出现可靠性问题,后果必然会很严重。

不过,日产的VC-Turbo发动机也没有我们想象中那么脆弱。首先,它在活塞的运行阻力和震动抑制方面本身就比普通直列四缸发动机要更有优势。因为L型连杆的加入,活塞的运动加速度与曲轴转角之间的关系更接近正弦曲线,有利于消除普通直列四缸发动机上常见的惯性2次震动。同时,活塞在运行时活塞连杆更加平行于缸体表面,活塞对缸壁的压力更小,运行摩擦力自然也就更小。

另一方面,VC-Turbo发动机使用一个电机就可以对四个气缸的压缩比进行调节,结构相对以前其他厂家的方案是简单了不少,控制难度也降低了不少,通过电机内的传感器,ECU就可以判断出四个气缸实时的压缩比状态,电机带动控制轴旋转,就可以同时改变四个缸的压缩比。

不仅如此,因为VC-Turbo发动机增加的连杆机构是由简单的轴、销、轴承、衬套组成的,而在机加工过程中,常见的机加工设备都以旋转切削为主,所以这些圆形部件比较容易达到更高的精度,可靠性自然也更好。

可以兼容国内各地不同的油品吗?

这台VC-Turbo发动机用在QX50上,官方推荐是要加95号油的,但是理论上可变压缩比发动机对油品的兼容性是比较好的,因为它可以根据油品的不同调整发动机的压缩比。

作为VC-Turbo发动机三大创始人之一的茂木克也先生在技术交流会上也明确表示这台发动机可以加92号汽油,在发动机开发时日产已经针对油品的不同同时开发了两套MAP图,所以就算QX50加了标号较低或者油品较差的汽油,也不会影响它的可靠性。不过,如果加了标号较低或油品较差的汽油,这台发动机可能就达不到最佳的性能和燃油经济性,这也是官方推荐要加95号汽油的原因。

这个解释合情合理,但是对于未来购买2.0T新天籁的车主来说,可能不算是个好消息,毕竟官方推荐95,大部分人还是不放心去加92的,这样一来,相比现款车型,使用成本应该会增加。不过,考虑到搭载2.0T发动机后,新天籁的动力可能会是同级最强,只要使用成本不要增加太多,我认为也是值得的。

新发动机实际的动力和油耗表现如何?

此前,我们已经对搭载VC-Turbo 2.0T发动机的QX50进行了性能测试(性能测试文章:英菲尼迪QX50性能测试:可变压缩比发动机优势在哪里?),实测0-100km/h加速8.4s,市区油耗(平均时速25km/h)10.9L/100km,高速油耗(平均时速64km/h)8.3L/100km。实际的油耗表现还不错,但是动力表现却没有体现出发动机强劲的账面数据,问题到底出现在哪呢?

在这次交流会上,茂木克也先生也被问到了这个尖锐的问题,他的解释是因为QX50上搭载的CVT变速箱已经是比较老的产品了,与之匹配,这台发动机的能力受到了一定的限制,比如发动机本身在1500转时就能输出最大扭矩,但是因为CVT变速箱所能承受的扭矩有限,所以在QX50上,这台发动机最大扭矩输出转速被延后到了4400转,减少急加速瞬间对变速箱的冲击。同时,综合考虑油耗和消费者对于动力的需求,所以QX50没有刻意将动力调到很激进。

他还提到,目前日产已经在开发最新的可以完全体现VC-Turbo发动机能力的CVT变速箱,现在这台全新的CVT变速箱已经进入了样机试验阶段,相信很快就能推向市场。

在这次交流会上,日产并没有透露VC-Turbo技术未来是否会搭载到其他排量的发动机上,但是,他们提出了一个目标,要把VC-Turbo发动机的热效率做到50%(目前只有38%左右)。只要能把可变压缩比的范围做得更大,并且结合汽油压燃技术,理论上,这个目标是可以实现的。只不过,在电动化大行其道而且油耗法规越来越严的今天,留给工程师们钻研发动机的时间已经不多了,希望日产不要让我们再等上另一个20年。

日产的这台VC-Turbo系列发动机很容易让人想到马自达的创驰蓝天系列发动机,它们共同之处是都能达到很高的压缩比,但是个人认为两家公司在发动机研发的理念上是有差别的,日产之所以执着于研究可变压缩比发动机,目的是为了在提升发动机动力的基础上,有效地降低油耗,复制当年VQ系列发动机的成功;而马自达做高压缩比的出发点主要还是降低油耗,然后再想办法增加点动力。不过,尽管这台VC-Turbo 2.0T发动机动力参数非常亮眼,但是在QX50上,它并没有用实际的表现征服我们。接下来,这台发动机准备搭载在明年年初上市的全新一代天籁上,面对本田雅阁、大众迈腾等动力表现强劲且油耗也不高的同级对手,新天籁需要用实际表现证明可变压缩比技术的优势。

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