二十年磨一剑,日产的可变压缩比发动机究竟厉害在哪里?

发动机的趋势其实早以明确:谁能更好地适应各种工况,谁就厉害。

尽管电动车来势汹汹,但发动机一时半会儿并不能被取代,至少车企和供应商都还没有放弃,还在开发各路新技术,以期能够满足排放和油耗要求愈加严苛的法规。在经济高效的大方向下,每家的手段各不相同,但究其根源,都是让发动机变得更加“聪明”:在不同工况下,能够及时灵活地调整自身状态,提供适当的输出性能。所以可以看到,近几年发动机的新技术,几乎离不开可变二字——可变气门升程、可变正时、可变气缸数(停缸技术)乃至可变截面涡轮,都是为了让发动机能够尽可能在不同工况下达到最优解。

在众多的可变技术中,可变压缩比是改善效果最明显的,也是改变难度最大的。至今,仅有日产一家真正开始量产。两年前,日产正式对外宣布可变压缩比发动机达到量产状态。目前,这款发动机已经搭载在了英菲尼迪QX50和已经在北美发布的天籁上。

从1998年开始研发,到2016年宣布量产,2017年正式推出,日产花了二十年的可变压缩比技术究竟厉害在哪里呢?

日产可变压缩比发动机

压缩比的数值直接代表着发动机的燃烧效率。压缩比越高,发动机的燃烧效率越高,经济性也就越好。所以,在追求经济性时,可以明显看到各个厂商对于高压缩比的追求。比如马自达的创驰蓝天,曾表示想将压缩比实现到18。目前一般车辆发动机的压缩比在10-12,高压缩比一般是14。但是,大学时候老师就会告诉你,压缩比并不能被无限提高。因为在高压缩比时,容易发生爆震,不仅不能提高性能,反而会对发动机带来损害。阿特金森循环就此应运而生,通过牺牲一部分动力性能来减少和避免爆震问题。

所以,最好的状态就是,在平时以高压缩比工作,而在加速时,发动机能够自动降低压缩比来适应工况的改变,就可以同时兼顾经济性与加速性,且不会让发动机产生异常状态。

但压缩比的改变也是最难的。稍微了解发动机构造的就会知道,活塞通过曲柄连杆与曲轴相连,要想改变压缩比,就得让影响活塞运行的一个参数是可变的。日产从开始研发这项技术以来,也进行了诸多尝试。

可变压缩比的多种尝试

从上图可以看到,针对运动状态和静止状态,日产想了很多办法。不仅日产,其他对这项技术感兴趣的车企也在大开脑洞。比如早前的萨博,曾想到通过增加一个凸轮轴来推动发动机的缸体使其能够倾斜来改变压缩比。但是缸体可动会给发动机带来很多新问题,比如密封性、可靠性、结构的复杂性、对材料的高要求等等,萨博并没能解决这些问题。

而上面这些方案最终并没有采用,也是因为类似的原因。或者可靠性无法得到保障,或者结构本身无法实现精确控制(如果可变不能根据实际工况精确调整,那么可变的意义也就没有了),又或者结构过于复杂以致于发动机难以小型化而不能实现量产。

最终日产的方案是采用多连杆机构。

多连杆结构

在活塞与曲轴之间额外增加一套曲柄,通过曲柄角度的改变可以改变连杆的长度,从而实现了压缩比的可变。而要控制压缩比的变化,只需要控制曲柄的角度。日产通过一个驱动器实现对四个气缸压缩比的控制,在驱动器上安装有位置传感器来识别气缸的压缩比,最终实现压缩比可以从8:1到14:1连续变化。

高低两个状态压缩比.jpeg

基本上来说,要实现压缩比可变,发动机的结构必然要复杂一些,所以,日产在研发这套结构时也进行了多次优化。而最终使用的这套结构除了兼顾燃效与性能之外,还带了新的好处。

发动机因为曲柄连杆机构的存在,导致活塞在发动机内并非做直线运动,因而会与气缸壁之间产生摩擦。而在日产的多连杆结构上,因为额外的曲柄结构,曲轴上的曲柄长度缩短,减少活塞的摆动幅度,进而减少了活塞与气缸壁之间的摩擦,能够提高耐久性。也因为多连杆结构的特殊性,无需平衡轴来抵消曲轴的震动,发动机的NVH有了很大改善。另外,配合涡轮增压,在涡轮介绍前发动机以高压缩比运行,可以让整车的动力输出更加平顺。这一系列特性,使得日产有信心让其取代原本的V6发动机。

总体来说,可变压缩比的思路是在追求高压缩比高燃效同时,能够不牺牲加速时的动力性能,兼顾高效、经济与动力性能。而如果将这项技术与其他技术,如日产采用的多段直喷+进气道喷射等结合在一起,可以进一步提升热效率。目前发动机已经实现的热效率最高在40%,而汽车行业的目标是50%。如果可以实现,那么传统动力技术在新能源面前会重拾优势。当前,前提是技术得量产。

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