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日产VC-Turbo可变压缩比涡轮增压发动机的“肚子里”到底藏了多少料?

2019-10-31  酒仙桥北路

1886年第一辆汽车诞生至今,汽车已经走过了133年的历史,在这133年中,我们经历了大排量自然吸气发动机带来的“独特高亢声浪和强劲线性动力”,也享受到了小排量涡轮增压发动机带来的“性能小钢炮”,而现阶段大量电机随着政策涌入市场后,留给传统内燃机创新的资源和机会也逐渐减少。 

在当今如此严苛的油耗和排放标准面前,大多数的车企更多是把精力放在了高压缩比发动机上,但随之而来的问题是,高热效率发动机往往都是自然吸气发动机,在动力表现上并不突出。正因如此,可变压缩比技术是各家车企一直想要突破的技术难题,通过压缩比的变化可以实现强劲动力和高效燃油经济性的兼得。年初,日产终于把世界首款机械层面量产的可变压缩比涡轮增压发动机VC-Turbo正式推向市场。

在了解这款发动机之前,我们先来认识一个概念—“压缩比”。

压缩比是一个对发动机至关重要的参数,它的定义其实并不复杂,就是活塞在气缸内运动到上下位置时,气缸内的容积之比。(图解见上图)

简单来说,发动机的基础性能就根源于这个参数。一款车的发动机压缩比越高,气缸内油气混合气的燃烧速度越快,燃烧的更彻底,所以追求卓越的燃油经济性和排放优势的发动机往往压缩比会高一些,例如马自达的“创驰蓝天”发动机、丰田的高热效率发动机等。反之,发动机低压缩比的车型动力性能优秀,但燃油经济性也就一般般了。一般跑车或者高性能车都会使用低压缩比发动机,这样的话,发动机就可以尽情的“喷油”,带来更强劲的动力输出。

(奔驰A45 AMG

比如奔驰A45 AMG那副M133 2.0T发动机输出高达381马力和450Nm,但它的压缩比非常的低,只有8.6。这个设计与当年三菱红头4G63的路子一样,就是靠大涡轮和大喷油量来提升动力,大喷油量注定就是不省油的灯。如果你猛一点去开它,嗯!——不在加油站,就在去加油站的路上。

上图的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,发动机理论热效率也就越高。

对发动机来说,压缩比越高自然越好。但“物极必反”,压缩比也不能无限提高,因为压缩比越高,内部的压力越大,温度就会越高,到了一定临界点,还没等火花塞点火,混合气自己就烧起来了,这就产生了爆震。爆震,打乱了发动机的正常工作节奏,不仅对动力输出有负面影响,而且还会损伤发动机。

(鱼:强劲动力   熊掌:高效燃油经济性)

因此,在发动机机械层面实现大范围的压缩比无级调节使得“鱼和熊掌都可兼得”。这也就是为什么日产 VC-Turbo发动机能做到在性能与省油之间切换自如。

实际上,日产对于可变压缩比的构想早在1998年就提出来了,但一开始没人把这件事当回事儿。直到三年后,也就是2001年,日产高层才开始重视并规划“可变压缩比”技术。对于发动机技术有研究的朋友肯定知道,Saab(萨博)是第一个吃螃蟹的人,当时萨博曾经想通过气缸和活塞部分以曲轴为中心偏转一定角度改变燃烧室的容积来实现可变压缩比,经过测试,油耗与同等功率的传统发动机相比下降30%。可是萨博一直到倒闭也没能把这项技术量产出来,究其原因还是可变压缩比的结构过于复杂,另外它用到的橡胶密封件的耐久性也难以得到保证。

在拿到项目经费后,日产研究团队也开始进行对结构原理、连杆配置的研究。随后整个21世纪的前几年都在围绕素质提升、应用工艺进行开发工作,20052月日产公开发表了可变压缩比的相关研究。完成构想和应用开发仅仅是可变压缩比技术(VCR)的一个开始,差不多又用了四年时间进行量产商品的概念确认。这其中包括如何将机构小型化,导入直喷增压技术、确认排量、驾驶性评价等等,当时试验机是放在Juke这款车型上验证的,可见尺寸已经缩减到足够小。到了2012年,VC-TURBO的技术才开始进入量产应用阶段,又经历了整整六年时间,茂木克也和他的同事才正式在SAE国际自动机工程师学会发表正式论文,宣告日产VC-TURBO系统可以正式推向市场。茂木克也从33岁做到了53岁。

从下面这张图可以看出,为了能够实现压缩比可变,很多车企把能想到的方式都想到了。通过改变气缸盖的高度位置、活塞连杆的长度、采用偏心轮的活塞销或者曲轴销、活塞的高度,甚至是火花塞位置的高度改变,都被想到了。有的甚至还做出了样机。但是,这些美好的设想,却无一最终实现量产。而无法实现量产的原因,主要无非是:可靠性达不到要求、精确控制起来非常困难、样机太大无法装到汽车上这三点。

那日产的VC-Turbo是如何解决这些问题的?

日产的方案是用一套运转巧妙的多连杆机构,通过在发动机曲轴结构的下方增加一套电控回旋机构,在曲轴旋转轴心位置不变的情况下,控制曲柄连杆的运动高度,也就是对活塞和曲柄进行整体的上下推移。简单来说就是在曲轴的下方增加一个偏心轴,再通过驱动电机拉动执行连杆(Actuator Link),转动偏心轴,实现控制臂(ControlLink)角度的变化。这种角度变化就使得上面整套机构的运转远点发生了变化,产生了6mm的位移。

下面两张图通过辅助线的方式可以更加直观的看到控制轴变化以后带动其余机构位置的变化。当C-LinkC连杆)偏移了一个极小的角度之后,L-LinkL连杆)的运行中心线是发生了变化的,从而改变了U-LinkU连杆)运行到远端的位置。

通过选择多连杆机构,使得发动机的性能与耐用性有了显著的提升。一方面,因为机械加工设备主要以旋转切削为主,圆孔(轴承)与圆筒(轴)的加工精度较容易做到,这样也就实现了高可靠性以及高制造性。同时,整个机构通过一个驱动器、控制轴,能够同时控制所有气缸的压缩比变化,这在控制策略和偏差控制上更有优势。

由于压缩比的调节是通过一个控制电机来实现的,所以它的压缩比可实现连续可变,从8:114:1之间可以是任意比例。发动机电脑根据动力需求、油品等各方面因素,自主选择当前压缩比。

当你低速行驶时,发动机处于中低转速,这时电机会驱动连杆下移,曲轴上移,当做工行程上升后,发动机压缩比最高可调节至141,以保证燃油经济性。

而当你的发动机高负荷运转时,连杆上移,曲轴下移,最低可实现压缩比为81,这时动力输出更充沛,而更低的压缩比对涡轮增压发动机来说是个保护。当驾驶者突然一脚深踩油门时,整套机构是可以应对涡轮增压建立过程所带来的动力变化,针对所能产生的爆震也能够十分安全的到达压缩比8

这样的原理虽然简单,但是日产的工程师却花费了大量的精力来实现这一技术的量产化。

最大的难题是小型化。一开始包括VCR(可变压缩比技术)执行机构和多连杆机构都是巨大的,因此工程师把关注点放在了如何缩小这两个机构。走向量产的关键点在于,日产工程师发现整套多连杆机构加入以后因为惯性力的出现,其实可以不需要二次平衡块,同时活塞产生的摩擦也较低,这就提供了新的思路。工程师开始缩短多连杆的长度、修正控制轴的配置,将控制轴移到曲轴正下方,更改了许多小的设计来强化可靠性、避开高应力部位、降低惯性力等。

小型化的另一个重点是日产工程师改用薄型旋转减速机式驱动器,技术来自日本的Harmonic Drive。在此之前则是复杂的电机驱动齿轮的结构。

至此,日产VC-TURBO的所有技术难题都攻克了,那么在实践使用中这套新的动力总成除了燃油性和动力性的兼得之外,还带来了很多的额外附加价值。

1、新的VC-Turbo系统的控制轴其实相当于是一个平衡轴,可以带来低震动的活塞行程,在以往直列四缸发动机上发生的惯性2次震动也不会发生,使得VC-Turbo发动机的震动能够下降60%之多,可以追上V6发动机的静谧性。

从上面两组发动机的图片我们可以看出,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-Turbo发动机的曲柄连杆摆动范围则更小。

两种发动机活塞运行路径

对比两种发动机活塞运行路径,我们可以发现,VC-Turbo(红色)活塞和传统(蓝色)活塞在上止点和下止点时的运动状态差别很小,比起传统活塞(蓝色)更接近于一条正弦曲线。也就是说,VC-Turbo发动机的二阶振动抑制会比传统四缸机好得多。

再对比一下瞬间曲轴扭矩,可以很明显的看出VC-T(红线)曲轴的瞬间扭矩要比传统2.0L四缸机(蓝线)平缓得多,有多平缓?拿出日产自家获得沃德十佳发动机的金典VQ35(黑线)来对比一下,你就能明白了!VC-T的瞬间曲轴扭矩曲线比较接近VQ35发动机,可见VC-Turbo发动机的振动抑制在同级别的表现还是不错的。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。

发动机振动级对比

可见,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,但也无法与V6发动机的水准对齐。

2、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,由于VC-Turbo的连杆运动更接近直立,加上可变容量机油泵、没有平衡轴、减少摩擦的缸内熔射技术,可以有效减小活塞运动时的摩擦阻力,即便和V6 NA发动机相比也能下降差不多5N·m。图上写着“No Thrust force”几乎没有压力。

除了核心的可变压缩比技术之外,KR20DDT发动机还搭载了DVVT(动态可变气门正时系统)、集成排气歧管、双喷射系统(缸内直接喷射 进气道内喷射)、可变流量机油泵、最佳冷却通道控制阀门系统等一系列主流的发动机技术。最终,KR20DDT可以达到日产3.5L V6发动机的动力输出水平——最大功率200kW、最大扭矩380N·m,同时在燃油经济性上对比相同功率的V6发动机提升27%燃油经济性,油耗远低于一般2.0T

从长远的眼光来看,日产VC-Turbo发动机的出现意味着传统内燃机的挖掘潜力还远远没有到头,至少下一轮内燃机的效率挖掘才刚刚开始。

上海交通大学汽车工程研究院院长许敏教授曾指出,日产VC-TURBO的可变压缩比范围是14-8,热效率为38%-39%,如果工程师们进一步把可变压缩比的范围扩大,那么汽油机也可以实现HCCI均质压燃技术,但同时又能保证高负荷工况下动力性能。如果汽油机的热效率进一步提升到50%,那么汽车的未来,很大可能还是在上。

上面这张图是茂木克也先生他们团队最开始研发VCR可变机构草图,20年的努力都融在一句:始于足下

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