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日产VC-TURBO发动机拆解:内燃机效率的极限到头了?

时间:2018-12-07   作者: XCP陈列 

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日产VC-TURBO发动机拆解:内燃机效率差不多到极限了么

其实对于内燃机,低油耗和高性能之间存在一个平衡点,那就是效率最大化。对于这个平衡点的拿捏,汽车厂家拿出的方案各不相同,其中最直接的方法就是提高热效率。也正因此,日产在1998年提出了“可变压缩比”这个概念,最终的量产动力就是我们20年后见到的VC (Variable Compression)-TURBO发动机。

日产VC-TURBO发动机拆解:内燃机效率差不多到极限了么

近日,日产举办了VC-TURBO发动机拆解活动,这台拥有可变压缩比技术、代号为KR20DDT的2.0T发动机,将作为顶配动力,搭载于即将上市的第七代天籁上。

日产VC-TURBO发动机拆解:内燃机效率差不多到极限了么

循例我们来简单说一下“压缩比”这个概念,它是气缸在活塞处于下止点时的体积(压缩前)与活塞处于上止点时(压缩后)的体积之比。简单地说,压缩比越高,缸体内的油气混合物就会膨胀得越大,燃烧起来后可以做更多的功,效率也就更高。

一般情况下,发动机的压缩比是不能改变的,压缩比较低的发动机可以使用低标号汽油,更容易获得较大的扭矩,燃烧室的温度较低,发动机寿命更长,用车成本也更低,坏处则是燃油经济性比较差;压缩比高的发动机燃油经济性更好,不过必须使用高标号汽油,用车成本更高,而且容易产生爆震,损坏发动机。所以如果当一台发动机可以针对工况来进行压缩比的调整,高负荷用低压缩比提高动力,低负荷用高压缩比降低油耗,那么这台发动机岂不是很好地兼顾了低油耗和高性能?所以这也就是“可变压缩比”概念被提出的原因。

如何达成可变压缩比?


日产VC-TURBO发动机拆解:内燃机效率差不多到极限了么

日产VC-TURBO发动机拆解:内燃机效率差不多到极限了么

为了实现可变的压缩比,那就需要改变缸体活塞的固定式上下止点,日产的方法是在传统发动机活塞连杆及曲轴之间的位置加入一个L型连杆,再在曲轴下方加入一套由电机驱动的连杆机构。发动机在行驶过程中根据需要来改变L型状杆的角度,从而使得活塞运动时的上下止点位置发生改变,最终导致发动机压缩比改变。

实现可变压缩比是不是可以加92了?

日产VC-TURBO发动机拆解:内燃机效率差不多到极限了么

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根据官方的数据,高低压缩比之间的行程距离相差了6mm,而这个小小的距离差,使得整个发动机可以从8~14:1之间的压缩比进行线性切换。那么既然压缩比改变了,那是不是发动机就可以使用不同标号的汽油呢?

日产VC-TURBO发动机拆解:内燃机效率差不多到极限了么

答案是:对,但也不全对。对是虽然日产针对油品的区别,开放了两套MAP图,所以即使这台发动机加了低标号汽油,理论上稳定性是不会受到影响的;不对则是加了低标号的汽油后,这台发动机可能无法表现出最佳的燃油经济性及动力表现。再者,在官方推荐使用95号汽油的大前提下,相信也没有多少人会去加标号更低的汽油。在实际使用中,天籁2.0T的动力表现在现在同级对手当中,算是数一数二,在享受出色动力的同时,承受一定的附加成本,对于车主来说也还算是可以接受。

那么这台发动机省不省油呢?

日产VC-TURBO发动机拆解:内燃机效率差不多到极限了么

如果大家有关注我们的性能测试,就会发现我们对这套VC- TUBRO 2.0T+CVT的动力总成已经做过油耗测试了,最终成绩还算可以,只是没有到特别省的程度,这也让我们略为感到有些失望。在交流会上,我根据就该篇测试对日方工程师进行了提问,而日方工程师的回答是:“可变压缩比涡轮增压发动机相比传统发动机,对燃料的适应性是比较高的。中国幅员辽阔,各个地区油品的差异是比较大的,包括不同油的标号,有的是92号、95号,可变压缩比的情况下可以确保性能的稳定性,VC-TURBO会根据客户的操作作出最佳的选择,但并不是选择节能模式就是油耗很低,选择运动模式并不是油耗就达到了最高,无论客户作出何种选择我们都可以给出最佳的效率配合。”

也就是说这台发动机的可变压缩比,在性能效率及燃油经济性的平衡点之间,更偏向于性能一些,在保证体验的情况下再兼顾油耗,这可能就是它油耗并不算特别出彩的原因。根据部分媒体的实测,天籁2.0T 0—100km/h的加速为6.42秒,这也可以从侧面印证了这一点。如果大家想知道全新天籁2.0T数据表现,我们也将尽快借到试驾车来进行测试。

目前只有日产在做可变压缩比吗?新技术可靠性如何?

日产VC-TURBO发动机拆解:内燃机效率差不多到极限了么

其实改变发动机的压缩比,在内燃机的发展历程当中已经有多种尝试方案出现。但是理论归理论,最终成品质量是否稳定可靠才是决定量产的基础,以上很多方案在研发的过程中,就因为各种原因而胎死腹中。

日产VC-TURBO发动机拆解:内燃机效率差不多到极限了么

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在高转发动机里面增加一套机械结构,如果出现问题,后果肯定很严重。有鉴于此,日产采用了可靠性较高的多连杆机械结构来作为关键的部件,同时在研发过程中L型连杆体积也在不断缩小,整体强度则在不断提升。并且因这台发动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,所以相对于普通直列四缸发动机上常见的惯性2次震动,日产VC-TURBO发动机的震动消除起来更简单。同时,活塞在运行时,活塞连杆更加平行于缸体表面,左右摩擦的力度更低,所以活塞对缸壁的压力更小,运行摩擦力也就相应减少,并且在后期的优化中,整套系统运转的惯性更小,进一步减少了发动机的震动。最终导致了VC-TUBRO发动机从震动的频率上就比四缸发动机更小。

日产VC-TURBO发动机拆解:内燃机效率差不多到极限了么

(根据驾驶员意图调整压缩比的控制电机)

日产VC-TURBO发动机拆解:内燃机效率差不多到极限了么

(压缩电机通过L型连杆改变结合点的位置,从而推动缸体内活塞行程的改变,最终导致压缩比改变)

最后,最重要的核心控制部件——可变压缩比控制电机,它被放置于曲轴与油底壳之间。因为驱动电机技术的日益进步,像超薄型高减速比HarmonicDrive谐波减速机的应用,所有这些技术在减少了占用发动机的空间的同时,还降低了电机运转的噪音。所以这台VC- TUBRO发动机在实际体积上跟一般的发动机并没有太大的区别。从试想到量产,看似简单的结构却经历了20年的时光,其中蕴含着无数的艰苦与奋斗。

总结:

在日益严苛的咖啡法则下,汽车厂家对于内燃发动机的研发热情已经被打压得差不多了。可以预见的是,家用车的发动机缸数将会越来越少,排量将会越来越低。在节能减排的政策鞭策下,厂家只能通过提高效率的方式去“补救”消费者的体验。借用别人说的一句话“目前混动才是最简单完美的解决方法,内燃机已经到穷途末路了。”无论是闭缸还是可变压缩比,这都是内燃机做出最后的反抗,而下一个最强反抗者就是“压燃”了。

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