國際足球資訊網日產VCTurbo可變壓縮比渦輪增壓發動機的“肚子里”到底藏了多少料?-

作者:汽車動力總成  來源/微信公眾號:PT-Tech  發布日期:2019-10-26


從1886年第一輛汽車誕生至今,汽車已經走過了133年的歷史,在這133年中,我們經歷了大排量自然吸氣發動機帶來的“獨特高亢聲浪和強勁線性動力”,也享受到了小排量渦輪增壓發動機帶來的“性能小鋼炮”,而現階段大量電機隨著政策涌入市場后,留給傳統內燃機創新的資源和機會也逐漸減少。
在當今如此嚴苛的油耗和排放標準面前,大多數的車企更多是把精力放在了高壓縮比發動機上,但隨之而來的問題是,高熱效率發動機往往都是自然吸氣發動機,在動力表現上并不突出。正因如此,可變壓縮比技術是各家車企一直想要突破的技術難題,通過壓縮比的變化可以實現強勁動力和高效燃油經濟性的兼得。年初,日產終于把世界首款機械層面量產的可變壓縮比渦輪增壓發動機VC-Turbo正式推向市場。
在了解這款發動機之前,我們先來認識一個概念—“壓縮比”。
壓縮比是一個對發動機至關重要的參數,它的定義其實并不復雜,就是活塞在氣缸內運動到上下位置時,氣缸內的容積之比。(圖解見上圖)
簡單來說,發動機的基礎性能就根源于這個參數。一款車的發動機壓縮比越高,氣缸內油氣混合氣的燃燒速度越快,燃燒的更徹底,所以追求卓越國際足球資訊網的燃油經濟性和排放優勢的發動機往往壓縮比會高一些,例如馬自達的“創馳藍天”發動機、豐田的高熱效率發動機等。反之,發動機低壓縮比的車型動力性能優秀,但燃油經濟性也就一般般了。一般跑車或者高性能車都會使用低壓縮比發動機,這樣的話,發動機就可以盡情的“噴油”,帶來更強勁的動力輸出。
(奔馳A45 AMG)
比如奔馳A45 AMG那副M133 2.0T發動機輸出高達381馬力和450Nm,但它的壓縮比非常的低,只有8.6。這個設計與當年三菱紅頭4G63的路子一樣,就是靠大渦輪和大噴油量來提升動力,大噴油量注定就是不省油的燈。如果你猛一點去開它,嗯!——不在加油站,就在去加油站的路上。
上圖的公式表達了理論熱效率(等號左邊)與壓縮比之間的關系,可以看出。壓縮比越高,發動機理論熱效率也就越高。
對發動機來說,壓縮比越高自然越好。但“物極必反”,壓縮比也不能無限提高,因為壓縮比越高,內部的壓力越大,溫度就會越高,到了一定臨界點,還沒等火花塞點火,混合氣自己就燒起來了,這就產生了爆震。爆震,打亂了發動機的正常工作節奏,不僅對動力輸出有負面影響,而且還會損傷發動機。
(魚:強勁動力 熊掌:高效燃油經濟性)
因此,在發動機機械層面實現大范圍的壓縮比無級調節使得“魚和熊掌都可兼得”。這也就是為什幺日產 VC-Turbo發動機能做到在性能與省油之間切換自如。
實際上,日產對于可變壓縮比的構想早在1998年就提出來了,但一開始沒人把這件事當回事兒。直到三年后,也就是2001年,日產高層才開始重視并規劃“可變壓縮比”技術。對于發動機技術有研究的朋友肯定知道,Saab(薩博)是第一個吃螃蟹的人,當時薩博曾經想通過氣缸和活塞部分以曲軸為中心偏轉一定角度改變燃燒室的容積來實現可變壓縮比,經過測試,油耗與同等功率的傳統發動機相比下降30%。可是薩博一直到倒閉也沒能把這項技術量產出來,究其原因還是可變壓縮比的結構過于復雜,另外它用到的橡膠密封件的耐久性也難以得到保證。
在拿到項目經費后,日產研究團隊也開始進行對結構原理、連桿配置的研究。隨后整個21世紀的前幾年都在圍繞素質提升、應用工藝進行開發工作,2005年2月日產公開發表了可變壓縮比的相關研究。完成構想和應用開發僅僅是可變壓縮比技術(VCR)的一個開始,差不多又用了四年時間進行量產商品的概念確認。這其中包括如何將機構小型化,導入直噴增壓技術、確認排量、駕駛性評價等等,當時試驗機是放在Juke這款車型上驗證的,可見尺寸已經縮減到足夠小。到了2012年,VC-TURBO的技術才開始進入量產應用階段,又經歷了整整六年時間,茂木克也和他的同事才正式在SAE國際自動機工程師學會發表正式論文,宣告日產VC-TURBO系統可以正式推向市場。茂木克也從33歲做到了53歲。
從下面這張圖可以看出,為了能夠實現壓縮比可變,很多車企把能想到的方式都想到了。通過改變氣缸蓋的高度位置、活塞連桿的長度、采用偏心輪的活塞銷或者曲軸銷、活塞的高度,甚至是火花塞位置的高度改變,都被想到了。有的甚至還做出了樣機。但是,這些美好的設想,卻無一最終實現量產。而無法實現量產的原因,主要無非是:可靠性達不到要求、精確控制起來非常困難、樣機太大無法裝到汽車上這三點。
那日產的VC-Turbo是如何解決這些問題的?
日產的方案是用一套運轉巧妙的多連桿機構,通過在發動機曲軸結構的下方增加一套電控回旋機構,在曲軸旋轉軸心位置不變的情況下,控制曲柄連桿的運動高度,也就是對活塞和曲柄進行整體的上下推移。簡單來說就是在曲軸的下方增加一個偏心軸,再通過驅動電機拉動執行連桿(Actuator Link),轉動偏心軸,實現控制臂(ControlLink)角度的變化。這種角度變化就使得上面整套機構的運轉遠點發生了變化,產生了6mm的位移。
下面兩張圖通過輔助線的方式可以更加直觀的看到控制軸變化以后帶動其余機構位置的變化。當C-Link(C連桿)偏移了一個極小的角度之后,L-Link(L連桿)的運行中心線是發生了變化的,從而改變了U-Link(U連桿)運行到遠端的位置。
通過選擇多連桿機構,使得發動機的性能與耐用性有了顯著的提升。一方面,因為機械加工設備主要以旋轉切削為主,圓孔(軸承)與圓筒(軸)的加工精度較容易做到,這樣也就實現了高可靠性以及高制造性。同時,整個機構通過一個驅動器、控制軸,能夠同時控制所有氣缸的壓縮比變化,這在控制策略和偏差控制上更有優勢。
由于壓縮比的調節是通過一個控制電機來實現的,所以它的壓縮比可實現連續可變,從8:1到14:1之間可以是任意比例。發動機電腦根據動力需求、油品等各方面因素,自主選擇當前壓縮比。
當你低速行駛時,發動機處于中低轉速,這時電機會驅動連桿下移,曲軸上移,當做工行程上升后,發動機壓縮比最高可調節至14:1,以保證燃油經濟性。
而當你的發動機高負荷運轉時,連桿上移,曲軸下移,最低可實現壓縮比為8:1,這時動力輸出更充沛,而更低的壓縮比對渦輪增壓發動機來說是個保護。當駕駛者突然一腳深踩油門時,整套機構是可以應對渦輪增壓建立過程所帶來的動力變化,針對所能產生的爆震也能夠十分安全的到達壓縮比8。
這樣的原理雖然簡單,但是日產的工程師卻花費了大量的精力來實現這一技術的量產化。
最大的難題是小型化。一開始包括VCR(可變壓縮比技術)執行機構和多連桿機構都是巨大的,因此工程師把關注點放在了如何縮小這兩個機構。走向量產的關鍵點在于,日產工程師發現整套多連桿機構加入以后因為慣性力的出現,其實可以不需要二次平衡塊,同時活塞產生的摩擦也較低,這就提供了新的思路。工程師開始縮短多連桿的長度、修正控制軸的配置,將控制軸移到曲軸正下方,更改了許多小的設計來強化可靠性、避開高應力部位、降低慣性力等。
小型化的另一個重點是日產工程師改用薄型旋轉減速機式驅動器,技術來自日本的Harmonic Drive。在此之前則是復雜的電機驅動齒輪的結構。
至此,日產VC-TURBO的所有技術難題都攻克了,那幺在實踐使用中這套新的動力總成除了燃油性和動力性的兼得之外,還帶來了很多的額外附加價值。
1、新的VC-Turbo系統的控制軸其實相當于是一個平衡軸,可以帶來低震動的活塞行程,在以往直列四缸發動機上發生的慣性2次震動也不會發生,使得VC-Turbo發動機的震動能夠下降60%之多,可以追上V6發動機的靜謐性。
從上面兩組發動機的圖片我們可以看出,傳統發動機活塞在運動時,曲柄連桿的擺動范圍更大,相比之下,VC-Turbo發動機的曲柄連桿擺動范圍則更小。
兩種發動機活塞運行路徑
對比兩種發動機活塞運行路徑,我們可以發現,VC-Turbo(紅色)活塞和傳統(藍色)活塞在上止點和下止點時的運動狀態差別很小,比起傳統活塞(藍色)更接近于一條正弦曲線。也就是說,VC-Turbo發動機的二階振動抑制會比傳統四缸機好得多。
再對比一下瞬間曲軸扭矩,可以很明顯的看出VC-T(紅線)曲軸的瞬間扭矩要比傳統2.0L四缸機(藍線)平緩得多,有多平緩?拿出日產自家獲得沃德十佳發動機的金典VQ35(黑線)來對比一下,你就能明白了!VC-T的瞬間曲軸扭矩曲線比較接近VQ35發動機,可見VC-Turbo發動機的振動抑制在同級別的表現還是不錯的。需要注意的是,“曲軸瞬間扭矩”跟發動機的最大扭矩參數沒有直接關聯,它反映的是曲軸所承受的瞬間峰值壓力。
發動機振動級對比
可見,日產VC-TURBO發動機比傳統直列四缸發動機在振動抑制方面好得多,但也無法與V6發動機的水準對齊。
2、除了振動抑制,減摩也是VC-Turbo和傳統L4發動機的區國際足球資訊網別所在。傳統發動機由于曲軸旋轉中心與連桿之間的力臂較長,所以會對活塞和缸壁之間產生影響,也就是活塞會對缸璧產生壓力,這是摩擦損失的一個來源;而VC-Turbo呢,由于VC-Turbo的連桿運動更接近直立,加上可變容量機油泵、沒有平衡軸、減少摩擦的缸內熔射技術,可以有效減小活塞運動時的摩擦阻力,即便和V6 NA發動機相比也能下降差不多5Nm。圖上國際足球資訊網寫著“No Thrust force”幾乎沒有壓力。
除了核心的可變壓縮比技術之外,KR20DDT發動機還搭載了DVVT(動態可變氣門正時系統)、集成排氣歧管、雙噴射系統(缸內直接噴射+進氣道內噴射)、可變流量機油泵、最佳冷卻通道控制閥門系統等一系列主流的發動機技術。最終,KR20DDT可以達到日產3.5L V6發動機的動力輸出水平——最大功率200kW、最大扭矩380Nm,同時在燃油經濟性上對比相同功率的V6發動機提升27%燃油經濟性,油耗遠低于一般2.0T。
從長遠的眼光來看,日產VC-Turbo發動機的出現意味著傳統內燃機的挖掘潛力還遠遠沒有到頭,至少下一輪內燃機的效率挖掘才剛剛開始。
上海交通大學汽車工程研究院院長許敏教授曾指出,日產VC-TURBO的可變壓縮比范圍是14-8,熱效率為38%-39%,如果工程師們進一步把可變壓縮比的范圍擴大,那幺汽油機也可以實現HCCI均質壓燃技術,但同時又能保證高負荷工況下動力性能。如果汽油機的熱效率進一步提升到50%,那幺汽車的未來,很大可能還是在“汽”上。
上面這張圖是茂木克也先生他們團隊最開始研發VCR可變機構草圖,20年的努力都融在一句:“始于足下”。
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