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          厚積薄發 日產VC-TURBO發動機解讀

           

          在嚴苛的油耗和排放法規面前,發動機似乎越來越黔驢技窮。真的無路可走了,發動機界最后一顆救命稻草,也是最后一個難題——可變壓縮比。...



          2019年01月05日 晴天? | ? CHAICHEFANG.com


          在嚴苛的油耗和排放法規面前,發動機似乎越來越黔驢技窮。真的無路可走了,發動機界最后一顆救命稻草,也是最后一個難題——可變壓縮比。日產終于帶來世界首款機械層面的量產可變壓縮比發動機VC-TURBO。在去年,日產宣布可變壓縮比發動機量產,像一枚重磅炸彈,引爆了原本有些死氣沉沉的內燃機圈子。

          · 為什么可變壓縮比如此重要?

          · 日產的VC-TURBO發動機是如何實現的?

          · 結構更加復雜,振動抑制卻堪比大排量V6,你信嗎?

          · 對油品的依賴度如何?

          省油與動力的根源——壓縮比
          其實,我們汽車黑科技在之前的趣說動畫中就給大家簡單科普過壓縮比的概念。簡單說,發動機基礎性能的根源就在這個參數。壓縮比高,氣缸內油氣混合氣的燃燒速度就快、燃燒得更加徹底,由化學能轉化成的機械能就更多,所以追求經濟省油的發動機往往壓縮比就高,例如馬自達的“創馳藍天”發動機、豐田的高熱效率發動機等,但同時高壓縮比也會帶來爆震的風險;反之,壓縮比越低,發動機就更“粗暴”,可以壓榨出更強的性能,但燃油經濟性下降得厲害,一般鋼炮車、性能車會使用低圧縮比的發動機,而且壓縮比低不易爆震,發動機可以盡情地粗暴噴油。



          這個公式表達了理論熱效率(等號左邊)與壓縮比ε之間的關系,可以看出。壓縮比越高,理論熱效率也就越高。



          從這張圖我們可以看到,一般增壓發動機的壓縮比較低,自然吸氣且追求省油的車,其發動機壓縮比就高。還是那句話,魚和熊掌不可兼得,高低圧縮比你好歹只能選擇其中一種。有沒有巧妙地“改變”壓縮比的方法呢?有。通過進排氣門正時調節可以達到一定程度的壓縮比改變,讓發動機在奧拓和阿特金森循環之間切換。但這種調節方式并非硬件層面,只是偷換了概念,它的調節范圍十分有限,而且還是基于高壓縮比發動機而來,我們叫它“偽可變壓縮比”。

          因此,在機械層面上實現大范圍的壓縮比調節,最好是無級調節,就成了兼得魚掌的唯一途徑。這也就是為什么,機械層面的可變壓縮比是發動機工程界的哥德巴赫猜想,在性能與省油之間自如切換,這樣的發動機才是終極答案。

          20年的冷板凳



          可變壓縮比的構想早在1998年就提出了,而且申請了專利。直到三年后,日產高層開始重視并規劃可變壓縮比技術,當時薩博也在做可變壓縮比,但由于品牌經營與技術路線的原因,并未成功。所以當時的可變壓縮比在行業里處于一個比較迷茫的時期,日產決定偷摸摸嘗試一下,而這一嘗試,就是近20年的冷板凳。期間,日產僅在2005年正式發布過有關該技術的新聞。直到2014年,可變壓縮比在日產手中經歷三代演進,經過結構定性、工藝提升、小型化、試制生產等等階段后才最終發布。所以用“忍”來形容日產的可變壓縮比,真的不為過。到今天可變壓縮比在量產車上的搭載,茂木克也從33歲做到了53歲。

          讓曲軸“活”起來



          由于多年來行業的不斷努力,我們可以總結出至少八種實現可變壓縮比的方法。其中不乏腦洞大開的,比如讓缸蓋位置可動這種,薩博就是選擇了這種技術路線,最后發現根本就無法實現。另外,豐田當初選擇的路線是獨立調節每個曲柄連桿,這對控制精度提出了極高的要求,也被證實是極難完成的任務。相比之下,日產將研發重心放在了曲軸和連桿上。



          日產的方法是,通過曲軸下方增加的一套電控回旋機構,在曲軸旋轉軸心位置不變的情況下控制曲柄連桿的動作高度,也就是對活塞和曲柄進行整體的上下推移,這個范圍是6mm。這樣一來,壓縮比就可以從8:1到14:1進行無級調節。





          為什么選擇這樣的路線?首先這樣做的優勢是降低了結構工藝的難度。在這樣的一套系統中,核心零部件的運動都是由軸、銷、軸承、襯套等組成的,都是回轉運動,這些零部件加工起來難度較低,精度上更容易實現,很好地平衡了性能、成本和可靠性。



          其次,可變壓縮比發動機對空間利用率的要求很高,也就是體積不能太大,因此最好能用一個執行機構控制所有氣缸。日產的VC-TURBO就實現了僅通過一臺伺服電機,與四個氣缸所有的活塞實現機構上的連接。一動全動,大大節省執行機構所占的體積,同時還規避掉了豐田遇到的獨立控制下保持一致性的問題。說白了,日產的這套控制機構核心原理就跟傳統的活塞-連桿-曲軸一樣規律,不會出現某個氣缸工作狀態不一致的情況。

          聽說振動抑制堪比V6?

          左:傳統發動機 右:VC-T發動機
          日產的這套技術路線,還有一個很大的優勢,那就是振動抑制。從上面兩種發動機的運動方式我們能看出,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-T的曲柄連桿擺動范圍更小。



          再對比兩種發動機活塞運行路徑,可以發現,VC-T(紅色)活塞在上止點和下止點時的運動狀態差別很小,比傳統活塞(藍色)更接近一條正弦曲線,也就是說,VC-T發動機的二階振動抑制天生就比傳統四缸機好得多。



          再對比一下瞬間曲軸扭矩,你會發現VC-T對曲軸的瞬間扭矩要比傳統2.0L四缸機平緩得多,有多平緩?接近日產自家拿過沃德十佳發動機的經典VQ35。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。



          最終,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,比較接近V6發動機水準。



          除了振動抑制,減摩也是VC-TURBO和傳統L4發動機的區別所在。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,我們前面就說過,它的連桿運動范圍窄,也就是曲軸運動中心和連桿之間的力臂短,這樣一來對活塞和缸壁之間的摩擦控制就很小了。有多小?圖上寫著“No Thrust force”幾乎沒有壓力。

          到底是怎么標定的?



          能實現機械層面的可變壓縮比,如何利用好也尤為重要。上面的MAP圖表達的是在不同的轉速對應扭矩負荷的情況下,發動機的壓縮比狀態。我們發現,VC-TURBO不會長時間維持在10~11這樣的“中等”壓縮比狀態,對于不同的轉速下的扭矩需求,發動機會很快過渡到對應的壓縮比情況。例如駕駛員在1600rpm巡航,此時的負荷較低,那么按照MAP圖此時的壓縮比就是接近14的狀態。突然一腳地板油,發動機進入高負荷區間,這時壓縮比會下降到8附近,為車輛提供更強的動力。

          至于油品方面,你可能會憂慮技術含量這么高的發動機會不會很挑剔糧食,不好伺候?根據茂木克也先生分享的信息,VC-TURBO發動機推薦添加95號汽油。注意這里說的是推薦,也就是你真要加92號汽油也是可以的,因為工程師會為引入國內的VC-TURBO發動機準備兩套標定方案(MAP圖),車輛會根據油品情況自動調用對應的方案。不過,按照我們用車的習慣,既然官方推薦加95號汽油,那車主就別加92號,因為這樣做肯定會影響發動機應有的動力和燃油表現。

          總結



          除了核心的可變壓縮比之外,VC-TURBO還搭載了DVVT、集成排氣歧管、雙噴射、變排量機油泵等等一系列主流的發動機技術。換言之,并不是因為可變壓縮比研究了20年,這臺發動機除了可變壓縮比之外就都是落后的。應該說日產揭開了發動機技術領域一個新的紀元。在采訪中,上海交通大學汽車工程研究院院長許敏先生也說到,可變壓縮比是目前嚴苛的油耗和排放法規下一個最有挖掘潛力的技術路線,日產走在了前面,其他廠商也會陸續跟進。

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