[汽車之家 發(fā)動機(jī)技術(shù)] 如果讓我舉一件今年國內(nèi)汽車發(fā)動機(jī)領(lǐng)域最重要的事件，我會選4月12日的日產(chǎn)VC-TURBO可變壓縮比發(fā)動機(jī)在東風(fēng)日產(chǎn)鄭州工廠正式下線這件事。日產(chǎn)這款VC-TURBO 2.0T可變壓縮比發(fā)動機(jī)是全球首款量產(chǎn)可變壓縮比發(fā)動機(jī)，是日產(chǎn)工程師經(jīng)過20年時(shí)間研發(fā)的技術(shù)結(jié)晶，相比現(xiàn)款日產(chǎn)2.0T發(fā)動機(jī)能降低27%的油耗。該發(fā)動機(jī)的國產(chǎn)化降低了其制造成本，使得中國消費(fèi)者能夠以更實(shí)惠的價(jià)格享受到擁有全球領(lǐng)先技術(shù)的發(fā)動機(jī)產(chǎn)品，也大大增強(qiáng)了日產(chǎn)車型動力系統(tǒng)的競爭力。今天我們就通過現(xiàn)場拆解來了解下VC-TURBO可變壓縮比“黑科技”究竟是怎樣一回事。
● 與競品參數(shù)對比
已經(jīng)實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)的日產(chǎn)2.0T VC-TURBO可變壓縮比發(fā)動機(jī)代號為“KR20DDT”，目前已經(jīng)搭載在今年6月份上市的東風(fēng)英菲尼迪2018款QX50之上，此后也將搭載在本月18日上市的東風(fēng)日產(chǎn)全新天籟(參數(shù)|詢價(jià))車型之上。
搭載2.0T VC-TURBO發(fā)動機(jī)的英菲尼迪QX50和同級競品相比，在最大功率數(shù)據(jù)上有一定優(yōu)勢，體現(xiàn)出可變壓縮比技術(shù)在動力輸出性能上的優(yōu)勢。但從下表我們也可以看到，低扭輸出性能較強(qiáng)的奧迪2.0T發(fā)動機(jī)（1600rpm時(shí)就能輸出370N·m最大扭矩），雖然最大馬力和峰值扭矩參數(shù)并不突出，但能夠?yàn)檐囕v提供更好的加速特性，在0-100km/h加速測試中獲得更好的成績，而且奧迪Q5L上面這臺發(fā)動機(jī)的油耗表現(xiàn)也是可圈可點(diǎn)的。
| 四款搭載在中型SUV上的主流2.0T發(fā)動機(jī)參數(shù)對比 | ||||
| 名稱 | 英菲尼迪2.0T | 奧迪2.0T | 凱迪拉克2.0T | 謳歌2.0T |
| 代號 | KR20DDT | EA888 | - | K20C5 |
| 排量 | 2.0L | 2.0L | 2.0L | 2.0L |
| 進(jìn)氣形式 | 渦輪增壓 | 渦輪增壓 | 渦輪增壓 | 渦輪增壓 |
| 供油方式 | 混合噴射 | 混合噴射 | 直噴 | 直噴 |
| 是否帶有 可變壓縮比 |
是 | 否 | 否 | 否 |
| 應(yīng)用車型 | 英菲尼迪QX50 | 奧迪Q5L | 凱迪拉克XT5 | 謳歌RDX |
| 最大馬力 | 272Ps/5600rpm （QX50四驅(qū)版數(shù)據(jù)） |
252Ps/5000-6000rpm （Q5L四驅(qū)版數(shù)據(jù)） |
269Ps/5500rpm （XT5四驅(qū)版數(shù)據(jù)） |
265Ps/6500rpm （謳歌RDX四驅(qū)版數(shù)據(jù)） |
| 峰值扭矩 | 380N·m/4400-4800rpm （QX50四驅(qū)版數(shù)據(jù)） |
370N·m/1600-4500rpm （Q5L四驅(qū)版數(shù)據(jù)） |
400N·m/3000-4300rpm （XT5四驅(qū)版數(shù)據(jù)） |
380N·m/3000-4000rpm （謳歌RDX四驅(qū)版數(shù)據(jù)） |
| 0-100km/h加速 | 7.81s （四驅(qū)版實(shí)測） |
6.7s （四驅(qū)版官方） |
8.2s （四驅(qū)版官方） |
7.5s （四驅(qū)版官方） |
| 綜合油耗 | 7.9L/100km （四驅(qū)版工信部） |
7.3L/100km （四驅(qū)版工信部） |
7.9L/100km （四驅(qū)版工信部） |
9L/100km （四驅(qū)版工信部） |
據(jù)官方介紹，實(shí)際上KR20DDT發(fā)動機(jī)經(jīng)過調(diào)校也能夠在1500rpm輸出最大扭矩，但受制于QX50上搭載的那臺型號較舊的CVT變速箱，最大扭矩輸出轉(zhuǎn)速被調(diào)高了。等到新車型換用新的變速箱后，KR20DDT發(fā)動機(jī)被“封印”的低扭才會被完全釋放。
● 可變壓縮比是怎樣實(shí)現(xiàn)的？
從本文標(biāo)題你們或許已經(jīng)看出一點(diǎn)端倪，可變壓縮比技術(shù)實(shí)際上已經(jīng)有二十多年歷史了。薩博（Saab）在上世紀(jì)80年代末開始研究可變壓縮比發(fā)動機(jī)，通過可移動的氣缸蓋和缸筒來實(shí)現(xiàn)壓縮比的改變，并在1990年申請了相關(guān)技術(shù)專利，之后推出了SVC可變壓縮比發(fā)動機(jī)。自此各整車廠商便開始可變壓縮比發(fā)動機(jī)的研究。
為了規(guī)避專利訴訟，各廠家實(shí)現(xiàn)可變壓縮比的方式不盡相同，驗(yàn)證設(shè)計(jì)概念的發(fā)動機(jī)數(shù)目不少，但基本上都未實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)，原因集中在可靠性、耐久性、小型化、運(yùn)轉(zhuǎn)效率等問題上面。
據(jù)官方稱，日產(chǎn)這款2.0T VC-TURBO發(fā)動機(jī)的研發(fā)資金高達(dá)200億美元，究竟這款日產(chǎn)斥巨資開發(fā)出來的發(fā)動機(jī)是通過什么方式來實(shí)現(xiàn)壓縮比改變的呢？下面我們一起來了解一下。
『日產(chǎn)2.0T VC-TURBO發(fā)動機(jī)可變壓縮比機(jī)構(gòu)實(shí)拍視頻』
細(xì)心的朋友可能會注意到，VC-TURBO發(fā)動機(jī)和傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)相比，少了曲軸底部的平衡軸，沒有了平衡軸是不是意味著發(fā)動機(jī)的抖動就會變大呢？事實(shí)并非如此。VC-TURBO發(fā)動機(jī)的多連桿結(jié)構(gòu)能夠使發(fā)動機(jī)活塞運(yùn)動更接近正弦曲線，有利于四個(gè)氣缸工作時(shí)產(chǎn)生的帶有相位差的振動相互抵消，從而提升發(fā)動機(jī)工作時(shí)的平順性。
與傳統(tǒng)的活塞式發(fā)動機(jī)相比，2.0T VC-TURBO發(fā)動機(jī)的活塞/曲軸/連桿機(jī)構(gòu)增加了多個(gè)摩擦副。這理論上會增加發(fā)動機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)摩擦，降低發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的效率。但也是由于多連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，2.0T VC-TURBO發(fā)動機(jī)上與活塞相連的那根連桿在發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的擺動幅度變小了，這使得活塞處于上止點(diǎn)時(shí)，連桿最大程度地保持垂直狀態(tài)，這樣在做功行程初期，點(diǎn)燃混合氣產(chǎn)生的沖擊力不會使活塞產(chǎn)生較大的向氣缸壁擠壓的分力，降低活塞與氣缸之間的摩擦達(dá)44%，對沖了摩擦副增加造成的負(fù)面影響。
『VC-TURBO發(fā)動機(jī)與傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)工作情況對比視頻』
控制電機(jī)（帶位置傳感器的無刷電機(jī)）經(jīng)過減速器減速增扭后，通過A連桿來轉(zhuǎn)動偏心軸，偏心軸的轉(zhuǎn)動會改變多連桿系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，從而同時(shí)改變四個(gè)氣缸活塞上止點(diǎn)和下止點(diǎn)的位置，使得發(fā)動機(jī)的壓縮比能夠在8:1至14:1之間變化。據(jù)官方資料介紹，發(fā)動機(jī)壓縮比從14:1降低至8:1的過程中，活塞上止點(diǎn)下移了6mm，活塞行程由88.9mm增加值至90.1mm，排量由1970cc增加至1997cc。而發(fā)動機(jī)壓縮比從14:1降低至8:1的用時(shí)大約為1.2秒。
● 可變壓縮比控制策略是怎樣的？
從2.0T VC-TURBO發(fā)動機(jī)的MAP圖我們可以看到，該發(fā)動機(jī)中低轉(zhuǎn)速、中低負(fù)荷工況采用的是14:1的高壓縮比，以提升發(fā)動機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性；高負(fù)荷、高轉(zhuǎn)速工況采用的是8:1的低壓縮比，一方面是為了輸出更強(qiáng)的動力，另一方面能夠避免爆震的發(fā)生從而提升發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的平順性。而上述兩種工況區(qū)之間的過渡區(qū)則會根據(jù)實(shí)際工況在14:1-8:1之間選擇合適的壓縮比。
從官方給出的資料來看，這套可變壓縮比系統(tǒng)是能夠連續(xù)動態(tài)地調(diào)節(jié)發(fā)動機(jī)的壓縮比的。對于不同標(biāo)號或不同品質(zhì)的汽油，ECU會根據(jù)來自爆震傳感器的數(shù)據(jù)在全工況范圍內(nèi)動態(tài)微調(diào)壓縮比數(shù)值，以保證發(fā)動機(jī)平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)，加強(qiáng)發(fā)動機(jī)對油品的適應(yīng)性。雖然日產(chǎn)官方推薦該發(fā)動機(jī)使用95號汽油，但使用92號汽油也是沒有問題的，只是動力性能和燃油經(jīng)濟(jì)性會有所減弱而已，并不會損壞發(fā)動機(jī)。除了油品的影響，ECU還會考慮環(huán)境溫度、冷卻液溫度、海拔（空氣密度）等參數(shù)來設(shè)定發(fā)動機(jī)的最優(yōu)壓縮比。
● 采用主流硬件技術(shù)配置
2.0T VC-TURBO發(fā)動機(jī)除了可變壓縮比這個(gè)技術(shù)亮點(diǎn)外，其上還搭載了眾多主流的發(fā)動機(jī)技術(shù)配置，其中包括混合噴射（歧管噴射+缸內(nèi)直噴）、雙循環(huán)（阿特金森循環(huán)+奧托循環(huán)）、進(jìn)/排氣可變氣門正時(shí)、集成式排氣歧管、變排量油泵、電控渦輪排氣旁通閥、電控冷卻液循環(huán)系統(tǒng)等。
阿特金森循環(huán)也被稱作米勒循環(huán)（因?yàn)轳R自達(dá)把“米勒循環(huán)”注冊為專利，所以其他廠商只好用“阿特金森循環(huán)”來稱呼這種發(fā)動機(jī)工作模式避免專利糾紛），是一種壓縮行程比做功行程短的發(fā)動機(jī)工作模式，它能夠更有效地利用混合氣燃燒產(chǎn)生的能量，所以相比傳統(tǒng)的奧拓循環(huán)工作模式有更好的節(jié)油效果。關(guān)于阿特金森循環(huán)的知識在這里就不展開了，感興趣的朋友可以參看《高壓縮比的秘密 拆創(chuàng)馳藍(lán)天2.0L發(fā)動機(jī)》的相關(guān)介紹。日產(chǎn)2.0T VC-TURBO發(fā)動機(jī)和大部分主流同級發(fā)動機(jī)產(chǎn)品一樣，都能夠根據(jù)工況在阿特金森循環(huán)和奧托循環(huán)之間切換，以更好地平衡發(fā)動機(jī)的動力性能和燃油經(jīng)濟(jì)性。
日產(chǎn)這款2.0T VC-TURBO發(fā)動機(jī)，除了具備獨(dú)創(chuàng)性的可變壓縮比功能外，還大量應(yīng)用目前發(fā)動機(jī)行業(yè)的主流技術(shù)配置，以保證其在同級產(chǎn)品中具有足夠強(qiáng)的競爭力。
● 下一階段的目標(biāo)——45%熱效率
據(jù)日產(chǎn)的工程師透露，2.0T VC-TURBO發(fā)動機(jī)的下一階段目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)45%的熱效率。目前2.0T VC-TURBO發(fā)動機(jī)的熱效率約為38%左右。而達(dá)成45%熱效率的途徑官方?jīng)]有透露太多，只是說2.0T VC-TURBO發(fā)動機(jī)的活塞行程還有進(jìn)一步加大的空間。而增大活塞行程是提升發(fā)動機(jī)物理壓縮比的方法之一。從行業(yè)趨勢來看，下一代2.0T VC-TURBO發(fā)動機(jī)采用更高壓縮比的HCCI均質(zhì)壓燃技術(shù)（不通過火花塞點(diǎn)燃混合氣，而是利用超高壓縮比讓混合氣自發(fā)燃燒）幾率很大。而作為汽油壓燃技術(shù)的配套，噴射壓力在350bar以上的燃油噴嘴、大控制角度的電驅(qū)氣門正時(shí)系統(tǒng)、水冷式廢氣再循環(huán)系統(tǒng)、電動渦輪增壓器等目前業(yè)界前沿的硬件配置很可能會出現(xiàn)在下一代日產(chǎn)VC-TURBO發(fā)動機(jī)之上。
“均質(zhì)燃燒”中的“均質(zhì)”，指的是混合氣的狀態(tài)，遍布?xì)飧變?nèi)的混合氣的汽油濃度是均勻的。通過活塞對氣缸內(nèi)的均質(zhì)汽油混合氣施加壓力導(dǎo)致混合氣升溫，當(dāng)溫度上升至一定程度，氣缸各處的混合氣會同時(shí)燃燒。均質(zhì)壓燃技術(shù)提升了汽油發(fā)動機(jī)在中低負(fù)載工況下的稀燃極限，提升了發(fā)動機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性。（更多關(guān)于HCCI均質(zhì)壓燃技術(shù)的介紹，可參看《汽油機(jī)也壓燃？ 聊全新創(chuàng)馳藍(lán)天發(fā)動機(jī)》）
● 全文總結(jié)：
作為發(fā)動機(jī)領(lǐng)域的“少數(shù)派”，日產(chǎn)2.0T VC-TURBO可變壓縮比發(fā)動機(jī)在技術(shù)上有其獨(dú)一無二的創(chuàng)新之處，能更好地平衡發(fā)動機(jī)動力性能和燃油經(jīng)濟(jì)性能是這款發(fā)動機(jī)的優(yōu)勢之一。20年的技術(shù)積淀，使得這款發(fā)動機(jī)在設(shè)計(jì)、性能、加工工藝、耐久性等方面都已經(jīng)優(yōu)化至一個(gè)較高的水平。然而，面對一款創(chuàng)新性的發(fā)動機(jī)產(chǎn)品，消費(fèi)者們大多會持觀望態(tài)度，復(fù)雜的可變壓縮比控制機(jī)構(gòu)可靠性是否真的經(jīng)得起中國市場驗(yàn)證呢？這個(gè)問題在東風(fēng)日產(chǎn)的走量車型——全新天籟上市一段時(shí)間之后便能見分曉。（圖/文/攝 汽車之家 常慶林）