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有了它油耗更低,一分钟看懂黑科技

英菲尼迪最近发布了VC-T发动机,号称是世界上第一款可量产的可变压缩比发动机。可变压缩比设什么技术?有什么优势?一分钟带你看懂。

  最近英菲尼迪发布的2.0T可变压缩比发动机抢了一时的新闻风头,但说到可变压缩比发动机这货,其实在1952年英国内燃机研究协会就开始研究,后来一直都有厂商研究相关的技术,今天我们就来了解一下可变压缩比发动机。

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之前的讲堂讲了好多期混合动力,是不是现在厂家都不怎么研究内燃机了?毕竟混合动力简单粗暴,加个电池电机油耗刷刷往下掉。并不是,至少还有许多技术控正在努力提高内燃机的自我修养。就说最近要国产的那款全新英菲尼迪QX50吧,它用的发动机就堪称黑科技。

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● 为什么要可变压缩比?

为什么可变压缩比是黑科技?

内燃机要发展,突出一个“变”字,从可变气门正时开始,工程师们让发动机各个部分一一变的可动了,可变歧管、可变几何涡轮、可变气门升程、喷油方式也要变,从歧管喷射变到缸内直喷还不够,要混合喷射,两个一起来。甚至点火方式也要可变,汽油机传统的火花塞点火、柴油机传统的压燃,都要整合到一起换着花儿样用。

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为什么要可变呢?因为汽车的驾驶环境多变,进而对其唯一的动力来源——发动机也提出了很高的要求。既要求运行稳定,可靠性高,又要爆发力强,输出猛,还要效率高,省油并且排放低,这么多叠加甚至相悖的要求,不可能通过某种固定的设计来满足。因此我们可以看到有的发动机注重性能,但油耗高了,而有的发动机油耗低了,动力不够,另外NVH又做不好了。介于这种现状,各种可变技术应运而生。

这回我们的主角VC-Turbo发动机,就把“可变”运用到了极致,它连压缩比都可变了。其实汽车发动机领域,可变压缩比技术的研究历史并不短(后文我们会对此介绍),但由于解决方案诸多,而且不同程度地增加机械结构复杂性,这让很多品牌在此前功尽弃。之所以说英菲尼迪应用了这项黑科技,最为重要的原因是其解决方案成熟有效。当然,在解决技术难题之后更重要的是,实现了量产!

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1、什么是压缩比

首先,压缩比是什么?

活塞往复式汽油发动机的工作原理是:依靠汽油和空气在汽缸中燃烧推动活塞往复运动。当活塞运动到汽缸的最低点,此时的位置被称为活塞下止点,这时汽缸容积最大,包含燃烧室容积和汽缸工作容积,即汽缸总容积。当活塞向上运动,到达最高点位置时,即活塞上止点,此时所形成的容积为燃烧室容积,它是整个活塞运动时形成容积最小的状况。压缩比就是汽缸总容积与燃烧室容积的比值。

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那么,压缩比大和小都有什么用?

一般来说,压缩比大的发动机扭矩高,效率高。初中时都学过理想气体方程,什么查理定律、盖·吕萨克定律、波义耳定律吧,还记得那个公式吗——P1V1/T1=P2V2/T2。压缩比大了,自然压缩后的压力和温度也会越大。

压力温度越高,混合气中的汽油分子能量就越高,越活跃,能够与空气充分混合,输出能力就对应提高。而且,依据奥托循环理论热效率公式,随着压缩比的提高发动机的效率也会提高。

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而另一方面,压力之下除了爆发,还有可能造成“精神分裂”。汽油并不安分,如果压缩比太高会产生爆震,少部分汽油不等点火被提前压燃,类似柴油发动机工作原理。但和柴油发动机不同,汽油发动机这种因为压缩比过大导致的压燃是不可控制的,并且产生强烈的冲击和振动,不仅造成发动机运行平稳性下降,还会对发动机缸体和活塞造成严重损坏,缩短发动机寿命。

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尤其是对于增压发动机,压缩比的重要性更是凸显,在增压发动机中,往往为了高转速,增压压力大时防止爆震,其设计压缩比一般低于自然吸气发动机,这就导致其在低转速,增压压力低时发动机效率下降,同时扭矩上升也很缓慢。

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怎么办?那就让压缩比变起来,低转速以及低负荷巡航时提高压缩比,弥补因涡轮迟滞造成的动力缺失,并且提高效率减少油耗;而高转速、高负荷时减小压缩比,防止爆震,让增压器更放心大胆地加压空气,提高发动机的动力输出。

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可变压缩比的研究历史

压缩比对于车辆性能的影响很早就被发现,因此可变压缩比的概念出现很早,1947年诞生的米勒循环,以及现在多用于混合动力的阿特金森循环发动机就采用了提前关闭进气门的方法减小有效压缩比,而保持膨胀比不变的方法提高发动机的效率。

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而真正从结构上改变压缩比的探索从柴油机开始。美国大陆公司于1961年开始研究的用于坦克动力的AVCR1360-2可变压缩比柴油机,采用了可变压缩比活塞,压缩比可在9:1~16:1之间变动,改善了起动性能和低速工作性能。

我国西安交大的王志达先生于20世纪70年代末研制成可变压缩比摆盘柴油机,这种柴油机将摆盘设计成可以沿轴向移动的结构,通过控制摆盘的轴向位置来改变活塞的上下止点位置,使摆盘柴油机的压缩比成为可变的和可以调节控制的。

前苏联在20世纪80年代就由拖拉机研究所车拉宾斯克分所做了可变压缩比柴油机的试验研究,其达到了在相同的增压条件下提高功率,提高部分负荷的经济性,并降低发动机零部件热应力和机械应力的目的。

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早期可变压缩比研究主要集中在柴油机领域,因为毕竟它有高压缩比的基础,而汽油机的可变压缩比实用化研究则晚的多,20世纪初,萨博开发了一台1.6L可变压缩比发动机SVC,压缩比可在8:1~14:1之间变化。最大功率168kW,而百公里油耗仅为8.3L。德国FEV开发了一台压缩比8:1~16:1之间可变的1.8L发动机,法国PSA则有MCE-5,压缩比可在7:1~20:1之间无级调节。

虽然技术雏形诞生早,可这么多年始终没有一家公司能够将其量产化。直到本文的主角,第一款搭载可变压缩比Variable
Compression-Turbo发动机的量产车:英菲尼迪QX50于2017年发布,可变压缩比技术才算是修得正果,实现量产。这可是从1998年开始,经过接近20年的攻关。

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可变压缩比的实现方案

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根据压缩比的定义,可变压缩比的实现手段大致有三种:1.改变气缸盖结构;2.改变缸体结构;3.改变活塞及曲柄连杆机构。

方案1为萨博SVC发动机采用的方案,将气缸和气缸盖设计成一个整体,缸体和气缸盖通过一组摇臂动态连接,使其能够相对曲轴移动一定位置,改变燃烧室容积,进而改变压缩比。

方案2是借助于气缸盖里面的副活塞或气门来改变燃烧室形状进而改变压缩比,福特曾研究过这个方案。

方案3利用具有特殊结构且压缩高度可变的活塞来改变燃烧室容积进而改变压缩比。代表是由英国内燃机研究协会研发的BICERA可变压缩比活塞,其结构由内、外活塞,上、下油腔和两个止回阀以及限压阀和节流阀等组成,内、外活塞之间构成上、下油室,通过液力耦合可相对移动,改变上、下油室体积,从而改变活塞的压缩高度。戴姆勒-奔驰的可变压缩比发动机也采用这种可变活塞高度设计。

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方案4利用一个偏心的曲柄销或一根长度可变的连杆通过改变活塞高度来改变燃烧室容积进而改变压缩比。

方案5的曲轴支承在一个偏心器上,利用特定手段使偏心器旋转一个角度,就能改变曲轴在竖直方向上的位置,进而使活塞沿气缸中心线移动,燃烧室容积随之改变,这样也实现了改变压缩比。

方案6的曲轴也支承在一个偏心器上,与方案5不同的是,它借助于齿条推动的传力方式而不是偏心器使曲轴移位进而改变压缩比。

方案7、方案8、方案9都是借助于多连杆方式并且加设一根操纵杆而实现可变压缩比的,日产便是采用了这样的方案。

2、固定压缩比的劣势

VC-Turbo技术详解

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如图所示,英菲尼迪VC-Turbo发动机在传统的发动机基础上取消了平衡轴,改为一套多连杆机构,相当于在曲柄和曲轴之间加入了一根L-Link,L-Link和U-Link一同承担了原先曲柄的作用,通过L-Link的角度,就可以改变曲柄的长度,从而实现了压缩比的可变。整套系统由执行电机控制,因此,可以实现无级调节压缩比。

这台可变压缩比机构还有其他两个优点。第一个优点是活塞的往复运动几乎接近正弦曲线;
第二个优点是显著降低了活塞的敲缸声。前者使直列4
缸发动机特有的惯性二次振动接近于零,而后者由于增加连杆而导致摩擦增加也相互抵消。这些优点是经过数亿次对连杆配置进行计算机仿真所获得的结果。

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这张图清楚地展示了同样达到上止点时,活塞高度的差异

看上去是不是没什么难的?的确,从机械设计角度,这套多连杆机构并没有什么难度,但千万不要忘了,这套系统可不是仅仅实现“动起来”就够了,这可是曲轴,一台发动机中受力最大的地方,它必须要承受气缸内巨大的冲击、高温恶劣的工作环境、每分钟数千次的应力循环、而且还得保证在压缩比变化过程中始终处于动平衡、增加的控制装置不能太复杂、这么多的可动部件效率、可靠性又如何保证?就算上面都解决了,成本,体积、重量呢?全都是问题。

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FEV倒在了动平衡之下,MCE-5倒在了开发成本上、SVC倒在了巨大的交变应力和轻量化下,他们都没能够实现量产化。只有英菲尼迪,在经历了4次迭代、大量仿真测试、几何、材料优化之后,花了将近20年,终于解决了这一系列的问题。呈现在我们眼前的就是这一台VC-Turbo发动机。

启动时,减少暖机时间,使发动机快速进入状态。低负荷时,ECU控制发动机采用高压缩比,提高燃油经济性;高负荷时,比如深踩油门加速时,迅速切换至低压缩比,建立较高增压的值,带来高输出。在此过程中,中控还会实时显示发动机的工作状态,让驾驶者亲眼和亲身体会到科技的作用。

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这台发动机还不仅仅有可变压缩比,它可变的还多着呢。直喷和进气歧管多点喷射可变、进排气正时可变、奥托/阿特金森燃烧循环可变、机油泵排量可变……还有缸盖集成排气歧管、气缸内壁镜面处理、多路径水冷控制阀、主动式发动机减振降噪支架等等先进技术共同打造了一套轻量化、低排放、强动力的发动机。

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即将国产的全新英菲尼迪QX50上,我们就能够亲身体验到这样一款黑科技满满的2.0T发动机,最大功率200kW,最大扭矩390牛米,油耗降低30%的同时平顺性还媲美V6,嗯~~啥时候上市?真希望越快越好啊。

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