通過(guò)變壓縮比技術(shù),可增強(qiáng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)自由度！

日產(chǎn)宣布首款擁有可變壓縮比技術(shù)（VCR - Variable Compression Ratio）的2.0升量產(chǎn)增壓汽油機(jī)將被搭載于下一代英菲尼迪QX50。該車將于下個(gè)月的巴黎國(guó)際車展正式亮相。這是自從各大公司于上世紀(jì)末開始研究此類技術(shù)以來(lái)的第一款量產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)，此舉對(duì)內(nèi)燃機(jī)發(fā)展方向有十分重要的意義。

該款2.0升汽油發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率200kW（升功率數(shù)據(jù)與現(xiàn)在主流的90-100kW/L左右相近），最大扭矩390Nm，與目前英菲尼迪正在使用的3.5升V6發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)相當(dāng)，所以今后將會(huì)取代3.5升自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)。

根據(jù)日產(chǎn)的數(shù)據(jù)，相比該3.5升發(fā)動(dòng)機(jī)，新的2.0升產(chǎn)品可降低油耗27%（這也同時(shí)從一個(gè)側(cè)面證明了適度小排量化帶來(lái)的改善）。為此立了大功的就是可以在8:1和14:1之間隨意變化的VCR技術(shù)。另外，這款發(fā)動(dòng)機(jī)還將配備雙噴技術(shù)（氣道噴油+缸內(nèi)直噴）控制顆粒物排放。

壓縮比是自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)和增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的最核心區(qū)別之一。為了克服爆震問(wèn)題，增壓發(fā)動(dòng)機(jī)需要降低壓縮比，而這一舉動(dòng)將會(huì)降低發(fā)動(dòng)機(jī)的效率。有了VCR，就可以在低載荷時(shí)使用高壓縮比提高效率，在高載荷時(shí)降低壓縮比克服爆震。其實(shí)就像電噴，柴油共軌，可變氣門正時(shí)等技術(shù)一樣，給內(nèi)燃機(jī)加入更多的智能控制系統(tǒng)來(lái)適應(yīng)不同的場(chǎng)合，就像正式場(chǎng)合要喝葡萄酒香檳，看歐洲杯喝啤酒，擼串要喝二鍋頭。

下面這張圖對(duì)比了在同一進(jìn)氣量和噴油量時(shí)不同壓縮比帶來(lái)的影響。高壓縮比（CR）由于受到爆震限制無(wú)法達(dá)到最大效率（最高發(fā)動(dòng)機(jī)輸出載荷BMEP）。而過(guò)低的壓縮比雖然可以達(dá)到局部?jī)?yōu)化BMEP，但是低壓縮比導(dǎo)致BMEP的最大潛力受到局限。所以最佳壓縮比永遠(yuǎn)是各參數(shù)取舍的結(jié)果。

壓縮比與效率取舍（來(lái)自SAE論文 2003-01-0398）

車叔認(rèn)為，這一技術(shù)在汽油機(jī)上應(yīng)用的潛力更大，因?yàn)椴裼蜋C(jī)壓縮比一般大致在15左右（當(dāng)然，柴油機(jī)在滿載也會(huì)受到最大缸壓的限制，VCR仍能帶來(lái)幫助），而汽油機(jī)普遍壓縮比在10左右，改善空間更大。

這一技術(shù)的應(yīng)用，將會(huì)幫助解決增壓和自吸之間的矛盾。馬自達(dá)SkyActive的壓縮比在14-15左右，市面上常見的增壓發(fā)動(dòng)機(jī)也在10左右，這也正是日產(chǎn)確定8-14這一壓縮比范圍的目的。今后馬自達(dá)也可以安心使用增壓發(fā)動(dòng)機(jī)了（實(shí)際馬自達(dá)本來(lái)也在開發(fā)增壓發(fā)動(dòng)機(jī)，不過(guò)暫時(shí)沒(méi)有使用VCR）。而增壓發(fā)動(dòng)機(jī)也不用再為了損失的壓縮比操心了。（媽媽們?cè)僖膊挥脫?dān)心工程師孩子在自吸派和增壓派之間難以取舍了）

其實(shí)，日產(chǎn)在VCR領(lǐng)域從很久以前就開始布局了。日產(chǎn)曾早在2009年和2014年注冊(cè)相關(guān)專利。下面兩個(gè)圖分別是日產(chǎn)注冊(cè)的專利，和這次量產(chǎn)VCR技術(shù)。這兩者非常相似，靠固定在發(fā)動(dòng)機(jī)側(cè)面的電機(jī)執(zhí)行器控制一套Multi-link連桿機(jī)構(gòu)來(lái)改變發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比。

日產(chǎn)2014年VCR專利

日產(chǎn)量產(chǎn)VCR技術(shù)說(shuō)明（通過(guò)改變下部連接軸角度調(diào)整壓縮比，左側(cè)為高壓縮比，右側(cè)為低壓縮比）

實(shí)際上，除了日產(chǎn)之外，奔馳，福特，標(biāo)致，薩博等汽車公司都在VCR上有所嘗試。咨詢公司FEV也有相關(guān)的技術(shù)產(chǎn)品。同時(shí)，VCR技術(shù)有多種實(shí)現(xiàn)的形式，除了這次的Multi-link連桿機(jī)構(gòu)的方案之外，還有可變缸蓋結(jié)構(gòu)，可變活塞頂結(jié)構(gòu)，可變Conrod連桿結(jié)構(gòu)，偏心輪等等多種方式改變壓縮比。

不過(guò)Multi-link方案的機(jī)構(gòu)離高溫度高應(yīng)力的燃燒室區(qū)域較遠(yuǎn)，而且多數(shù)零件不處在高轉(zhuǎn)速區(qū)域，耐久方面相對(duì)會(huì)更可靠，同時(shí)也會(huì)保證額外的摩擦損失不增加太多。不過(guò)，缺點(diǎn)也比較明顯，就是其對(duì)內(nèi)燃機(jī)整體設(shè)計(jì)的改變較大，無(wú)法像FEV可變Conrod產(chǎn)品那樣直接應(yīng)用于已有發(fā)動(dòng)機(jī)上。

FEV可變壓縮比連桿技術(shù)

總之，使用VCR技術(shù)的成本比較大，但是優(yōu)勢(shì)也很明顯，5%以上的油耗改善是完全可以期待的。這次日產(chǎn)將其量產(chǎn)化也象征著技術(shù)商業(yè)化進(jìn)程的一大步。

其實(shí)VCR和米勒及阿特金森循環(huán)有著異曲同工之處，都是通過(guò)各種方式來(lái)改變發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比或者膨脹比，從而優(yōu)化熱效率。米勒和阿特金森循環(huán)的優(yōu)勢(shì)就是實(shí)施相對(duì)簡(jiǎn)單，通過(guò)改變進(jìn)氣時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)不會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)帶來(lái)過(guò)大變動(dòng)（最原始的阿特金森實(shí)際也是類似VCR的技術(shù)）。但是米勒和阿特金森最大的劣勢(shì)就是損失的缸內(nèi)滾流（直接影響燃燒效率），這一影響在一些情況下甚至可以導(dǎo)致近一半的理論油耗改善潛能被白白喪失。

相比之下，VCR的劣勢(shì)就是成本和實(shí)施難度。也正是因此，VCR技術(shù)可能不會(huì)以極快的速度大規(guī)模普及。但是，這一技術(shù)的量產(chǎn)應(yīng)用給今后汽油機(jī)發(fā)展帶來(lái)了一個(gè)非常直接的可選方案。同時(shí)，這也給FEV的技術(shù)做了鋪墊。更重要的是，VCR和米勒可以同時(shí)應(yīng)用，來(lái)獲得更大的設(shè)計(jì)自由度（雖然累計(jì)改善潛力會(huì)略微降低）。