通過變壓縮比技術(shù),可增強產(chǎn)品設(shè)計自由度！

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。該車將于下個月的巴黎國際車展正式亮相。這是自從各大公司于上世紀(jì)末開始研究此類技術(shù)以來的第一款量產(chǎn)發(fā)動機(jī)，此舉對內(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)動機(jī)數(shù)據(jù)相當(dāng)，所以今后將會取代3.5升自然吸氣發(fā)動機(jī)。

根據(jù)日產(chǎn)的數(shù)據(jù)，相比該3.5升發(fā)動機(jī)，新的2.0升產(chǎn)品可降低油耗27%（這也同時從一個側(cè)面證明了適度小排量化帶來的改善）。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)動機(jī)和增壓發(fā)動機(jī)的最核心區(qū)別之一。為了克服爆震問題，增壓發(fā)動機(jī)需要降低壓縮比，而這一舉動將會降低發(fā)動機(jī)的效率。有了VCR，就可以在低載荷時使用高壓縮比提高效率，在高載荷時降低壓縮比克服爆震。其實就像電噴，柴油共軌，可變氣門正時等技術(shù)一樣，給內(nèi)燃機(jī)加入更多的智能控制系統(tǒng)來適應(yīng)不同的場合，就像正式場合要喝葡萄酒香檳，看歐洲杯喝啤酒，擼串要喝二鍋頭。

下面這張圖對比了在同一進(jìn)氣量和噴油量時不同壓縮比帶來的影響。高壓縮比（CR）由于受到爆震限制無法達(dá)到最大效率（最高發(fā)動機(jī)輸出載荷BMEP）。而過低的壓縮比雖然可以達(dá)到局部優(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，因為柴油機(jī)壓縮比一般大致在15左右（當(dāng)然，柴油機(jī)在滿載也會受到最大缸壓的限制，VCR仍能帶來幫助），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)動機(jī)了（實際馬自達(dá)本來也在開發(fā)增壓發(fā)動機(jī)，不過暫時沒有使用VCR）。而增壓發(fā)動機(jī)也不用再為了損失的壓縮比操心了。（媽媽們再也不用擔(dān)心工程師孩子在自吸派和增壓派之間難以取舍了）

其實，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年注冊相關(guān)專利。下面兩個圖分別是日產(chǎn)注冊的專利，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)來改變發(fā)動機(jī)壓縮比。

日產(chǎn)2014年VCR專利

日產(chǎn)量產(chǎn)VCR技術(shù)說明（通過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，VCR技術(shù)有多種實現(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，耐久方面相對會更可靠，同時也會保證額外的摩擦損失不增加太多。不過，缺點也比較明顯，就是其對內(nèi)燃機(jī)整體設(shè)計的改變較大，無法像FEV可變Conrod產(chǎn)品那樣直接應(yīng)用于已有發(fā)動機(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VCR和米勒及阿特金森循環(huán)有著異曲同工之處，都是通過各種方式來改變發(fā)動機(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)勢就是實施相對簡單，通過改變進(jìn)氣時間來實現(xiàn)不會對發(fā)動機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)帶來過大變動（最原始的阿特金森實際也是類似VCR的技術(shù)）。但是米勒和阿特金森最大的劣勢就是損失的缸內(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的劣勢就是成本和實施難度。也正是因此，VCR技術(shù)可能不會以極快的速度大規(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)展帶來了一個非常直接的可選方案。同時，這也給FEV的技術(shù)做了鋪墊。更重要的是，VCR和米勒可以同時應(yīng)用，來獲得更大的設(shè)計自由度（雖然累計改善潛力會略微降低）。