內燃機絕唱？聊聊VC-TURBO背后的故事

　　 [汽車之家 技術] 電動車、新能源技術的推廣似乎讓傳統動力的發展變得愈加艱難，“20XX年完全實現電動化……從2025年起不再銷售汽油車（荷蘭）”這些政策和趨勢似乎也在預示著燃油車末日的到來，但事實真的如此嗎？就在今年，英菲尼迪QX50（日產可變壓縮比VC-TURBO發動機）橫空出世，再一次將傳統內燃機推到了臺前，我們再一次感受到了機械的魅力,但也隨之帶來了一個疑問，可變壓縮比發動機是否是內燃機最后的絕唱？畢竟就目前來看內燃機從結構上講幾乎不可能再有大的改變……

　　這篇文章，我們從歷史上內燃機的幾次大的技術革新講起，從米勒循環到阿特金森循環，從化油器到缸內直噴，從自然吸氣到渦輪增壓，最后來到汽車人們都無限向往的“可變技術”……

■英菲尼迪QX50，帶來的是內燃機的絕唱還是一個新時代的升起？

　　說起可變壓縮比，其實過去的一些發動機上也有應用，比如馬自達創馳藍天發動機或者豐田混動的阿特金森發動機等，但這些可變壓縮比技術從本質上講是對可變壓縮比改變并不大，都是通過調整配氣程序，讓發動機的膨脹比大于實際壓縮比來實現。

　　縱觀汽車的歷史，一臺能真正量產的可變壓縮比發動機絕對能進入改變汽車歷史的“名人堂”，畢竟在內燃機發展的近百年來，物理結構上的改變并不多，而正因為幾乎定型的發動機結構，才讓這臺可變壓縮比發動機的顯得尤為珍貴。當然，可變壓縮比發動機的出現也不是一蹴而就，這是日產經過20年，200億美元一點點積累研發出來的，這是一代代發動機從歧管噴射到直噴，從自然吸氣到增壓，從單氣門到多氣門再到雙頂置凸輪軸，一步步進化，一代代發展來的…而最初的故事要從最早的四沖程發動機說起。

■咖啡推銷員和他的世界上首臺四沖程發動機

　　1832年6月14日，德國一個普通工匠的家庭迎來了他們的第六個孩子Nicolaus August Otto（尼古拉斯·奧托），奧托從1838年開始上學，從小便表現出了對科學和技術的濃厚興趣，這種情況一直持續到高中。

　　如果按照一般的劇本，奧托這一生似乎會在銷售公司完成自己整個的職業生涯，但命運就是這么神奇，熱愛科學和技術的奧托在1860年秋末一個偶然的機會了解到了比利時工程師勒努瓦正在設計制造一種新型的發動機。

　　奧托對勒努瓦的發明十分著迷，于是和自己的兄弟一起仿制了勒努瓦發動機，并對其進行了改進，使用了液體燃料，雖然最后在申請專利時被當時的普魯士商務部拒絕了，但卻讓奧托意識到了液體燃料壓縮這個方向，如果用現在的眼光看，這就是燃油噴射的雛形。

　　奧托在同年也了解到了這位法國工程師的理念，這個原理與自己的壓縮燃料概念有些不謀而合，于是奧托在1861年使用了這一原理制造了一臺發動機，不過很遺憾這臺發動機只運行了幾分鐘，但不可否認的是，這是世界上第一臺四沖程發動機原型機。

　　奧托循環是目前大部分發動機的工作方式，工作的一個周期是由吸氣過程、壓縮過程、膨脹做功過程和排氣過程這四個沖程構成。

　　首先活塞向下運動使燃料與空氣的混合體通過一個或者多個氣門進入氣缸，關閉進氣門，活塞向上運動壓縮混合氣體，然后在接近壓縮沖程頂點時由火花塞點燃混合氣體，燃燒空氣爆炸所產生的推力迫使活塞向下運動，完成做功沖程，最后將燃燒過的氣體通過排氣門排出氣缸。

　　自從奧托發動機問世后，后面的事情估計大家就很熟悉了，曾經是奧托公司的工程師戴姆勒和邁巴赫制造了第一臺往復式四沖程汽油發動機。后來在1886年初夏，德國人卡爾·本茨將自己研發的二沖程汽油發動機裝在了一臺三輪車上，成為了世界上第一臺標準的汽車。

　　回到奧托循環這個話題，在奧托發明自己的發動機之前，其他的內燃機馬力都比較小，用在汽車上基本是不可能的，但奧托發動機卻可以實現這一點，除此之外，奧托循環也將膨脹比和壓縮比的概念真正應用到了發動機上面，可以毫不夸張的說，奧托先生算是汽車發動機歷史上真正的創造者之一。

■混動汽車發動機師祖——詹姆斯·阿特金森

　　阿特金森，又是一個如雷貫耳的名字。詹姆斯·阿特金森1846年出生在英國漢普斯特德，他在1882年帶來了與奧托循環發動機完全不同的阿特金森發動機。

　　阿特金森發動機的出現改進了奧托循環發動機的燃油效率，雖然每個氣缸的功率變低，但為未來的汽車工程人員提供了更多的關于解決動力和油耗這一對看起來不可調和的對手之間方式，為可變壓縮比和后來的米勒循環都帶來了深遠影響，而詹姆斯·阿特金森也永遠不會想到在21世紀人們會把阿特金森發動機改進的如此成功。

■58年后的進化——米勒循環

　　阿特金森設計的共同點是發動機的膨脹沖程比壓縮沖程長，并且通過這種方法，發動機實現了比傳統活塞發動機更高的熱效率。到了1940年，美國工程師羅爾夫·米勒（Ralph Miller）重新對不對等的膨脹比/壓縮比進行了改進，通過對進氣門進行開度時間的控制來調整壓縮比。

『奧托循環』

『米勒循環』

　　在設計之初，這種發動機有兩個技術點一個是機械增壓，一個是進氣門延遲關閉。米勒循環在進氣后的壓縮階段，進氣門會晚一些關閉，也就是活塞在上升時，進氣門還是處于開啟狀態，所以有部分在汽缸的氣體會重新進入進氣歧管，并在機械增壓的作用下保持氣壓，故下一次的進氣沖程中可提高進氣效率且減少泵壓損失。可是這樣也造成實際上的壓縮空氣沒有比進氣時的多，而降低壓縮比。

　　雖然米勒循環發動機在發明之初并不受關注，但對后來的日本汽車產生了深遠影響，馬自達、豐田、本田都是米勒循環發動機的忠實“粉絲”，除此之外大眾的EA888 TSI也應用了米勒循環發動機原理。

　　從1876到1940這六十多年，汽車技術發生了翻天覆地的變化，汽車人才也是群星閃耀，這64年間基本上奠定了發動機工作的三種主要原理，同時創立了壓縮比、膨脹比等內燃機概念，這對未來可變壓縮比發動機的研究打下了堅實的基礎。

　　本期的內容到這里就告一段落，下一期我將著重給大家介紹增壓技術，可變正時技術以及歧管噴射和直噴等近現代發動機技術的故事和發展，敬請期待。（圖/文 汽車之家 冷曉陽）

　　 [汽車之家 技術] Hello，大家好，我們冷歷史的第二篇終于“千呼萬喚始出來”跟大家見面了。上一期我們已經為大家介紹了內燃機（乘用車領域）三大循環背后的奇聞軼事，這一期我們將結合汽車歷史上的大佬，給大家帶來關于缸內直噴、可變壓縮比、發動機的物理結構等內燃機的歷史故事，廢話不多說，我們把目光投向1882年……

■摩托車之父還有增壓技術的專利？！

　　說起德國的大發明家Gottlieb Wilhelm Daimler（以下簡稱戴姆勒）先生，大家腦�？隙〞‖F出他與邁巴赫研究的汽車發動機和后來的戴姆勒-奔馳公司，但實際上，戴姆勒還是世界上第一個小型高速發動機的發明者。我們上篇曾經提到過奧托先生，戴姆勒就是在奧托的公司中擔任工程師，但在研發過程中，戴姆勒和奧托曾出現過嚴重的分歧。

　　這一年，在世界上第一臺摩托車的光環下面還有一個不為人知的專利：這是一個使用齒輪驅動的泵體，它的作用是可以迫使空氣進入發動機。這也成為了有記載的世界上最早的將空氣主動送入發動機內的增壓技術。

　　這一年，專注于研究內燃機效率和排氣熱損失的AlfredBüchi從戴姆勒的專利中得到了靈感，他設計了一個軸向的壓縮機，通過活塞式發動機排出的廢氣來推動壓縮機運轉，通過壓縮機為內燃機提供更多空氣。這個原理非常的簡單，以至于從渦輪增壓器發明以來都一直延續著這個思路，而1905年也被人們稱為渦輪增壓的元年。

　　雖然渦輪增加發動機可以帶來明顯的動力提升，但由于當時發動機技術并不成熟，因此經常出現故障，最終奧茲莫比爾在一年后就停止了這臺發動機的供應。雖然這臺發動機停止了使用，但渦輪增壓技術徹底在車企中流傳開來。

　　到了近現代，渦輪增壓技術更得到了長足進步和升級。比如可變截面渦輪增壓、雙渦輪增壓、電動增壓器等一系列衍生。其中可變截面渦輪增壓和電動渦輪增壓器是目前比較有科技點的技術。先來看看可變截面渦輪，我們知道渦輪增壓器會在排氣量小的時候無法達到工作轉速，此時基本無法發生作用，此時渦輪增壓發動機動力就會很小，那么小排量發動機一般會用一顆小慣量渦輪，但這種渦輪增壓器在高轉速時，由于排氣截面小，會讓排氣阻力增加，從而影響發動機功率和扭矩。

　　渦輪增壓技術是航空領域典型的技術下探后的產物，它的誕生對汽車發動機技術產生了深遠影響，為解決動力和排放的平衡作出了巨大貢獻，在未來渦輪增壓技術也將會越來越實用和廣泛。

■從缸外到缸內再混合，看糾結的燃油噴射歷史

　　缸內直噴的專利是與V8發動機一起誕生的。1902年夏天，法國飛機設計師和發明家LéonLevavasseur在制造飛機發動機的時候，研制出了一款V型的8缸發動機，它的燃油供給系統就是一套缸內直噴機構。

　　這套缸內直噴系統由博世公司提供，發動機最大功率能達到222Ps，不過需要注意的這套缸內直噴系統是機械噴射，而不是我們現在的電噴。

　　進入20世紀90年代，缸內直噴取得了重大進步，各大主機廠都推出了缸內直噴的車型，但盡管缸內直噴已經成為主流，傳統的進氣道噴射卻依然有生命力，因為缸內直噴在低速狀態下容易積碳，進氣道噴射則是容易燃燒不充分，聰明的工程師想到了將兩者進行結合。

■大眾、奧迪玩不下去的稀薄燃燒又讓馬自達搞起來了？

　　改善燃燒方式、優化進氣效率同時減少摩擦、降低熱量損壞是提高發動機熱效率的主要技術路線，前面我們已經講了進氣效率等方面的發動機技術特點，下面我們再看看燃燒方面。在燃燒方面比較有顛覆性也是目前車企都在研發的重點就是HCCI（均質壓燃）。

　　HCCI是解決“稀薄燃燒”的重要關鍵，它的出現可以對每一滴燃油的壓榨更純粹。這項技術雖然在90年代就被提出并開始試驗，但當時電子技術并不成熟，現在隨著電子技術的發展HCCI開始被我們熟知，這也是未來內燃機研究的一個重要方向。

■日產可變壓縮比發動機問世，內燃機終結還是新生？

　　來到了最后一節，我們終于要聊到可變壓縮比技術�？赡芸次覀冞@個系列文章的朋友有些疑問，當我們在聊可變壓縮比發動機我們到底在聊什么？其實第一篇和第二篇的這些影響了發動機的技術亮點都是可變壓縮比發動機的基礎，而對于可變壓縮比發動機這也是發動機再發明后這么多年來唯一的一次在結構方面的改變，展望未來，發動機結構上的改變就目前的技術儲備來說基本是“前無古人后無來者”了，因此最后一節我們回到文章最初提到的“可變壓縮比發動機是否會成為內燃機絕唱？”

　　 當時日產也對這個技術進行了立項，跟其他車企一樣，日產在初期也遇到了很多了困難，當時誰都沒把這種前瞻性技術當成一回事，甚至還質疑為什么進行可變壓縮比的開發。

　　 其他的幾種方案，日產認為都無法對變量進行精確把控，尤其是在氣缸蓋進行調節的方案，日產曾做過相關研究，但由于此處在發動機啟動后溫度較高，對于機構的控制比較困難，同時制造工藝也無法滿足。

　　 其中多連桿機構是設計最復雜也是最精妙的地方。在開發初期，這套多連桿結構體量比較大，當裝配到發動機上后，發動機不但沒有變小，反而體積有所增加，所以首先進行是小型化研究。工程師先對L型連桿進行了縮小，減小它的變形量，另一個是將連桿的長度縮短。

　　有了這套多連桿機構再配合雙噴射系統，日產的這臺可變壓縮比發動機基本上是完成了壓縮比可變的硬件配置。那么在實際情況下是如何工作的呢？

　　 如果在運動模式下發動機會進入低壓縮比模式，大約在8:1，此時燃燒室變大，扭矩變大。在實際駕駛情況下，這種壓縮比的切換是“無級”進行的，全部由電腦根據傳感器進行智能切換。

　　編輯總結：壓縮比可變是發動機領域上百年來的夢想，想要發動機動力上來，熱效率就肯定會高，但問題是壓縮比大也容易發生爆震，這樣對發動機肯定是有損壞的，因此又想壓縮比高又不想爆震，還要有好的加速和大扭矩，這種“魚和熊掌兼得”的好事只有壓縮比可變才能解決。

　　上一期的三大燃燒循環，這一期的渦輪增壓、直噴以及稀薄燃燒等技術都是為發動機技術的發展奠定了基礎，可變壓縮比的成功出現可謂是站在巨人的肩膀上，一步步走來。當然，這也與日產對技術孜孜不倦的研發息息相關。壓縮比的隨心所欲意味著發動機任何情況下滿足動力要求的時候都能夠讓我們的油耗比處于最佳狀態，這種情況只能靠可變壓縮比主動管理實現。而至于日產可變壓縮比發動機的出現是否是發動機最后的光芒，我認為恰恰相反，這絕對不是最后一臺可變壓縮比發動機，肯定會有更多廠商進入這個領域，與混動車相比，誰笑到最后還不一定。

　　另外透露一句，我今年曾經在東風汽車試驗室見到過東風的可變壓縮比樣機，已經進行試驗。（汽車之家 圖/文 冷曉陽）