20年磨一劍 聊日產2.0T VC-TURBO發動機

　　[汽車之家 發動機技術]  如果讓我舉一件今年國內汽車發動機領域最重要的事件，我會選4月12日的日產VC-TURBO可變壓縮比發動機在東風日產鄭州工廠正式下線這件事。日產這款VC-TURBO 2.0T可變壓縮比發動機是全球首款量產可變壓縮比發動機，是日產工程師經過20年時間研發的技術結晶，相比現款日產2.0T發動機能降低27%的油耗。該發動機的國產化降低了其制造成本，使得中國消費者能夠以更實惠的價格享受到擁有全球領先技術的發動機產品，也大大增強了日產車型動力系統的競爭力。今天我們就通過現場拆解來了解下VC-TURBO可變壓縮比“黑科技”究竟是怎樣一回事。

● 與競品參數對比

　　已經實現國產的日產2.0T VC-TURBO可變壓縮比發動機代號為“KR20DDT”，目前已經搭載在今年6月份上市的東風英菲尼迪2018款QX50之上，此后也將搭載在本月18日上市的東風日產全新天籟車型之上。

　　搭載2.0T VC-TURBO發動機的英菲尼迪QX50和同級競品相比，在最大功率數據上有一定優勢，體現出可變壓縮比技術在動力輸出性能上的優勢。但從下表我們也可以看到，低扭輸出性能較強的奧迪2.0T發動機（1600rpm時就能輸出370N·m最大扭矩），雖然最大馬力和峰值扭矩參數并不突出，但能夠為車輛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上面這臺發動機的油耗表現也是可圈可點的。

　　據官方介紹，實際上KR20DDT發動機經過調校也能夠在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，最大扭矩輸出轉速被調高了。等到新車型換用新的變速箱后，KR20DDT發動機被“封印”的低扭才會被完全釋放。

● 可變壓縮比是怎樣實現的？

　　從本文標題你們或許已經看出一點端倪，可變壓縮比技術實際上已經有二十多年歷史了。薩博（Saab）在上世紀80年代末開始研究可變壓縮比發動機，通過可移動的氣缸蓋和缸筒來實現壓縮比的改變，并在1990年申請了相關技術專利，之后推出了SVC可變壓縮比發動機。自此各整車廠商便開始可變壓縮比發動機的研究。

　　為了規避專利訴訟，各廠家實現可變壓縮比的方式不盡相同，驗證設計概念的發動機數目不少，但基本上都未實現大規模量產，原因集中在可靠性、耐久性、小型化、運轉效率等問題上面。

　　據官方稱，日產這款2.0T VC-TURBO發動機的研發資金高達200億美元，究竟這款日產斥巨資開發出來的發動機是通過什么方式來實現壓縮比改變的呢？下面我們一起來了解一下。

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『日產2.0T VC-TURBO發動機可變壓縮比機構實拍視頻』

　　細心的朋友可能會注意到，VC-TURBO發動機和傳統發動機相比，少了曲軸底部的平衡軸，沒有了平衡軸是不是意味著發動機的抖動就會變大呢？事實并非如此。VC-TURBO發動機的多連桿結構能夠使發動機活塞運動更接近正弦曲線，有利于四個氣缸工作時產生的帶有相位差的振動相互抵消，從而提升發動機工作時的平順性。

　　與傳統的活塞式發動機相比，2.0T VC-TURBO發動機的活塞/曲軸/連桿機構增加了多個摩擦副。這理論上會增加發動機的運轉摩擦，降低發動機運轉時的效率。但也是由于多連桿機構的設計，2.0T VC-TURBO發動機上與活塞相連的那根連桿在發動機運轉時的擺動幅度變小了，這使得活塞處于上止點時，連桿最大程度地保持垂直狀態，這樣在做功行程初期，點燃混合氣產生的沖擊力不會使活塞產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44%，對沖了摩擦副增加造成的負面影響。

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『VC-TURBO發動機與傳統發動機工作情況對比視頻』

　　控制電機（帶位置傳感器的無刷電機）經過減速器減速增扭后，通過A連桿來轉動偏心軸，偏心軸的轉動會改變多連桿系統的結構，從而同時改變四個氣缸活塞上止點和下止點的位置，使得發動機的壓縮比能夠在8:1至14:1之間變化。據官方資料介紹，發動機壓縮比從14:1降低至8:1的過程中，活塞上止點下移了6mm，活塞行程由88.9mm增加值至90.1mm，排量由1970cc增加至1997cc。而發動機壓縮比從14:1降低至8:1的用時大約為1.2秒。

● 可變壓縮比控制策略是怎樣的？

　　從2.0T VC-TURBO發動機的MAP圖我們可以看到，該發動機中低轉速、中低負荷工況采用的是14:1的高壓縮比，以提升發動機的燃油經濟性；高負荷、高轉速工況采用的是8:1的低壓縮比，一方面是為了輸出更強的動力，另一方面能夠避免爆震的發生從而提升發動機運轉的平順性。而上述兩種工況區之間的過渡區則會根據實際工況在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是能夠連續動態地調節發動機的壓縮比的。對于不同標號或不同品質的汽油，ECU會根據來自爆震傳感器的數據在全工況范圍內動態微調壓縮比數值，以保證發動機平穩運轉，加強發動機對油品的適應性。雖然日產官方推薦該發動機使用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濟性會有所減弱而已，并不會損壞發動機。除了油品的影響，ECU還會考慮環境溫度、冷卻液溫度、海拔（空氣密度）等參數來設定發動機的最優壓縮比。

● 采用主流硬件技術配置

　　2.0T VC-TURBO發動機除了可變壓縮比這個技術亮點外，其上還搭載了眾多主流的發動機技術配置，其中包括混合噴射（歧管噴射+缸內直噴）、雙循環（阿特金森循環+奧托循環）、進/排氣可變氣門正時、集成式排氣歧管、變排量油泵、電控渦輪排氣旁通閥、電控冷卻液循環系統等。

　　阿特金森循環也被稱作米勒循環（因為馬自達把“米勒循環”注冊為專利，所以其他廠商只好用“阿特金森循環”來稱呼這種發動機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動機工作模式，它能夠更有效地利用混合氣燃燒產生的能量，所以相比傳統的奧拓循環工作模式有更好的節油效果。關于阿特金森循環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 拆創馳藍天2.0L發動機》的相關介紹。日產2.0T VC-TURBO發動機和大部分主流同級發動機產品一樣，都能夠根據工況在阿特金森循環和奧托循環之間切換，以更好地平衡發動機的動力性能和燃油經濟性。

　　日產這款2.0T VC-TURBO發動機，除了具備獨創性的可變壓縮比功能外，還大量應用目前發動機行業的主流技術配置，以保證其在同級產品中具有足夠強的競爭力。

● 下一階段的目標——45%熱效率

　　據日產的工程師透露，2.0T VC-TURBO發動機的下一階段目標是實現45%的熱效率。目前2.0T VC-TURBO發動機的熱效率約為38%左右。而達成45%熱效率的途徑官方沒有透露太多，只是說2.0T VC-TURBO發動機的活塞行程還有進一步加大的空間。而增大活塞行程是提升發動機物理壓縮比的方法之一。從行業趨勢來看，下一代2.0T VC-TURBO發動機采用更高壓縮比的HCCI均質壓燃技術（不通過火花塞點燃混合氣，而是利用超高壓縮比讓混合氣自發燃燒）幾率很大。而作為汽油壓燃技術的配套，噴射壓力在350bar以上的燃油噴嘴、大控制角度的電驅氣門正時系統、水冷式廢氣再循環系統、電動渦輪增壓器等目前業界前沿的硬件配置很可能會出現在下一代日產VC-TURBO發動機之上。

　　“均質燃燒”中的“均質”，指的是混合氣的狀態，遍布氣缸內的混合氣的汽油濃度是均勻的。通過活塞對氣缸內的均質汽油混合氣施加壓力導致混合氣升溫，當溫度上升至一定程度，氣缸各處的混合氣會同時燃燒。均質壓燃技術提升了汽油發動機在中低負載工況下的稀燃極限，提升了發動機的燃油經濟性。（更多關于HCCI均質壓燃技術的介紹，可參看《汽油機也壓燃？ 聊全新創馳藍天發動機》）

● 全文總結：

　　作為發動機領域的“少數派”，日產2.0T VC-TURBO可變壓縮比發動機在技術上有其獨一無二的創新之處，能更好地平衡發動機動力性能和燃油經濟性能是這款發動機的優勢之一。20年的技術積淀，使得這款發動機在設計、性能、加工工藝、耐久性等方面都已經優化至一個較高的水平。然而，面對一款創新性的發動機產品，消費者們大多會持觀望態度，復雜的可變壓縮比控制機構可靠性是否真的經得起中國市場驗證呢？這個問題在東風日產的走量車型——全新天籟上市一段時間之后便能見分曉。（圖/文/攝 汽車之家 常慶林）