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省油还给力!日产VC-Turbo发动机拆解

更新时间:2018-12-07 00:00:00    来源:爱卡汽车    手机版

省油还给力!日产VC-Turbo发动机拆解

爱卡汽车 2018-12-07 00:00

[爱卡汽车 科技频道 原创]

“这是最好的时代,也是最坏的时代。”用狄更斯在《双城记》中的这句话来形容内燃机所处的当下时代似乎再恰当不过。一方面,在电动浪潮下,内燃机的地位正在被电驱系统不断的挑战,另一方面,日益严苛的排放和环保法规迫使着内燃机技术不断升级,一大批“变态”发动机不断涌现,向人们证明着内燃机还有无限的潜能。

日产推出不久的VC-Turbo可变压缩比发动机便是这个时代最具代表性的发动机,此前,虽然我们已经对其进行过多次解读,但始终没有进行过拆解,而这一次我们拿到了实物,如愿以偿。

关于这台发动机,不少人应该有所了解,日产这款代号为KR20DDT的发动机是目前世界上唯一量产的可变压缩比发动机,其从概念提出到最终量产共经历了20年的时间,一代日产工程师为其付出青春岁月,从中不难看出日本汽车产业能够取得如今成就不是没有道理的。

日产VC-Turbo可变压缩比发动机

日产早在1998年就提出关于可变压缩比的构想,20年中经历了基础研究、应用开发、先行开发和量产开发四个阶段,伴随着材料技术、电控技术和加工技术的不断进步这款发动机最终成功量产。

这款发动机除了搭载在英菲尼迪QX50上,在本月18号上市的全新一代天籁车型上也会搭载这款发动机,不难看出这款可变压缩比涡轮增压2.0T发动机未来会成为日产家族的主力机型。

同如今的发展趋势相同,发动机排量小型化会成为日产动力系统的主要进化方向,之前的4缸、6缸和8缸产品序列会演化为3缸、4缸和6缸产品序列,其中4缸发动机分为自吸和可变压缩比两款。

一、为何将压缩比设为可变?

同可变气门升程、可变气门正时等技术诉求相同,固定的结构设定意味着发动机的最佳工作区间会受到限定。一般情况下,发动机的压缩比越高就越能压榨燃料中的能量,提升发动机的燃烧效率,但过高的压缩比也会带来爆震等一系列问题,厂商需要做的就是权衡利弊选定最为合适的那个数值,但发动机的运行工况总是处于变化中,固定的压缩比数值往往就限制了发动机的潜能,可变压缩比概念的提出则是为了打破这种局限性。

首先,我们先来了解一下压缩比的概念。活塞上上下下运动,上下两个顶点(也就是所谓的上止点下止点)之间的气缸内体积之比叫做压缩比。

其实能够实现压缩比可变的方式有很多,但综合考虑成本、耐久性、可靠性和结构紧凑性等因素,采用多连杆支点位置可动的方式最为靠谱,日产VC-Turbo发动机正是采用了这一结构。

日产VC-Turb发动机通过这套机构可以实现8:1 - 14:1 之间任意压缩比的智能切换,兼顾燃油经济性和动力性。

当以经济时速行驶时,活塞会上升,这时候发动机的压缩比为14:1,让燃料充分燃烧,达到了最大燃油经济性。如果你想要减小压缩比,那么只需脚踩油门的力度更大,ECU会接收到信号,同时将信号发送给谐波驱动轮,谐波驱动器会带动控制臂和控制轴。接下去,控制轴会围绕曲轴移动,控制轴发生角位移会导致曲轴连杆的行程发生变化,最后与曲轴相连的活塞行程会降低。最终,发动机的压缩比可降到最低的8:1,通过充足燃油供给和高转优势来提供更强的动力性能。

从实物来看,这套机构并没有显得多么复杂,整体对传统发动机结构改动不大,这是其能顺利量产的基础。

另外,这款发动机对体积控制非常到位,相比传统发动机,这款发动机虽然加入了可变压缩比机构,但是其大小和普通发动机没有太大差别,其在发动机舱中的布置会更加灵活,适配车型非常广泛。

从侧面剖面图来看,其可变连杆机构占据了常规发动机的平衡轴位置,因此纵向尺寸并没有太大变化。

这套可变压缩比机构的另一个重要组成就是控制电机,其通过无刷电机的旋转来带动控制臂的摆动,进而驱动可变连杆机构的运转。

可变压缩比执行机构

二、其他亮点技术

除了压缩比可变之外,这款VC-Turbo发动机还应用了双喷射系统、双循环工况、可变容量机油泵、宽范围涡轮增压器、进排气双可变气门正时和集成式排气歧管等技术,以进一步提升发动机的性能。

发动机作为一个异常复杂的系统,实现热效率提升需要很多细节技术的优化和改进,需要各机构和系统的配合。

这款发动机同大多数小排量涡轮增压发动机一样,采用了集成式排气歧管设计,这样的设计有利于缩小发动机体积,减轻发动机重量。

另外,排气歧管集成在缸盖内,发动机启动之后,较高的废气温度可以让发动机水温尽快达到最佳工作温度,有利于发动机燃效提升,同时减少污染物排放。较短的排气歧管让废气能更早到达涡轮增压器,有利于提升涡轮增压器的响应速度。

说到涡轮响应,这款发动机采用了低惯量宽运行范围涡轮增压器,其还可以配合发动机不同的压缩比来实现不同的增压值。

不同涡轮叶片的形状和数量对于涡轮的响应速度都有影响,低惯量涡轮增压器正是对这两方面做出了优化。另外,涡轮的轴承等都采用了低损耗的零件。

为了配合发动机的可变压缩比,这台发动机还采用了双喷射系统。

这两种不同燃油供给方式有着不同优势,歧管喷射将燃油和空气预先混合,在低负荷情况下燃油与空气混合更加充分,燃烧效率更高。可以看到歧管燃油喷嘴采用了10孔设计来提升燃油雾化效果。

缸内直喷将燃油直接喷射到气缸内,可以精准控制油量,同时在中高负荷情况下可以为发动机提供充足的燃油供给,提升发动机的动力表现。此时发动机的歧管喷射就不再工作,只是由缸内直喷来提供燃油供给,同时为了提升燃油与空气的混合效果,缸内直喷会在进气行程提供2-3次喷射。

因为这台发动机的缸内直喷喷嘴采用的是斜置,因此其喷油孔也对应的采用了偏置设计,目的同样是提升燃油与空气的混合效果。

进排气双可变气门正时已经不是什么新鲜技术,在这台发动机上进气门的正时调节器并没有采用传统的液压机构,而是采用了电机控制,无论是控制精度还是响应速度都要更快。

另外凸轮轴上的凸轮采用非等宽设计,由于凸轮基圆处压力较小,所以凸轮基圆宽度进行了窄化处理,在高速转动时可以大幅减少摩擦阻力,减少无用损耗。

在减摩技术方面,这台发动机还采用了缸体熔射技术,缸体内腔采用了低摩擦镜面涂层,可以减少44%的活塞摩擦损失。

这部分设计和欧洲车企采用的发动机气缸技术呈现出明显的差异化,欧洲车企在气缸壁设计上虽然也会采用涂层技术,但是气缸内壁并不是光滑的镜面结构,而是布置有一层细密的纹路,这些细密的纹路可以贮藏机油,可以提升气缸壁和活塞之间的润滑效果,减少摩擦。而日系发动机常采用非常光滑的镜面机构,润滑更多是通过特殊设计的油环刮油来实现。

编辑点评:日产VC-Turbo可变压缩比发动机开创了一个新的局面,其独创性和技术先进性让其面对现阶段的排放和环保法规绰绰有余,但从技术角度来看,这款发动机还有很多保守之处,相信是为未来的升级留下了可操作空间,其中不少零部件依旧采用机械驱动形式,相信如果换装为电控元件,其燃油效率会有进一步的提升。

其他技术亮点


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