一刀说 | 内燃机顶级技术的Bettle,日产可变压缩比和马自达压燃汽油机谁更牛?

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  林燃Myautotime2天前我要分享

  可变压缩比发动机和压燃式汽油机是内燃机工程师几十年来的两个梦想,在如今电气化风起云涌,内燃机行业深刻变革的时代,我们突然看到两个梦想突然被日产和马自达在2018年不约而同的实现了,让人不胜感慨。

  今天我们一起来看看日产的VC Turbo 和马自达最新的创驰蓝天Skyactive X压燃式汽油机技术的创新之处。

  技术日产的进击

  可变压缩比技术在内燃机行业不是一个新话题,在说到日产的可变压缩比发动机之前,我们先看看可变压缩比的前辈SAAB萨博。

  萨博在2000年的日内瓦车展上公布过他们的可变压缩比概念验证发动机,萨博称之为SVC (Saab Variable Compression萨博可变压缩比)。

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  看看那时候的萨博发动机设计还是很有想法的:1.6L,直列5缸,机械增压,可变压缩比。

  萨博采用的可变压缩比结构和日产不同,日产的方案是改变连杆的杠杆比来实现可变压缩比,萨博的方案是移动缸体实现,最终由于成本和开发费用太高,萨博的SVC没有坚持下来,项目停止了。

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  我们都知道,汽油发动机效率无法进一步提高的主要原因之一就是无法加大压缩比。

  目前主流奥托循环的汽油机压缩比的上限一般认为在11左右,否则会引起爆震,对于增压发动机尤其严重。

  研究表明,如果在部分负荷压缩比从10提高到14的话发动机热效率会提高2%-3%。

  内燃机工程师一直在寻找是否可以使压缩比可变,从而在部分负荷使用高压缩比来实现高的热效率,在全负荷采用低的压缩比来避免爆震的技术方案,这样可以做到性能和油耗的完美平衡。

  由于可变压缩比从结构上比较难以实现,因此工程师提出了各种结构方案,比如,日产VC TURBO发动机的可变压缩比解决方案。

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  日产采用的是一种比较复杂和困难的结构方案:改变连杆和曲轴的连接方式来实现VCR。

  这样的好处是可以实现连续可变压缩比,日产2.0 VC turbo发动机压缩比可以在8-14之间连续调整。

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  此方案结构非常复杂,日产通过20年的努力才做到量产。

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  日产的可变压缩比方案

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  日产可变压缩比技术20年的开发历史

  下图里有一个德国FEV的研究结果,日产的连续可变VCR,NEDC工况油耗可以降低7%以上。

  即使是更接近用户实际使用工况的WLTP工况,也可以降低5%以上,可以说是目前最好的可变压缩比方案了。

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  日产VC Turbo发动机除了核心的可变压缩比技术以外,其他方面也采用了很多当前最先进的技术,见下图:

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  野心勃勃的马自达

  敢与日产VC TURBO发动机的可变压缩比解决方案掰手腕的,是马自达创驰蓝天Skyactive 路径。

  不得不说,内燃机顶级技术领域,几乎是日本人的主场。

  我们都知道,备受瞩目的马自达第二代创驰蓝天Skyactive X发动机将于2019年量产,这是第一个量产的压燃技术汽油机。

  Skyactive X引入了火花塞辅助可控压燃的概念,可以在压燃和普通点燃之间切换。

  这一技术结合柴油机和汽油机的优势,压缩比18,热效率可以达到创记录的50%的水平。

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  说到汽油机压燃技术在内燃机行业也是有前辈的,不得不提的是奔驰早在2007年也展示过压燃汽油机概念。

  奔驰称之为Diesotto,也就是把柴油机循环Diesel和汽油机循环otto两个单词合成的一个词,代表着结合两种技术的优势。

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  奔驰Diesotto压燃式汽油机

  奔驰Diesotto压燃汽油机同样保留了火花塞,在大负荷切可以换成普通的奥托循环,整体概念和马自达目前的Skyactive X的非常相似。

  奔驰这一发动机概念曾经是其发动机的核心战略之一,在2007年后曾经多次跟随奔驰旗舰概念车F700进行概念显示。

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  奔驰F700概念车

  不过随着电气化时代的到来,奔驰后来走向了混合动力技术。

  Diesotto发动机技术被搁置起来,不再继续开发。

  关于如何进一步提升汽油机的热效率,内燃机工程师很早就在思考一个问题,既然柴油机采用的高压缩比压燃迪塞尔循环热效率高,为啥不把这种压燃燃烧循环嫁接到汽油机上来提高热效率呢?

  这样集汽油机和柴油机两者优势于一身的燃烧当时就是均质压燃HCCI。

  如果这种概念可行的话汽油机的压缩比可以提高到18,热效率可以从目前最好的38%-41%的水平提高到50%,这简直是一种飞跃。

  这种想法工程师们进行了几十年的研究,由于存在高压缩比下严重的爆震问题,同时汽油压燃的稳定性控制也非常困难,导致压燃汽油机技术一直没有突破。

  马自达Skyactive X发动机在前人对HCCI发动机研究的基础上,进行了一些重大的改进,使压燃式汽油机具备量产的能力,我们来看看Skyactive X的五大核心技术。

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  第一大核心技术是超高压缩比压燃。

  Skyactive X的压缩比高大18:1,远超一般汽油机的压缩比水平。基于超高压缩比马自达借鉴了柴油机压燃的概念,不过考虑了实际情况Skyactive X仍然保留了火花塞。采用了改良的SPCCI燃烧系统,使压燃汽油机具备量产的可能。

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  第二大核心技术是稀薄燃烧和机械增压器。

  为了进一步提升效率,马自达采用了稀薄燃烧概念。通过机械增压器实现稀薄燃烧所需要的空气量。不过马自达坚持说这个不是传统增压器,只是SPCCI燃烧系统高响应进气控制的一部分。

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  第三大核心技术是EGR废气再循环系统。

  马自达把EGR系统和机械增压器一起作为其控制控制系统的核心技术,用来实现压燃和稀薄燃烧所需要的空气状态。同时EGR还避免SPCCI在稀燃情况下引起的NOX排放问题。

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  第四大核心技术是电动可变气门正时VVT。

  电动可变气门正时VVT调节速度更快,调节角度很大。能够灵活快速的控制残余废气和压缩压力,保证SPCCI的压燃系统在较大的范围内稳定运行。

  第五大核心技术是马自达采用了类似于柴油机的高达1000Bar超高燃油喷射压力,汽油机目前普遍不超过350bar。

  这是SPCCI压燃系统对高压燃油喷射系统的要求,也保证了稀薄燃烧工况的稳定运行。

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  Bettle的结局

  那么问题来了,日产的可变压缩比VC Turbo和马自达的压燃式汽油机谁最强?

  这个问题估计大家都比较关心,两项突破性的技术就行谁才是王者呢?

  第一,发动性能比较。

  日产VCR系统还是基于当前的涡轮增压直喷发动机的技术,通过可变压缩比VCR来进一步优化性能和油耗,因此功率扭矩都非常高。

  2.0T VC Turbo发动机功率能够达到200kW,扭矩能够达到390Nm,性能非常强悍。

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  马自达的SPCCI系统虽然有机械增压器,但是主要不是为了提升性能,几乎还可以看做一个自吸发动机,性能并不是很高。

  2.0L Skyactive X 发动机的的功率只有140kW左右。马自达也意识到了这个问题,在2.0 SKY Active X上集成了微混系统来改善发动机在整车上的性能。

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  从性能上简单这么比较的话,性能上日产VC turbo更强。

  第二,节油效果和热效率比较。

  日产VC Turbo由于还是在涡轮增压直喷+奥托循环的传统燃烧原理下通过可变压缩比系统来发掘潜力,热效率有明显提升但算不上颠覆性的。

  日产自己公布的数据显示研究显示VC Turbo发动机的最高热效率在39%之间。油耗改善根据不同的循环在5%~8%之间。

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  而马自达SKY Active X完全颠覆了原来汽油机奥托循环的基础和限制,另辟蹊径,最高热效率可以达到50%,马自达公布的实际道路驾驶油耗降低能够达到12%以上。

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  马自达3在美国实际道路驾驶工况的油耗比较

  从油耗和热效率比较上马自达Skyactive X完胜。

  第三是NVH特性比较。

  日产VC Turbo发动机复杂的连杆系统除了能够提升效率以外,还带来了额外的NVH优势。

  VC Turbo发动机在做功时可以保持活塞和连杆处于垂直于曲轴的状态,这种情况下就没有了传统发动机做功时活塞所受的侧向力,消除了活塞做功时的侧向力可以减小活塞敲击的声音,同时可以有效的降低二阶激励。因此,日产VC Turbo不再需要平衡轴。

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  马自达SKY Active X发动机有两个对NVH不利的因素:类似于柴油机的压燃系统,会造成比较大的燃烧噪声,可以想像一下柴油机的燃烧噪声。超高压的直喷系统带来的机械噪声。

  因此,从NVH比较,应该日产VC turbo更有优势。

  日产的VCR虽然历经20年研发,但是总归还是在当前已经成熟的增压直喷技术方案上嫁接VCR来进行优化,技术方案上算是突破,可是燃烧原理上是继承的,算不上颠覆。

  马自达的Skyactive X完全是颠覆性的重新定义了一种燃烧方式,甚至让我们重新开始思考内燃机未来的更大的可能性。

  在电动化的大趋势下内燃机技术的进一步发展需要的不仅仅是技术,更需要信念。

  因此,从这个意义上来讲,抛开冷冰冰的数据对比,我觉得马自达Skyactive X压燃式汽油技术更胜一筹。

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