技术过剩还是误入歧途 技术日产的“传统”创新

内燃机工程师的一切努力，都是为了提升燃油效率。目前，活塞式发动机仍然是汽车的主要动力来源。不过自诞生以来，活塞式发动机的工作原理，并未发生根本变化。常见的四冲程活塞式发动机，仍然遵循进气、压缩、做功（膨胀）、排气的基本模式。仅以汽油发动机为例：从化油器到机械式燃油喷射，再到电控燃油喷射、缸内直接燃油喷射；从侧置气门到顶置气门；从侧置凸轮轴到顶置凸轮轴；从不可变气门正时到可变气门正时及升程；从自然进气到强制进气……工程师的努力创新让我们看到了种种可能。

今天的故事主角是日产的 VC-Turbo 发动机，它的最大特点在于其投入量产的可变压缩比技术。所谓压缩比，是指发动机活塞运行到下止点时的气缸容积，与活塞运行至上止点时气缸容积的比值。通常而言，发动机的压缩比越大，燃油的热效率也就更好。但凡事皆有两面性，压缩比变大，也会带来机械效率变差、发动机爆震等负面影响。过去的推杆式（侧置凸轮轴）汽油发动机，压缩比通常介于 6.0:1-10.0:1 之间，而顶置凸轮轴结构的汽油发动机，压缩比普遍为 9.0:1-12.0:1 左右。柴油发动机的压缩比通常为 12.0:1-22.0:1 之间。当然也有例外，比如马自达的创驰蓝天汽油发动机，最高压缩比达到 18.0:1，而某些高增压值的柴油发动机，压缩比仅为 8.0:1 左右。在不改变点火（喷油，仅限柴油发动机）时间和配气相位的前提条件下，固定压缩比的发动机仅能在部分转速区间表现出良好的工作性能。但发动机技术是庞大而复杂的系统工程，而非某一个单一的体系或学科所能决定。电子点火、燃油喷射和气门控制技术的加入，已经为发动机性能的提升，提供了有力的技术支撑。如果让发动机压缩比也变成一个变量，活塞式发动机自然也就能够在更广泛的转速区间，提供更优秀的性能。

事实上，工程师们针对可变压缩比技术的研究，已有近百年的历史。早在上世纪 20 年代，英国工程师 Harry Ralph Ricardo （他在 1927 年创办的里卡多公司，如今已经成为全球最重要的汽车咨询公司之一）就制造并测试了第一台可变压缩比发动机，不过 Ricardo 当时的目的是研究并解决发动机爆震的问题，这项工作帮助他设计了沿用至今的辛烷值评级体系。其后，包括标致-雪铁龙、雷诺、萨博、沃尔沃、现代、丰田、日产在内的各大公司都进行过可变压缩比相关系统的研究工作，但多数成果在实验室阶段便草草收场。主要原因同样在于发动机的复杂性，不仅要考虑可变压缩比带来的复杂结构，还要考虑到冷却、润滑、进排气系统以及材料工艺。有些奇思妙想虽然优秀，但却难以转化为实际，而复杂的结构同样会带来高昂的制造成本，进而难以实现量产。

日产于 1996 年开始研发这台 VC-Turbo 发动机，作为可变压缩比发动机的关键部件，他们在 1998 年发明了这套多连杆机械装置。在整个研发过程中，他们制造了超过 100 台原型机用于测试。而 VC-Turbo 发动机也经历了超过 300 万公里的路试，总测试时长超过 3万小时。尽管日产方面并未做更多说明，但可以想象，VC-Turbo 发动机的研发工作始于“技术日产”的狂热阶段，其后，深陷泥潭的日产不得不在 1999 年与雷诺结盟。而日产的可变压缩比技术研发工作，也极有可能经历过生死难定的摇摆期，甚至曾经被束之高阁。至少以日产当时的财务状况，不太可能拿出更多的资金，继续从事这项风险极高的研发工作。

通常而言，要改变发动机压缩比，只能通过改变活塞高度、连杆或曲柄的长度、燃烧室的几何形状来实现，其实这些手段直接改变的是活塞顶部与燃烧室顶部的相对位置关系。日产的工程师采用一套多连杆系统和一个带有谐波减速齿轮的电动机改变 VC-Turbo 发动机的压缩比。电动机通过谐波减速器（日产称之为谐波驱动器）与执行臂连接，电动机转动后，通过谐波减速器的转动，移动执行臂，执行臂会推动发动机下部的偏心控制轴旋转，带动下连杆向上或向下移动，从而改变多连杆机构的角度，而多连杆机构的变化，会调整气缸内活塞上止点的位置发生变化，从而实现对发动机压缩比的控制。偏心控制轴会同时改变所有气缸的压缩比，因此发动机的排气量可以在 1997cc （低压缩比，8.0:1）和 1970cc （高压缩比，14.0:1）之间变化。

当然，仅仅改变压缩比是不够的。通过可变气门控制系统，VC-Turbo 可以在高效率的阿特金森循环和常规的奥托循环之间无缝切换。另外，工程师还为这台发动机配备了两套喷油装置，其中缸内直喷系统可以提高燃油效率和性能，并且避免发动机在高压缩比状态下产生爆震；而进气歧管端的多点燃油喷射，可以提前混合燃油和空气，在发动机低负荷状态下获得更好的燃烧，从而提高燃油效率。两套燃油系统在发动机高负荷工况下，可以协同工作。因为采用了小直径的单涡轮增压器，发动机的热能和排气压力损失也得以降低。这台发动机还采用了缸盖集成排气歧管设计，进而可以为三元催化器创造一条更短的废气通路，促使催化器在冷启动后尽快进入工作状态。

VC-Turbo 发动机的其他新技术还包括，有助于降低 44% 气缸摩擦损耗的“镜面喷涂”技术（通过等离子将硬化金属涂层涂覆到气缸壁上）。而通过被称作 ATR 主动扭矩杆的主动式发动机支架减振系统，搭载VC-Turbo 发动机的 QX50 车型，相比使用 V6 发动机的老款 QX50，发动机噪音降低了 9 分贝。当然，这一点也要得益于 VC-Turbo 发动机自身优秀的 NVH 控制。因为附带的多连杆系统， VC-Turbo 不需要像其他 4 缸发动机一样设计两根额外的平衡轴，而特殊的连杆结构，也使得活塞在往复工作过程中，连杆产生的横向摆动更小，减轻了发动机整体的振动，它的振动噪音仅为 10 分贝，相比常规的 4 缸发动机低了 20 分贝。

根据日产官方公布的数字，VC-Turbo 发动机可以输出 200 千瓦（272 马力）/5600 转/分的最大功率，峰值扭矩为 380 牛•米/4400 转/分。相比过去的 6 缸发动机，VC-Turbo 发动机在前驱系统中可以将燃油效率提高 35%，而在后驱系统中则提高了 30%。不过就像前面说到的，凡事皆有两面性。因为取消了平衡轴，发动机的横向宽度得以控制，进而抵消了增加多连杆系统带来的影响，但发动机整体高度却因为多连杆机构而增加。另外，来自重量的影响也必须考虑，虽然采用了大量的轻量化材料，但与过去的 3.5 升 6 缸 VQ 系列发动机相比，2.0 升的 VC-Turbo 发动机只轻了 18 公斤。但最重要的问题是 VC-Turbo 发动机的制造成本并不能得到良好的控制，由此带来的额外成本也必然转嫁到新车销售价格上。

相对日产工程师的执着，倡导工程师文化的德国人，在这一点上要更加聪明。皮耶希执掌大众的时代，大众集团工程师给人的印象是“有困难要上，没有困难，制造困难也要上。”不过这次他们并没有直接对机械结构动手，转而打起了循环方式的主意。近年来，德国人将之前强调的 Downsizing 发动机小型化策略过渡到了 Rightsizing 适合排量。尽管小型化加强制进气装置的方式获得了一定的成功，但对于某些车型来说，小型化的发动机并不能够起到很好的节能减排效果。相反，适当排气量的发动机，通过对循环方式的控制，反而能达到在保证动力输出的同时，降低燃油消耗的目的。

以目前奥迪使用的 2.0 升第三代 EA888 发动机为例，凭借奥迪的 AVS 气门升程控制系统，它能够在传统的奥托循环与 B 循环之间进行切换，从而达到类似可变发动机压缩比的目的。注意这里的 B 循环，并非之前媒体报道中提及的米勒循环。其实无论阿特金森循环、米勒循环还是 B 循环，达到提高燃油效率的手段，都是采用比压缩行程更长的膨胀（做功）行程，区别在于阿特金森循环的进气行程小于排气行程，米勒循环的进气行程大于排气行程。而米勒循环与 B 循环之间的区别是，米勒循环通过晚关进气门的方式，引起进气充量减少，改变发动机实际压缩比，改善发动机的热效率，降低燃油消耗，B 循环采用早关进气门的方式，引起进气充量减少，改变发动机实际压缩比，改善发动机的热效率，降低燃油消耗。尽管只是进气门关闭一早一晚的关系，但由于 B 循环直接进入气缸内的空气更少，活塞的运行阻力更小，从而在提升热效率的同时，降低了机械损耗。

通过 B 循环，在部分负荷工况下，2.0TFSI 发动机的实际进气量仅相当于 1.4TFSI 发动机，发动机可以使用更少的燃油消耗，维持正常运转，而在高负荷或全负荷时，发动机会切换回传统的奥托循环，为车辆提供最大动力。

看到这里，你可能会问，德国人比日本人聪明吗？并不是，日产想要让 VC-Turbo 发动机成为能够在各种工况下均具备出色动力性能的可变压缩比发动机，而德国人要的是一台在需要的时候可以输出最高性能的发动机。尽管技术路线存在差异，但条条大路通罗马。也许就实际性能和 NVH 控制效果，日产的 VC-Turbo 是胜利者，但从生产成本和实际应用的角度出发，奥迪的 EA888 才会笑到最后。

从汽车行业的发展趋势来看，活塞式发动机终将被电气化时代击败，但作为人类的伟大发明，活塞式发动机仍然堪称人类历史上最精密、机巧的奇迹之一。相比电动机的嗡嗡作响，如果你仔细聆听活塞式发动机的呼吸，就会意识到它们的温度和生命。