日产才是最懂发动机的胖子（变压缩比发动机的惊艳之处）

　继上次，我们将传递巴黎车展的主题。这次在巴黎车展上最想看的一件事就是日产公布的“可变压缩比发动机”。我认为这是一个非常划时代的事情，它将成为世界上第一个实际使用的量产引擎。我实际上在大约 10 年前就看到了这个引擎的原型。在 2005 年 2 月举行的日产技术简报会上，他们展示了可变压缩比发动机，这是正在开发的先进技术之一，与这次投入实际使用的发动机原理相同。

　当时，笔者认为这样复杂机制的引擎是永远无法投入实际使用的。现在，经过10多年的时间，它已经投入实际使用。更何况，这款引擎的研发已经20年了，工程师们的执着让我惊叹不已。

　到目前为止，我们已经使用了“可变压缩比”这个术语，没有对其进行解释，但让我们再次思考一下这个新引擎的含义。正如我在本系列的第 1 部分中提到的，压缩比是活塞位于底部和顶部时发动机气缸中的体积比。例如，如果活塞在底部时体积为10，而活塞上升到达顶部时体积为1，即体积最小时，则压缩比为10。

　根据热力学教科书，这个压缩比越高，发动机的热效率就越高。这就是为什么我想尽可能地提高压缩比，但我不能无谓地提高它。如果压缩比过高，混合气会在活塞中间升程过热，在火花塞点燃之前造成局部爆炸，导致发动机异常振动。这是敲门声。因此，传统汽油机的压缩比通常在 10 左右。

　然而，实际发生爆震的情况实际上是有限的。确实，在发动机负荷高的情况下，加速时容易发生爆震，但在匀速行驶时，发动机负荷低，不易发生爆震。因此，理想的情况是在不太可能发生爆震的情况下尽可能提高压缩比以提高发动机效率，并且仅在可能发生爆震的情况下降低压缩比将是理想的。这在以前的发动机中是不可能的，但新的可变压缩比发动机是第一个实现这一理想的发动机。

　改变压缩比是什么意思？尽管说它是世界第一似乎有些矛盾，但可变压缩比的发动机已经投入实际使用。它就是所谓的阿特金森循环发动机或米勒循环发动机。严格来说，阿特金森循环和米勒循环是不同的东西，但总的来说，它被称为通过提前或延迟进气正时来改变有效压缩比的发动机。

　目前大量生产的阿特金森循环发动机通常使用“延迟关闭”，这会延迟进气正时。在这种情况下，活塞下降到底部，然后再次上升，并在稍微上升时关闭进气阀。与活塞到达底部时关闭阀门相比，气缸内压缩空气的行程较短，因此压缩比较低。用困难的话来说，它通过移动活塞的有效下止点（活塞开始压缩空气的位置）来降低压缩比。

　相比之下，日产开发的可变压缩比发动机通过移动活塞得上死点而不是下死点来降低压缩比。这意味着当活塞到达其顶部时，它的位置可以比正常位置低一点。结果，当活塞到达顶部时，气缸内的体积增加，这降低了压缩比。

　那么阿特金森循环和可变压缩比发动机有什么区别呢？在阿特金森循环中，当活塞从最低位置略微上升时阀门关闭。因此，曾经被吸入气缸的空气被稍微推回进气口。这意味着发动机吸入的空气更少。更少的空气被吸入发动机，相应地更少的燃料被强制进入燃烧室。用更少的燃料燃烧更少的空气将产生更少的动力。

　之前写过，即使发动机通常以高压缩比驱动，在加速等高负荷运转时也容易发生爆震，因此有必要降低压缩比。但是，如果在此处引入阿特金森循环以降低压缩比，则输出将下降。当负载高的时候，也就是你想要输出的时候，输出就会减少，所以可以看到阿特金森循环引擎不能在这种情况下使用。

　换言之，阿特金森循环具有大幅降低发动机排量的效果，因此在不需要太多输出时而不是在高负载下，它被用作提高燃油效率的技术。日产的可变压缩比发动机也在低负荷范围内使用阿特金森循环来提高燃油效率。

　通过这种方式，可变压缩比发动机可以通过保持发动机的压缩比尽可能高来提高热效率。有趣的是，现已停产的瑞典萨博曾经提出过一种发动机，通过移动气缸盖来增加燃烧室的容积来改变压缩比。

　另一方面，日产这次采用的是连杆机构。普通发动机通过称为连杆的部件连接活塞和曲轴。连杆是“连杆”的缩写，字面意思是连接活塞和曲轴的连杆。另一方面，日产的可变压缩比发动机的特点是通过复杂的连杆机构将连杆连接到曲轴，而不是直接连接到曲轴。

　对不起英文，但上面是解释图。看起来很复杂，其实原理本身很简单。中心作用是由一个叫做“多连杆”的部分发挥作用，它的中心有一根曲轴，一端有一根连杆。你可以把多链路的作用想象成一个跷跷板。如果跷跷板的一端上升，另一端下降。同理，多连杆也可以绕与中央曲轴连接的部分转动，一端向上，另一端向下。

　以上两图均表示活塞位于顶部的“上死点”状态，当您抬起活塞时，连接连杆的点会下降。然后，活塞的位置也下降，所以燃烧室的容积增大，压缩比减小。为了改变这个多连杆的位置，转动该图右侧标有“谐波驱动”的部分的旋转轴，以改变两个臂之间的位置关系。

　这个系统和我大约 10 年前面试时完全一样。这就是为什么我认为将这种复杂的机制投入实际使用是一个好主意。复杂结构的一个问题是摩擦增加。一般来说，运动中涉及的零件越多，摩擦力就越大，因为零件相互摩擦的点越多。这会导致能量损失。

　然而，即使新发动机比传统发动机有更多的零件，摩擦损失实际上也减少了。这有两个重要原因。一是活塞和气缸之间的摩擦较小。燃料的爆发力将活塞向下推，当该力通过连杆转动曲轴时，活塞逐渐向下运动，使连杆斜推曲轴。此时，连杆本身也被曲轴的反作用力从下方斜推。该斜向力将活塞推向气缸的内壁。此时产生的摩擦力很大。

　相比之下，在日产的可变压缩比发动机中，当活塞向下移动时，连杆几乎从正上方推动多连杆以转动曲轴。因此，活塞不会受到横向力，活塞与气缸之间的摩擦力大大降低。

　另一件大事是平衡器机制是不必要的。由于普通的4缸发动机旋转平衡较差，排量2.0L以上的发动机往往会配备平衡机构来消除噪音和振动。简而言之，这种平衡器机构旋转加重轴以抵消振动，降低发动机噪音和振动，但增加摩擦。新的可变压缩发动机改善了发动机本身的旋转平衡，消除了对平衡器机构的需求。

　此外，平衡器机构通常位于曲轴下方，但在可变压缩比发动机中这不是必需的，因此在这种可变压缩比发动机中，用于改变压缩比的机构放置在曲轴下方。这使得在不增加发动机高度的情况下实现可变压缩比发动机成为可能。

　公告资料显示，常规4缸发动机振动产生的噪音水平按一定标准为30dB（分贝），而新发动机的振动降低到10dB（均未安装平衡器）。dB 是表示声音和无线电波强度的单位，与长度等单位不同，降低 20 dB 意味着声压降低到 1/10。换言之，新型可变压缩发动机的噪音水平是传统四缸发动机的1/10。顺便说一句，3.5L V6发动机的噪音水平是3dB，比可变压缩比发动机还要小，但低7dB意味着大约一半的声压，所以可变压缩比与发动机的区别并不在于大的。

　日产将这款可变压缩比发动机命名为“VC（Variable Compression）turbo”，但有趣的是这款发动机被定位为V6发动机的继任者“VQ发动机”。如前所述，VC涡轮增压器的特点之一是，通过根据发动机的运行条件尽可能高地保持压缩比，可以提高热效率，进而提高燃油效率。日产宣布，其目标是与具有相同输出的传统 V6 发动机相比，将 VC 涡轮增压器的燃油效率提高 27%。

我觉得燃油效率能提升近30%是很了不起的，但这种提升并不是仅靠可变压缩比系统就能实现的。日产在2005年首次推出可变压缩比发动机时，负责开发的工程师表示，燃油效率提升效果略高于10%，因此仅去掉可变压缩比的燃油效率提升程度大概是关于这个。可以想象。

　至于剩下的17分，与VC涡轮发动机输出相同的V6发动机的排量在3.5L左右，所以VC涡轮发动机是用2.0L涡轮替代3.5L V6发动机的小型化发动机。 . 换言之，27%的燃油效率提升来自可变压缩比和小型化。顺带一提，VC涡轮的最大输出为200kW，低于3.5L VQ35HR发动机的225kW，但相反VC涡轮的最大扭矩为390N·m，高于350N・VQ35HR 的米。

　据我在巴黎车展上采访的开发负责人介绍，可变压缩比发动机本身的技术开发实际上大约在 10 年前就已基本完成。那么，为什么要花 10 年时间才能将其商业化？这是对“作为产品的吸引力”的追求。

　2005年亮相的原型发动机是2.0L自然吸气发动机，但即使将2.0L自然吸气发动机简单地改成可变压缩比以提高10%左右的燃油效率，成本也会增加。日产可能决定它不会导致值得的产品的吸引力增加。相比之下，这一次定位为结合涡轮增压替代V6发动机的发动机。这将提高燃油效率并导致紧凑性和重量减轻。此外，VC 涡轮增压器具有与 V6 发动机相似的振动和噪音特性。如果它是 V6 发动机的替代品，那么与可变压缩比相关的成本增加很容易被吸收。

　然而，这种产品规划直到不久前还是很困难的。新的VC涡轮发动机计划于2018年在英菲尼迪品牌的美国市场上实现商业化，更换直列4缸发动机的小型化是不可接受的，因为这会降低产品的吸引力。

　这种对多缸发动机的信仰，即使现在也没有完全消失，但与前一阵子相比，已经消退了很多。考虑到未来美国将加强燃油效率法规，这样的小型化是不可避免的。市场偏好的这种变化是世界上第一台可变压缩比发动机面世的原因。

　另一个个人兴趣是 Skyline 引擎会发生什么。目前的Skyline（海外英菲尼迪Q50）搭载的是德国戴姆勒的2.0L直列4缸涡轮发动机。在采用这款发动机的时候，日产的代表车型搭载了国产发动机成为了热议话题，而这次的VC涡轮增压是2.0排量的涡轮增压，与同级车型戴姆勒发动机。当我问“这台发动机也会用在 Skyline 上吗？”时，巴黎车展的工作人员含糊其辞地说。