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日产的可变压缩比汽油机和马自达的“压燃”汽油机比,哪个更省油?

放大字体  缩小字体 发布日期:2019-06-25  浏览次数:330
核心提示:  日产的可变压缩比和马自达的均值压燃是内燃机工程师几十年来的两个梦想,没想到作为一个发动机开发工程师,在我有生之年还能
   日产的可变压缩比和马自达的均值压燃是内燃机工程师几十年来的两个梦想,没想到作为一个发动机开发工程师,在我有生之年还能看到两者量产,而且好像说好了一样在都2018年推出,日产可变压缩比在前,马自达均值压燃随后。我之前一直觉得可能这两个技术到内燃机技术逐步退出市场时也难以突破量产这个瓶颈。对于在电气化的大背景下,内燃机遇到了前所未有的挑战,在沮丧中前行的内燃机工程师看到2018年日产和马自达的惊人成就就像在漆黑的隧道中突然看到前面还有亮光,内燃机还有未来!从这个意义上看真是要衷心的对日产和马自达说一声感谢和佩服,原谅我抒情了一下,实在是太激动!

  

 

  下面来详细的分析一下日产和马自达的创新之处。

  一.先看可变压缩比VCR

  可变压缩比VCR带来的好处

  汽油发动机多年来效率无法进一步提高的主要原因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。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%。

  之所以不能大幅度增加压缩比来提高热效率,最大的限制是汽油机的爆震问题,尤其对于增压发动机爆震问题更严重。所以,内燃机工程师一直在寻找是否可以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。

  2.可变压缩比VCR遇到的挑战

  

 

  为什么可变压缩比那么难呢?主要原因是发动机的压缩比是由燃烧室容积和缸径冲程尺寸决定的。燃烧室由于要承受高温高压还要保证密封,目前都是采用铸造而且还有水套冷却,进排气道布置,因此无法做成可变的。缸径也无法可变。看起来只能变冲程了,但是活塞,连杆曲轴系统的尺寸决定了冲程,这三个件高速旋转承受非常大的燃烧气体力和惯性力。很难做成可靠的可变结构。因此实现量产非常困难,很多人尝试结果都没有成功量产。

  3.日产VCR解决方案

  前面说到要想可变压缩比,只能考虑冲程可变,经过多年的研究和实践,目前主流的有两类冲程可变方案。

  a.通过改变连杆工作长度来实现。主要原理是通过增加液压机构,让连杆在工作过程中长度可变,从而实现VCR。这种方案发动机本体改动比较小,但是只能实现两级可变压缩比,因此效果会打一些折扣,这个方案一直没有公司量产。

  b.改变连杆和曲轴的连接方式来实现VCR。基本原理是连杆不再和曲轴直接连接,而是连接一个可变的过渡连杆装置然后再和曲轴相连。通过改变中间过渡连杆装置的杠杆比来改变冲程,从而实现VCR。这种方案比第一个改变连杆的方案要复杂很多,发动机改动很大,几乎是要完全重新设计。但这个方案可以实现压缩比的连续无极调节,效果最好。日产采用的就是这个最难的方案,通过20年的努力,最终量产了,日产2.0 VC turbo发动机压缩比可以在8-14之间连续调整。

  

 

  下面图里有一个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。

  二.再说说均质压燃HCCI

  1.均质压燃HCCI带来的好处

  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?同时,为了避免柴油机稀燃完成的氮氧化合物NOx排放,可不可以采用汽油机的均质燃烧加三元催化器的燃烧方式呢?这样就不用花很大代价来解决柴油机近乎无解的排放问题了。

  

 

  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,由于存在一些致命的难题,一直很难突破。

  2.均质压燃HCCI遇到的挑战

  究竟有哪些致命的问题呢?HCCI需要高压缩比压燃,但是汽油的特性是自燃点比柴油高很多,要压燃必须创造比柴油机更高的压缩终了的温度和压力。这导致如果不能很好的控制的话,这就燃烧是爆震,会严重的破坏发动机,因此,传统HCCI只能在小负荷使用,而且为了在不同环境温度、湿度、油温燃油差异等多种因素下保证压燃的稳定性,必须对进气和燃油喷射进行一系列复杂的控制。这也进一步压缩了HCCI的运行区间。最终传统的HCCI系统运行区间太小,燃烧稳定性很难保证,所以一直不能真正走进量产。

  3.马自达的解决方案

  

 

  面对这些HCCI的挑战,马自达采用了以下技术来对应。

  a.改良的SPCCI燃烧系统,马自达对传统HCCI的运行区间小问题进行了优化,改进了HCCI燃烧概念,增加了火花塞来改善压燃点火的质量,使之具备量产的可能。马自达把改进的HCCI燃烧系统叫SPCCI,也就是火花塞控制的压燃点火。

  b.马自达为了进一步拓宽压燃工作区域,避免SPCCI在稀燃情况下引起的NOX排放超标,采用了废气再循环EGR系统。

  c.为了满足压燃情况下燃油混合的需求和保证燃烧稳定性,马自达采用了超高压的GDI喷射系统,喷射压力高达1000bar。这几乎接近了柴油机的喷射压力。要知道目前主流的GDI发动机喷射压力一般在150-250bar,马自达1000bar的喷射压力绝对是突破性的技术。

  

 

  d.机械增压器,不过马自达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。这个机械增压器,主要是为了控制进气,为超高压缩比提供足够的空气量,自己想要的空气温度和密度,保证压燃系统的稳定工作。并不是像传统增压器那样主要是为了提升性能。所以,马自达这个机械增压器的增压压力只有0.5bar。同时,机械增压器也顺便提升了一下发动机的性能,使马自达在大幅提高热效率的同时还能提升性能,两全其美。机械增压器被马自达这么用也绝对是创新了。

  e.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。

  

 

  马自达用5大技术突破了均质压燃HCCI量产应用的瓶颈,开发出了SKY Active X发动机。马自达宣称如果从油井到车轮来计算二氧化碳排放的话,SKY Active X比电动车的CO2排放更低。这5项关键技术中前4项都是马自达独创的突破性成就,了不起!

  三.日产可变压缩比和马自达均值压燃究竟那个更好。

  还是先表达一下敬意,两者都是内燃机史上的里程碑,都非常伟大。非要比较,可以说是各有千秋。

  1.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。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。2.0 SKY Active 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48V微混系统来改善发动机在整车上的性能。简单这么比较的话,性能上日产VC turbo更强。

  2.燃油经济型比较

  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VCR系统来发掘潜力,油耗提升虽然很大但算不上颠覆性的,研究显示油耗改善根据不同的循环在5%~8%之间。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,油耗降低够达到30%以上。油耗比较上马自达SKY Active X完胜。

  3.NVH特性比较

  日产VC Turbo发动机复杂的连杆系统带来的另外一个好处是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,下面有个图可以看的更清楚。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。从这个当面看,日产VC Turbo的NVH水平比目前的发动机要更好。

  马自达SKY Active X发动机有三个因素都是对NVH不利的:

  

 

  a.压燃系统多点同时燃烧,爆发压力提高很多,而且爆发的时间很短压力升高率很高。这些都对提高效率非常有好处,但是都回增加燃烧带来的振动和噪声激励。可以想像一下柴油机的燃烧噪声。

  b.超高压的直喷系统,喷射压力接近柴油机。这样喷油器和高压油泵会比目前传统的GDI系统噪声更大。

  c.机械增压器带来的噪声,机械增压器由于其工作原理,噪声一直是一个非常需要注意的方面。

  因此,从NVH比较,应该日产VC turbo更有优势。应该马自达的工程师也花了很多精力来解决SKY Active X的噪声问题,但是NVH一直不是马自达的优先诉求,因此可能日产应该更好一些。

  以上都是技术方面的对比,很多是我自己的分析,讲的都是冷冰冰的机器和技术,如果让我加入感情因素,我更支持马自达。

  

 

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

  马自达的SKY Active X完全是颠覆性的重新定义了一种燃烧方式,而且在电动化的大趋势下还能如此坚定执着,如此特立独行,需要的就不仅仅是技术了,更需要信念。

 
 
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