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技術(shù)過(guò)剩還是誤入歧途 技術(shù)日產(chǎn)的“傳統(tǒng)”創(chuàng)新
內(nèi)燃機(jī)工程師的一切努力，都是為了提升燃油效率。目前，活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)仍然是汽車(chē)的主要?jiǎng)恿?lái)源。不過(guò)自誕生以來(lái)，活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)的工作原理，并未發(fā)生根本變化。常見(jiàn)的四沖程活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)，仍然遵循進(jìn)氣、壓縮、做功（膨脹）、排氣的基本模式。僅以汽油發(fā)動(dòng)機(jī)為例：從化油器到機(jī)械式燃油噴射，再到電控燃油噴射、缸內(nèi)直接燃油噴射；從側(cè)置氣門(mén)到頂置氣門(mén)；從側(cè)置凸輪軸到頂置凸輪軸；從不可變氣門(mén)正時(shí)到可變氣門(mén)正時(shí)及升程；從自然進(jìn)氣到強(qiáng)制進(jìn)氣……工程師的努力創(chuàng)新讓我們看到了種種可能。
今天的故事主角是日產(chǎn)的 VC-Turbo 發(fā)動(dòng)機(jī)，它的最大特點(diǎn)在于其投入量產(chǎn)的可變壓縮比技術(shù)。所謂壓縮比，是指發(fā)動(dòng)機(jī)活塞運(yùn)行到下止點(diǎn)時(shí)的氣缸容積，與活塞運(yùn)行至上止點(diǎn)時(shí)氣缸容積的比值。通常而言，發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比越大，燃油的熱效率也就更好。但凡事皆有兩面性，壓縮比變大，也會(huì)帶來(lái)機(jī)械效率變差、發(fā)動(dòng)機(jī)爆震等負(fù)面影響。過(guò)去的推桿式（側(cè)置凸輪軸）汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，壓縮比通常介于 6.0:1-10.0:1 之間，而頂置凸輪軸結(jié)構(gòu)的汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，壓縮比普遍為 9.0:1-12.0:1 左右。柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比通常為 12.0:1-22.0:1 之間。當(dāng)然也有例外，比如馬自達(dá)的創(chuàng)馳藍(lán)天汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，最高壓縮比達(dá)到 18.0:1，而某些高增壓值的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，壓縮比僅為 8.0:1 左右。在不改變點(diǎn)火（噴油，僅限柴油發(fā)動(dòng)機(jī)）時(shí)間和配氣相位的前提條件下，固定壓縮比的發(fā)動(dòng)機(jī)僅能在部分轉(zhuǎn)速區(qū)間表現(xiàn)出良好的工作性能。但發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)是龐大而復(fù)雜的系統(tǒng)工程，而非某一個(gè)單一的體系或?qū)W科所能決定。電子點(diǎn)火、燃油噴射和氣門(mén)控制技術(shù)的加入，已經(jīng)為發(fā)動(dòng)機(jī)性能的提升，提供了有力的技術(shù)支撐。如果讓發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比也變成一個(gè)變量，活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)自然也就能夠在更廣泛的轉(zhuǎn)速區(qū)間，提供更優(yōu)秀的性能。
事實(shí)上，工程師們針對(duì)可變壓縮比技術(shù)的研究，已有近百年的歷史。早在上世紀(jì) 20 年代，英國(guó)工程師 Harry Ralph Ricardo （他在 1927 年創(chuàng)辦的里卡多公司，如今已經(jīng)成為全球最重要的汽車(chē)咨詢(xún)公司之一）就制造并測(cè)試了第一臺(tái)可變壓縮比發(fā)動(dòng)機(jī)，不過(guò) Ricardo 當(dāng)時(shí)的目的是研究并解決發(fā)動(dòng)機(jī)爆震的問(wèn)題，這項(xiàng)工作幫助他設(shè)計(jì)了沿用至今的辛烷值評(píng)級(jí)體系。其后，包括標(biāo)致-雪鐵龍、雷諾、薩博、沃爾沃、現(xiàn)代、豐田、日產(chǎn)在內(nèi)的各大公司都進(jìn)行過(guò)可變壓縮比相關(guān)系統(tǒng)的研究工作，但多數(shù)成果在實(shí)驗(yàn)室階段便草草收?qǐng)?。主要原因同樣在于發(fā)動(dòng)機(jī)的復(fù)雜性，不僅要考慮可變壓縮比帶來(lái)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，還要考慮到冷卻、潤(rùn)滑、進(jìn)排氣系統(tǒng)以及材料工藝。有些奇思妙想雖然優(yōu)秀，但卻難以轉(zhuǎn)化為實(shí)際，而復(fù)雜的結(jié)構(gòu)同樣會(huì)帶來(lái)高昂的制造成本，進(jìn)而難以實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。
日產(chǎn)于 1996 年開(kāi)始研發(fā)這臺(tái) VC-Turbo 發(fā)動(dòng)機(jī)，作為可變壓縮比發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵部件，他們?cè)?1998 年發(fā)明了這套多連桿機(jī)械裝置。在整個(gè)研發(fā)過(guò)程中，他們制造了超過(guò) 100 臺(tái)原型機(jī)用于測(cè)試。而 VC-Turbo 發(fā)動(dòng)機(jī)也經(jīng)歷了超過(guò) 300 萬(wàn)公里的路試，總測(cè)試時(shí)長(zhǎng)超過(guò) 3萬(wàn)小時(shí)。盡管日產(chǎn)方面并未做更多說(shuō)明，但可以想象，VC-Turbo 發(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā)工作始于“技術(shù)日產(chǎn)”的狂熱階段，其后，深陷泥潭的日產(chǎn)不得不在 1999 年與雷諾結(jié)盟。而日產(chǎn)的可變壓縮比技術(shù)研發(fā)工作，也極有可能經(jīng)歷過(guò)生死難定的搖擺期，甚至曾經(jīng)被束之高閣。至少以日產(chǎn)當(dāng)時(shí)的財(cái)務(wù)狀況，不太可能拿出更多的資金，繼續(xù)從事這項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)極高的研發(fā)工作。
通常而言，要改變發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比，只能通過(guò)改變活塞高度、連桿或曲柄的長(zhǎng)度、燃燒室的幾何形狀來(lái)實(shí)現(xiàn)，其實(shí)這些手段直接改變的是活塞頂部與燃燒室頂部的相對(duì)位置關(guān)系。日產(chǎn)的工程師采用一套多連桿系統(tǒng)和一個(gè)帶有諧波減速齒輪的電動(dòng)機(jī)改變 VC-Turbo 發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比。電動(dòng)機(jī)通過(guò)諧波減速器（日產(chǎn)稱(chēng)之為諧波驅(qū)動(dòng)器）與執(zhí)行臂連接，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)后，通過(guò)諧波減速器的轉(zhuǎn)動(dòng)，移動(dòng)執(zhí)行臂，執(zhí)行臂會(huì)推動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)下部的偏心控制軸旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)下連桿向上或向下移動(dòng)，從而改變多連桿機(jī)構(gòu)的角度，而多連桿機(jī)構(gòu)的變化，會(huì)調(diào)整氣缸內(nèi)活塞上止點(diǎn)的位置發(fā)生變化，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比的控制。偏心控制軸會(huì)同時(shí)改變所有氣缸的壓縮比，因此發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣量可以在 1997cc （低壓縮比，8.0:1）和 1970cc （高壓縮比，14.0:1）之間變化。
當(dāng)然，僅僅改變壓縮比是不夠的。通過(guò)可變氣門(mén)控制系統(tǒng)，VC-Turbo 可以在高效率的阿特金森循環(huán)和常規(guī)的奧托循環(huán)之間無(wú)縫切換。另外，工程師還為這臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)配備了兩套噴油裝置，其中缸內(nèi)直噴系統(tǒng)可以提高燃油效率和性能，并且避免發(fā)動(dòng)機(jī)在高壓縮比狀態(tài)下產(chǎn)生爆震；而進(jìn)氣歧管端的多點(diǎn)燃油噴射，可以提前混合燃油和空氣，在發(fā)動(dòng)機(jī)低負(fù)荷狀態(tài)下獲得更好的燃燒，從而提高燃油效率。兩套燃油系統(tǒng)在發(fā)動(dòng)機(jī)高負(fù)荷工況下，可以協(xié)同工作。因?yàn)椴捎昧诵≈睆降膯螠u輪增壓器，發(fā)動(dòng)機(jī)的熱能和排氣壓力損失也得以降低。這臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)還采用了缸蓋集成排氣歧管設(shè)計(jì)，進(jìn)而可以為三元催化器創(chuàng)造一條更短的廢氣通路，促使催化器在冷啟動(dòng)后盡快進(jìn)入工作狀態(tài)。
VC-Turbo 發(fā)動(dòng)機(jī)的其他新技術(shù)還包括，有助于降低 44% 氣缸摩擦損耗的“鏡面噴涂”技術(shù)（通過(guò)等離子將硬化金屬涂層涂覆到氣缸壁上）。而通過(guò)被稱(chēng)作 ATR 主動(dòng)扭矩桿的主動(dòng)式發(fā)動(dòng)機(jī)支架減振系統(tǒng)，搭載VC-Turbo 發(fā)動(dòng)機(jī)的 QX50 車(chē)型，相比使用 V6 發(fā)動(dòng)機(jī)的老款 QX50，發(fā)動(dòng)機(jī)噪音降低了 9 分貝。當(dāng)然，這一點(diǎn)也要得益于 VC-Turbo 發(fā)動(dòng)機(jī)自身優(yōu)秀的 NVH 控制。因?yàn)楦綆У亩噙B桿系統(tǒng)， VC-Turbo 不需要像其他 4 缸發(fā)動(dòng)機(jī)一樣設(shè)計(jì)兩根額外的平衡軸，而特殊的連桿結(jié)構(gòu)，也使得活塞在往復(fù)工作過(guò)程中，連桿產(chǎn)生的橫向擺動(dòng)更小，減輕了發(fā)動(dòng)機(jī)整體的振動(dòng)，它的振動(dòng)噪音僅為 10 分貝，相比常規(guī)的 4 缸發(fā)動(dòng)機(jī)低了 20 分貝。
根據(jù)日產(chǎn)官方公布的數(shù)字，VC-Turbo 發(fā)動(dòng)機(jī)可以輸出 200 千瓦（272 馬力）/5600 轉(zhuǎn)/分的最大功率，峰值扭矩為 380 牛•米/4400 轉(zhuǎn)/分。相比過(guò)去的 6 缸發(fā)動(dòng)機(jī)，VC-Turbo 發(fā)動(dòng)機(jī)在前驅(qū)系統(tǒng)中可以將燃油效率提高 35%，而在后驅(qū)系統(tǒng)中則提高了 30%。不過(guò)就像前面說(shuō)到的，凡事皆有兩面性。因?yàn)槿∠似胶廨S，發(fā)動(dòng)機(jī)的橫向?qū)挾鹊靡钥刂疲M(jìn)而抵消了增加多連桿系統(tǒng)帶來(lái)的影響，但發(fā)動(dòng)機(jī)整體高度卻因?yàn)槎噙B桿機(jī)構(gòu)而增加。另外，來(lái)自重量的影響也必須考慮，雖然采用了大量的輕量化材料，但與過(guò)去的 3.5 升 6 缸 VQ 系列發(fā)動(dòng)機(jī)相比，2.0 升的 VC-Turbo 發(fā)動(dòng)機(jī)只輕了 18 公斤。但最重要的問(wèn)題是 VC-Turbo 發(fā)動(dòng)機(jī)的制造成本并不能得到良好的控制，由此帶來(lái)的額外成本也必然轉(zhuǎn)嫁到新車(chē)銷(xiāo)售價(jià)格上。
相對(duì)日產(chǎn)工程師的執(zhí)著，倡導(dǎo)工程師文化的德國(guó)人，在這一點(diǎn)上要更加聰明。皮耶希執(zhí)掌大眾的時(shí)代，大眾集團(tuán)工程師給人的印象是“有困難要上，沒(méi)有困難，制造困難也要上。”不過(guò)這次他們并沒(méi)有直接對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)動(dòng)手，轉(zhuǎn)而打起了循環(huán)方式的主意。近年來(lái)，德國(guó)人將之前強(qiáng)調(diào)的 Downsizing 發(fā)動(dòng)機(jī)小型化策略過(guò)渡到了 Rightsizing 適合排量。盡管小型化加強(qiáng)制進(jìn)氣裝置的方式獲得了一定的成功，但對(duì)于某些車(chē)型來(lái)說(shuō)，小型化的發(fā)動(dòng)機(jī)并不能夠起到很好的節(jié)能減排效果。相反，適當(dāng)排氣量的發(fā)動(dòng)機(jī)，通過(guò)對(duì)循環(huán)方式的控制，反而能達(dá)到在保證動(dòng)力輸出的同時(shí)，降低燃油消耗的目的。
以目前奧迪使用的 2.0 升第三代 EA888 發(fā)動(dòng)機(jī)為例，憑借奧迪的 AVS 氣門(mén)升程控制系統(tǒng)，它能夠在傳統(tǒng)的奧托循環(huán)與 B 循環(huán)之間進(jìn)行切換，從而達(dá)到類(lèi)似可變發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比的目的。注意這里的 B 循環(huán)，并非之前媒體報(bào)道中提及的米勒循環(huán)。其實(shí)無(wú)論阿特金森循環(huán)、米勒循環(huán)還是 B 循環(huán)，達(dá)到提高燃油效率的手段，都是采用比壓縮行程更長(zhǎng)的膨脹（做功）行程，區(qū)別在于阿特金森循環(huán)的進(jìn)氣行程小于排氣行程，米勒循環(huán)的進(jìn)氣行程大于排氣行程。而米勒循環(huán)與 B 循環(huán)之間的區(qū)別是，米勒循環(huán)通過(guò)晚關(guān)進(jìn)氣門(mén)的方式，引起進(jìn)氣充量減少，改變發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際壓縮比，改善發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率，降低燃油消耗，B 循環(huán)采用早關(guān)進(jìn)氣門(mén)的方式，引起進(jìn)氣充量減少，改變發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際壓縮比，改善發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率，降低燃油消耗。盡管只是進(jìn)氣門(mén)關(guān)閉一早一晚的關(guān)系，但由于 B 循環(huán)直接進(jìn)入氣缸內(nèi)的空氣更少，活塞的運(yùn)行阻力更小，從而在提升熱效率的同時(shí)，降低了機(jī)械損耗。
通過(guò) B 循環(huán)，在部分負(fù)荷工況下，2.0TFSI 發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際進(jìn)氣量?jī)H相當(dāng)于 1.4TFSI 發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)可以使用更少的燃油消耗，維持正常運(yùn)轉(zhuǎn)，而在高負(fù)荷或全負(fù)荷時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)切換回傳統(tǒng)的奧托循環(huán)，為車(chē)輛提供最大動(dòng)力。
看到這里，你可能會(huì)問(wèn)，德國(guó)人比日本人聰明嗎？并不是，日產(chǎn)想要讓 VC-Turbo 發(fā)動(dòng)機(jī)成為能夠在各種工況下均具備出色動(dòng)力性能的可變壓縮比發(fā)動(dòng)機(jī)，而德國(guó)人要的是一臺(tái)在需要的時(shí)候可以輸出最高性能的發(fā)動(dòng)機(jī)。盡管技術(shù)路線存在差異，但條條大路通羅馬。也許就實(shí)際性能和 NVH 控制效果，日產(chǎn)的 VC-Turbo 是勝利者，但從生產(chǎn)成本和實(shí)際應(yīng)用的角度出發(fā)，奧迪的 EA888 才會(huì)笑到最后。
從汽車(chē)行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)終將被電氣化時(shí)代擊敗，但作為人類(lèi)的偉大發(fā)明，活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)仍然堪稱(chēng)人類(lèi)歷史上最精密、機(jī)巧的奇跡之一。相比電動(dòng)機(jī)的嗡嗡作響，如果你仔細(xì)聆聽(tīng)活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)的呼吸，就會(huì)意識(shí)到它們的溫度和生命。
