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20年磨一剑 聊日产2.0T VC-TURBO发动机

2018-12-07
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  [沈阳爱车网 发动机技术]  如果让我举一件今年国内汽车发动机领域最重要的事件,我会选4月12日的日产VC-TURBO可变压缩比发动机在东风日产郑州工厂正式下线这件事。日产这款VC-TURBO 2.0T可变压缩比发动机是全球首款量产可变压缩比发动机,是日产工程师经过20年时间研发的技术结晶,相比现款日产2.0T发动机能降低27%的油耗。该发动机的国产化降低了其制造成本,使得中国消费者能够以更实惠的价格享受到拥有全球领先技术的发动机产品,也大大增强了日产车型动力系统的竞争力。今天我们就通过现场拆解来了解下VC-TURBO可变压缩比“黑科技”究竟是怎样一回事。

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● 与竞品参数对比

  已经实现国产的日产2.0T VC-TURBO可变压缩比发动机代号为“KR20DDT”,目前已经搭载在今年6月份上市的东风英菲尼迪2018款QX50之上,此后也将搭载在本月18日上市的东风日产全新天籁(参数|询价)车型之上。

东风日产 天籁 2019款 2.0T ALTIMA基本型

东风日产 天籁 2019款 2.0T ALTIMA基本型

东风日产 天籁 2019款 2.0T ALTIMA基本型

  搭载2.0T VC-TURBO发动机的英菲尼迪QX50和同级竞品相比,在最大功率数据上有一定优势,体现出可变压缩比技术在动力输出性能上的优势。但从下表我们也可以看到,低扭输出性能较强的奥迪2.0T发动机(1600rpm时就能输出370N·m最大扭矩),虽然最大马力和峰值扭矩参数并不突出,但能够为车辆提供更好的加速特性,在0-100km/h加速测试中获得更好的成绩,而且奥迪Q5L上面这台发动机的油耗表现也是可圈可点的。

四款搭载在中型SUV上的主流2.0T发动机参数对比
名称 英菲尼迪2.0T 奥迪2.0T 凯迪拉克2.0T 讴歌2.0T
代号 KR20DDT EA888 - K20C5
排量 2.0L 2.0L 2.0L 2.0L
进气形式 涡轮增压 涡轮增压 涡轮增压 涡轮增压
供油方式 混合喷射 混合喷射 直喷 直喷
是否带有
可变压缩比
应用车型 英菲尼迪QX50 奥迪Q5L 凯迪拉克XT5 讴歌RDX
最大马力 272Ps/5600rpm
(QX50四驱版数据)
252Ps/5000-6000rpm
(Q5L四驱版数据)
269Ps/5500rpm
(XT5四驱版数据)
265Ps/6500rpm
(讴歌RDX四驱版数据)
峰值扭矩 380N·m/4400-4800rpm
(QX50四驱版数据)
370N·m/1600-4500rpm
(Q5L四驱版数据)
400N·m/3000-4300rpm
(XT5四驱版数据)
380N·m/3000-4000rpm
(讴歌RDX四驱版数据)
0-100km/h加速 7.81s
(四驱版实测)
6.7s
(四驱版官方)
8.2s
(四驱版官方)
7.5s
(四驱版官方)
综合油耗 7.9L/100km
(四驱版工信部)
7.3L/100km
(四驱版工信部)
7.9L/100km
(四驱版工信部)
9L/100km
(四驱版工信部)

  据官方介绍,实际上KR20DDT发动机经过调校也能够在1500rpm输出最大扭矩,但受制于QX50上搭载的那台型号较旧的CVT变速箱,最大扭矩输出转速被调高了。等到新车型换用新的变速箱后,KR20DDT发动机被“封印”的低扭才会被完全释放。

● 可变压缩比是怎样实现的?

  从本文标题你们或许已经看出一点端倪,可变压缩比技术实际上已经有二十多年历史了。萨博(Saab)在上世纪80年代末开始研究可变压缩比发动机,通过可移动的气缸盖和缸筒来实现压缩比的改变,并在1990年申请了相关技术专利,之后推出了SVC可变压缩比发动机。自此各整车厂商便开始可变压缩比发动机的研究。

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  为了规避专利诉讼,各厂家实现可变压缩比的方式不尽相同,验证设计概念的发动机数目不少,但基本上都未实现大规模量产,原因集中在可靠性、耐久性、小型化、运转效率等问题上面。

东风日产 天籁 2019款 2.0T ALTIMA基本型

东风日产 天籁 2019款 2.0T ALTIMA基本型

  据官方称,日产这款2.0T VC-TURBO发动机的研发资金高达200亿美元,究竟这款日产斥巨资开发出来的发动机是通过什么方式来实现压缩比改变的呢?下面我们一起来了解一下。

东风日产 天籁 2019款 2.0T ALTIMA基本型

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『日产2.0T VC-TURBO发动机可变压缩比机构实拍视频』

东风日产 天籁 2019款 2.0T ALTIMA基本型

东风日产 天籁 2019款 2.0T ALTIMA基本型

东风日产 天籁 2019款 2.0T ALTIMA基本型

  细心的朋友可能会注意到,VC-TURBO发动机和传统发动机相比,少了曲轴底部的平衡轴,没有了平衡轴是不是意味着发动机的抖动就会变大呢?事实并非如此。VC-TURBO发动机的多连杆结构能够使发动机活塞运动更接近正弦曲线,有利于四个气缸工作时产生的带有相位差的振动相互抵消,从而提升发动机工作时的平顺性。

东风日产 天籁 2019款 2.0T ALTIMA基本型

  与传统的活塞式发动机相比,2.0T VC-TURBO发动机的活塞/曲轴/连杆机构增加了多个摩擦副。这理论上会增加发动机的运转摩擦,降低发动机运转时的效率。但也是由于多连杆机构的设计,2.0T VC-TURBO发动机上与活塞相连的那根连杆在发动机运转时的摆动幅度变小了,这使得活塞处于上止点时,连杆最大程度地保持垂直状态,这样在做功行程初期,点燃混合气产生的冲击力不会使活塞产生较大的向气缸壁挤压的分力,降低活塞与气缸之间的摩擦达44%,对冲了摩擦副增加造成的负面影响。


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『VC-TURBO发动机与传统发动机工作情况对比视频』

东风日产 天籁 2019款 2.0T ALTIMA基本型

东风日产 天籁 2019款 2.0T ALTIMA基本型

  控制电机(带位置传感器的无刷电机)经过减速器减速增扭后,通过A连杆来转动偏心轴,偏心轴的转动会改变多连杆系统的结构,从而同时改变四个气缸活塞上止点和下止点的位置,使得发动机的压缩比能够在8:1至14:1之间变化。据官方资料介绍,发动机压缩比从14:1降低至8:1的过程中,活塞上止点下移了6mm,活塞行程由88.9mm增加值至90.1mm,排量由1970cc增加至1997cc。而发动机压缩比从14:1降低至8:1的用时大约为1.2秒。

● 可变压缩比控制策略是怎样的?

  从2.0T VC-TURBO发动机的MAP图我们可以看到,该发动机中低转速、中低负荷工况采用的是14:1的高压缩比,以提升发动机的燃油经济性;高负荷、高转速工况采用的是8:1的低压缩比,一方面是为了输出更强的动力,另一方面能够避免爆震的发生从而提升发动机运转的平顺性。而上述两种工况区之间的过渡区则会根据实际工况在14:1-8:1之间选择合适的压缩比。

东风日产 天籁 2019款 2.0T ALTIMA基本型

  从官方给出的资料来看,这套可变压缩比系统是能够连续动态地调节发动机的压缩比的。对于不同标号或不同品质的汽油,ECU会根据来自爆震传感器的数据在全工况范围内动态微调压缩比数值,以保证发动机平稳运转,加强发动机对油品的适应性。虽然日产官方推荐该发动机使用95号汽油,但使用92号汽油也是没有问题的,只是动力性能和燃油经济性会有所减弱而已,并不会损坏发动机。除了油品的影响,ECU还会考虑环境温度、冷却液温度、海拔(空气密度)等参数来设定发动机的最优压缩比。

● 采用主流硬件技术配置

  2.0T VC-TURBO发动机除了可变压缩比这个技术亮点外,其上还搭载了众多主流的发动机技术配置,其中包括混合喷射(歧管喷射+缸内直喷)、双循环(阿特金森循环+奥托循环)、进/排气可变气门正时、集成式排气歧管、变排量油泵、电控涡轮排气旁通阀、电控冷却液循环系统等。

东风日产 天籁 2019款 2.0T ALTIMA基本型

东风日产 天籁 2019款 2.0T ALTIMA基本型

  阿特金森循环也被称作米勒循环(因为马自达把“米勒循环”注册为专利,所以其他厂商只好用“阿特金森循环”来称呼这种发动机工作模式避免专利纠纷),是一种压缩行程比做功行程短的发动机工作模式,它能够更有效地利用混合气燃烧产生的能量,所以相比传统的奥拓循环工作模式有更好的节油效果。关于阿特金森循环的知识在这里就不展开了,感兴趣的朋友可以参看《高压缩比的秘密 拆创驰蓝天2.0L发动机》的相关介绍。日产2.0T VC-TURBO发动机和大部分主流同级发动机产品一样,都能够根据工况在阿特金森循环和奥托循环之间切换,以更好地平衡发动机的动力性能和燃油经济性。

东风日产 天籁 2019款 2.0T ALTIMA基本型

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东风日产 天籁 2019款 2.0T ALTIMA基本型

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东风日产 天籁 2019款 2.0T ALTIMA基本型

东风日产 天籁 2019款 2.0T ALTIMA基本型

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  日产这款2.0T VC-TURBO发动机,除了具备独创性的可变压缩比功能外,还大量应用目前发动机行业的主流技术配置,以保证其在同级产品中具有足够强的竞争力。

● 下一阶段的目标——45%热效率

  据日产的工程师透露,2.0T VC-TURBO发动机的下一阶段目标是实现45%的热效率。目前2.0T VC-TURBO发动机的热效率约为38%左右。而达成45%热效率的途径官方没有透露太多,只是说2.0T VC-TURBO发动机的活塞行程还有进一步加大的空间。而增大活塞行程是提升发动机物理压缩比的方法之一。从行业趋势来看,下一代2.0T VC-TURBO发动机采用更高压缩比的HCCI均质压燃技术(不通过火花塞点燃混合气,而是利用超高压缩比让混合气自发燃烧)几率很大。而作为汽油压燃技术的配套,喷射压力在350bar以上的燃油喷嘴、大控制角度的电驱气门正时系统、水冷式废气再循环系统、电动涡轮增压器等目前业界前沿的硬件配置很可能会出现在下一代日产VC-TURBO发动机之上。

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  “均质燃烧”中的“均质”,指的是混合气的状态,遍布气缸内的混合气的汽油浓度是均匀的。通过活塞对气缸内的均质汽油混合气施加压力导致混合气升温,当温度上升至一定程度,气缸各处的混合气会同时燃烧。均质压燃技术提升了汽油发动机在中低负载工况下的稀燃极限,提升了发动机的燃油经济性。(更多关于HCCI均质压燃技术的介绍,可参看《汽油机也压燃? 聊全新创驰蓝天发动机》)

● 全文总结:

  作为发动机领域的“少数派”,日产2.0T VC-TURBO可变压缩比发动机在技术上有其独一无二的创新之处,能更好地平衡发动机动力性能和燃油经济性能是这款发动机的优势之一。20年的技术积淀,使得这款发动机在设计、性能、加工工艺、耐久性等方面都已经优化至一个较高的水平。然而,面对一款创新性的发动机产品,消费者们大多会持观望态度,复杂的可变压缩比控制机构可靠性是否真的经得起中国市场验证呢?这个问题在东风日产的走量车型——全新天籁(参数|询价)上市一段时间之后便能见分晓。(图/文/摄 汽车之家 常庆林)

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