VC-TURBO超變擎+e-POWER日產(chǎn)的王牌

文/馬爽

近年來汽車行業(yè)可能是對(duì)未來思考最多的幾個(gè)領(lǐng)域之一，眾多“名門望族”的傳統(tǒng)汽車廠商一夜間從睡夢(mèng)中驚醒，前有排放法規(guī)的圍堵，后有電動(dòng)車的追趕，技術(shù)革新已經(jīng)迫在眉睫。而在這個(gè)過程里，動(dòng)力方式也是人們關(guān)注和討論最多的一個(gè)方向了，甚至可以說已經(jīng)到了全民參與的態(tài)勢(shì)。在未來的車子上，究竟我們?cè)摯钶d什么樣的動(dòng)力系統(tǒng)，該應(yīng)用什么樣的能源方式？

關(guān)于未來傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)將何去何從，這個(gè)問題不僅是人們茶余飯后的消遣，更是各大汽車公司工程師們每天都要對(duì)著鏡子捫心自問的問題。畢竟時(shí)間不會(huì)等人，必須要馬上做出決策。在業(yè)內(nèi)，很多人實(shí)際也對(duì)現(xiàn)有的各種動(dòng)力方式有了一定清醒的認(rèn)識(shí)，放眼全球，動(dòng)力方式一定是因地制宜來做選擇的，因?yàn)闊o論是純電動(dòng)、混動(dòng)車還是純內(nèi)燃機(jī)，其能源消耗已經(jīng)不僅僅停留在汽車與消費(fèi)者本身身上，而是涉及整個(gè)國(guó)家產(chǎn)業(yè)、能源結(jié)構(gòu)的問題，全生命周期碳排放、有害氣體排放計(jì)算至關(guān)重要。

這里面，美國(guó)可能是對(duì)動(dòng)力能源思考的最少的，美國(guó)的汽車廠商把寶更多地押在了無人駕駛以及智能服務(wù)等技術(shù)上，另外能源充沛使得電動(dòng)化浪潮也并不突出。雖然有特斯拉加持，但是在未來幾十年里，內(nèi)燃機(jī)尤其是搭載內(nèi)燃機(jī)的皮卡還將扮演很重要的角色。相反歐洲已經(jīng)表明態(tài)勢(shì)，由于“地皮”匱乏，能源匱乏，發(fā)動(dòng)機(jī)電氣化以及純電動(dòng)浪潮不可阻擋，未來可預(yù)見不會(huì)停留在傳統(tǒng)的粗獷型發(fā)動(dòng)機(jī)上，混合動(dòng)力將是主力。再來看看國(guó)內(nèi)形勢(shì)，各家企業(yè)“百花齊放，方興未艾”，擼起袖子加油干得熱火朝天。各種動(dòng)力方式都在國(guó)家和市場(chǎng)雙重監(jiān)管下不斷前進(jìn)，而日本似乎考慮的更多，無論是堅(jiān)守混動(dòng)不放松的豐田路線，還是新興的燃料電池，以及馬自達(dá)不斷推出的發(fā)動(dòng)機(jī)“黑科技”，在技術(shù)趨勢(shì)和成果方面，日本都已經(jīng)走在了世界前端。而日產(chǎn)作為日本汽車公司幾大巨頭之一，自然少不了對(duì)傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)的“自我救贖”，未來高效能動(dòng)力系統(tǒng)路線已經(jīng)清晰可見。

日產(chǎn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的思考關(guān)鍵在于改變發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行方式

日產(chǎn)對(duì)改變發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行方式的思考有兩種：一種是從機(jī)構(gòu)上直接改變發(fā)動(dòng)機(jī)各個(gè)運(yùn)行區(qū)間的燃燒系統(tǒng)，也就是改變壓縮比。各項(xiàng)輔助電氣化，使得整張運(yùn)行的MAP圖一個(gè)點(diǎn)一個(gè)策略。這也就是VCR燃燒系統(tǒng)。目前，這套系統(tǒng)日產(chǎn)已經(jīng)成功量產(chǎn)，那就是搭載在第七代天籟上的VC-TURBO超變擎。另一種是通過直接縮減發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行工況范圍，將發(fā)動(dòng)機(jī)的工作區(qū)域放在很小的區(qū)間上，這個(gè)區(qū)間非常小，專注于超高熱效率的實(shí)施，這就是e-POWER系統(tǒng)。目前，日產(chǎn)也已經(jīng)將此技術(shù)成功搭載在量產(chǎn)車型中。

在技術(shù)趨勢(shì)和成果方面日本都已經(jīng)走在了世界前端

VC-TURBO超變擎三大發(fā)明人之一，茂木克也先生之前曾經(jīng)表示過，在未來30年內(nèi)，日產(chǎn)純電動(dòng)汽車完全取代現(xiàn)有的動(dòng)力方式是不可能的?；A(chǔ)設(shè)施以及動(dòng)力系統(tǒng)仍有較大缺陷，比如快充等，另外一點(diǎn)在能量密度上，無論是現(xiàn)在鋰電池的100Wh/kg，還是未來要發(fā)展到的直接提升一倍的200Wh/kg，而這一數(shù)字相對(duì)汽油的12000Wh/kg都太過渺小，想要高續(xù)航必須有更多的電池，而更多電池就會(huì)帶來更多的配重，這個(gè)權(quán)衡就是當(dāng)前主流車型的續(xù)航里程。所以電池的意義絕不僅僅是純電動(dòng)汽車，傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)配以電氣化同樣效果驚人。

電氣化革新在VC-TURBO超變擎上也已經(jīng)開始了布局，比如電子VVT以及VCR控制機(jī)構(gòu)本身，電力本身良好的相應(yīng)特點(diǎn)，直接決定了在控制層面先天的優(yōu)勢(shì)，而無級(jí)可調(diào)又進(jìn)一步增加了組合控制的先進(jìn)性，可以搭配出平滑多樣的運(yùn)行方式。VC-TURBO超變擎在傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)活塞結(jié)構(gòu)上增加了一套多連桿連接機(jī)構(gòu)與HARMONIC DRIVE（諧波傳動(dòng)裝置）來不斷提高或降低活塞沖程，從而實(shí)現(xiàn)壓縮比的調(diào)節(jié)。根據(jù)車輛的行駛狀態(tài)和駕駛員的操作，根據(jù)不同工況需求智能選擇8:1到14:1之間的最佳壓縮比。嚴(yán)格來說這套系統(tǒng)有兩組多連桿系統(tǒng)，當(dāng)軸向控制器轉(zhuǎn)動(dòng)并拉動(dòng)控制臂時(shí)，改變多連桿角度調(diào)節(jié)活塞在汽缸內(nèi)的行程，從而起到改變壓縮比的目的。這套多連桿機(jī)構(gòu)雖然看似復(fù)雜，但功能性和可靠性非常值得令人信服，日產(chǎn)在這方面經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)和測(cè)試。

VC-TURBO超變擎在傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)活塞結(jié)構(gòu)上增加了一套多連桿連接機(jī)構(gòu)與HARMONIC DRIVE來不斷提高或降低活塞沖程

為了更好的發(fā)揮可變壓縮比技術(shù)帶來的功效，VC-TURBO超變擎還采用了阿特金森與奧托雙循環(huán)。進(jìn)氣端大角度電子正時(shí)可變控制閥響應(yīng)速度更快、效率更高，高壓縮比時(shí)采用阿特金森循環(huán)，提升經(jīng)濟(jì)性；低壓縮比時(shí)采用奧托循環(huán)，提升動(dòng)力性。不同的壓縮比狀態(tài)下采用不同的循環(huán)策略，使得這臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)可以進(jìn)一步提升整體燃油經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性。

VC-TURBO超變擎還采用了MPI多點(diǎn)噴射和DIG缸內(nèi)直噴兩種燃油噴射方式，這套燃油噴射系統(tǒng)可以讓發(fā)動(dòng)機(jī)擁有更多靈活多變的噴油策略。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比的變化，多點(diǎn)噴射和缸內(nèi)直噴將會(huì)采用更加理想的噴油策略，從而在油耗和性能方面取得平衡。同時(shí)這兩套噴射方式可以在發(fā)動(dòng)機(jī)高負(fù)荷時(shí)并行工作，進(jìn)一步提升動(dòng)力性與經(jīng)濟(jì)性的完美平衡。

如果內(nèi)燃機(jī)在未來要進(jìn)一步發(fā)展，走出人類熱能轉(zhuǎn)換的極限，必須從兩個(gè)方面入手，一方面是燃料，更換當(dāng)前的石油燃料使用更加清潔高效的可再生能源。另一方面，必須進(jìn)一步提升熱效率，而熱效率就必須改變壓縮比，這是機(jī)械結(jié)構(gòu)決定的，是必然之路。另外在高壓縮比下，減少熱量損失，稀薄低溫燃燒也已經(jīng)是必由之路，可以看到如果基于一臺(tái)當(dāng)前的發(fā)動(dòng)機(jī)，無論在氣流、噴霧等方面如何再進(jìn)行優(yōu)化，豐田的Dynamic Force系統(tǒng)41%的熱效率可以說已經(jīng)做到極限了，如果要將熱效率提升到50%，必須引入新的VCR機(jī)構(gòu)調(diào)整壓縮比，搭配新型燃燒模式。而這一步，壓縮比是開始，也是基礎(chǔ)，所以日產(chǎn)針對(duì)這個(gè)方向提出了VC-TURBO超變擎，這適應(yīng)了未來內(nèi)燃機(jī)的發(fā)展需求，這樣的發(fā)動(dòng)機(jī)可以說開啟了發(fā)動(dòng)機(jī)的全新時(shí)代。將混動(dòng)、電動(dòng)的優(yōu)勢(shì)重新又革命了一番，利用純內(nèi)燃機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了高效能的燃燒。在這條路子上接下來就是不斷地提升壓縮比，然后實(shí)現(xiàn)超高壓縮比下新的燃燒方式，超增壓，超高壓力噴射，深度稀薄燃燒，深度米勒循環(huán)等等。而更高的壓縮比需要更長(zhǎng)的沖程，長(zhǎng)沖程在熱效率方面有無可比擬的優(yōu)勢(shì)，更小的缸徑使得快速燃燒提升，滾流提升，高壓縮比以及熱損失得到平衡，利用VCR系統(tǒng)可以明顯縮小發(fā)動(dòng)機(jī)高度，這使得更長(zhǎng)的沖程成為可能，壓縮比的機(jī)械極限得到了釋放，隨之而來的深度米勒循環(huán)、更小的熱損失以及超高滾流、快速燃燒等技術(shù)得到了釋放，熱效率可以得到進(jìn)一步提升。

利用VCR系統(tǒng)可以縮小發(fā)動(dòng)機(jī)高度這使得更長(zhǎng)的沖程成為可能壓縮比的機(jī)械極限得到了釋放

完善好了這一條路，另一條路就是e-POWER。實(shí)際上e-POWER這套系統(tǒng)是串聯(lián)方式的一個(gè)改良，在動(dòng)力理念上也就是所謂的“增程器”。這種串聯(lián)的混動(dòng)方式，雖然日產(chǎn)一直以純電動(dòng)標(biāo)榜，而且其動(dòng)力表現(xiàn)確實(shí)符合純電動(dòng)表現(xiàn)，但是實(shí)際上可以說是全新的動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)方式。因?yàn)闊o論在電池設(shè)計(jì)管理還是發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒系統(tǒng)開發(fā)，這套動(dòng)力方式都必須重新設(shè)計(jì)規(guī)劃。目前，掌握增程式發(fā)動(dòng)機(jī)核心技術(shù)的企業(yè)并不多。比如這套e-POWER系統(tǒng)，首先電池的選型因?yàn)槠淇焖俪浞烹娨约安恍枰艽蟮哪芰控?fù)載特性，因此小電池包、緊湊型設(shè)計(jì)成為重點(diǎn)，比如容量1.47kwh、重40.9kg的電池，使得電池重量完全不會(huì)成為汽車的負(fù)擔(dān)，反而成為發(fā)動(dòng)機(jī)能源的“蓄水池”。另外，這套系統(tǒng)非常好的優(yōu)點(diǎn)就是利用制動(dòng)回收的能力，可以直接取消制動(dòng)踏板，也就是像我們打游戲一樣，只利用加速踏板就可以實(shí)現(xiàn)加速，而松開就自然制動(dòng)，可以想象這種駕駛體驗(yàn)配合電機(jī)的快速響應(yīng)，開車樂趣將直線飆升。

e-POWER這套系統(tǒng)是串聯(lián)方式的一個(gè)改良，在動(dòng)力理念上也就是所謂的“增程器”

對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)，可以看到通過電機(jī)加持，高效運(yùn)行區(qū)間直接被調(diào)校到了紅色區(qū)域內(nèi)，這個(gè)區(qū)間非常非常小，使得發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒系統(tǒng)的運(yùn)行工況直接被控制在了一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的邊界，這對(duì)于燃燒系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、優(yōu)化都是極大利好。對(duì)于壓縮比、燃燒方式、噴油方式直接可以在指定可控的一個(gè)小范圍內(nèi)直接進(jìn)行優(yōu)化，不再需要考慮比如大負(fù)荷以及高速、低速的爆震、冷啟動(dòng)、濕壁等一系列問題。而日產(chǎn)也針對(duì)這款發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了優(yōu)化。首先缸數(shù)減至3缸，并取消了對(duì)高速NVH以及低速爆震的考量，直接利用低粘度機(jī)油減少摩擦，使用小水泵增加緊湊性。另外，設(shè)計(jì)長(zhǎng)沖程的燃燒系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)工況的超高熱效率。總體使得熱效率上升5%，直指50%。

這套系統(tǒng)已經(jīng)在日本大賣了，18年甚至登頂全日本銷量冠軍，這就說明整車的調(diào)校以及動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)深得人心，這不僅僅是內(nèi)燃機(jī)和電池兩種動(dòng)力方式的簡(jiǎn)單組合，而是如上所說的深度搭配，取長(zhǎng)補(bǔ)短。另外這套系統(tǒng)的難點(diǎn)也比較明顯，優(yōu)點(diǎn)汲取二者之和，而缺點(diǎn)也是同樣的，其設(shè)計(jì)難度、控制難度非常大。

首先電池的管理系統(tǒng)（BMS）需要重新設(shè)計(jì)，針對(duì)頻繁充放電以及大電機(jī)、小電池的系統(tǒng)，如何保證元件在頻繁改變電流以及控制策略的條件下精準(zhǔn)控制以及防止老化非常重要，這是核心點(diǎn)之一，也是直接關(guān)乎用戶體驗(yàn)的一步。在控制層面需要與發(fā)動(dòng)機(jī)ECU以及電池BMS相耦合，想要做到這點(diǎn)就需要所有技術(shù)層面的自主化。另外小的電池包對(duì)電池的管理帶來很多優(yōu)點(diǎn)，比如充電方面會(huì)更加方便，但是也對(duì)電池的性能提出新的需求，比如說在不同溫度環(huán)境下的控制、是否加入冷卻以及保溫系統(tǒng)，如果引入中國(guó)，這些需要因地制宜的考慮，否則串聯(lián)系統(tǒng)一旦出現(xiàn)環(huán)節(jié)的丟失，將無法工作。

其次就是對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)帶來巨大的挑戰(zhàn)，這種動(dòng)力系統(tǒng)的真實(shí)油耗應(yīng)該比當(dāng)前發(fā)動(dòng)機(jī)表現(xiàn)優(yōu)越，更能滿足將來國(guó)六RDE真實(shí)路況測(cè)試，因?yàn)槠錈o論如何運(yùn)行，都是在小區(qū)間內(nèi)燃燒，其燃燒效果非常穩(wěn)定，而不同工況的損失主要集中在溫度對(duì)電池的影響上，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的挑戰(zhàn)則是真正實(shí)現(xiàn)高熱效率點(diǎn)的技術(shù)合成。在普通車上，如果一個(gè)很高的熱效率在很小的范圍內(nèi)才可以實(shí)現(xiàn)，那么意味著如果你的開車技術(shù)或者變速箱技術(shù)沒有滿足發(fā)動(dòng)機(jī)的需求，則開不出這套燃燒系統(tǒng)最高表現(xiàn)，所以有時(shí)候兩臺(tái)技術(shù)差別很大的發(fā)動(dòng)機(jī)其燃燒效果并不一定有天壤之別。而這套系統(tǒng)直接比的就是最優(yōu)點(diǎn)，而且是一直在最優(yōu)點(diǎn)，這就相當(dāng)于上來就亮底牌，需要有相當(dāng)強(qiáng)的技術(shù)儲(chǔ)備，應(yīng)對(duì)超高熱效率的燃燒系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

所以，無論現(xiàn)在對(duì)于傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)未來何去何從的爭(zhēng)論有多激烈，其實(shí)未來的技術(shù)路徑已經(jīng)很明顯了。日產(chǎn)率先亮出了自己的王牌，VC-TURBO超變擎+e-POWER，相信接下來各大汽車廠商也將會(huì)紛紛亮出自己的王牌。這樣的時(shí)代猶如群雄涿鹿，激動(dòng)人心。日產(chǎn)動(dòng)力雄心就是“兩條腿走路”，而日產(chǎn)采用的“雙腿”都把傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)電氣化放在了最為核心位置上。新的可再生清潔燃料，搭配超高熱效率的燃燒系統(tǒng)，加持電池電機(jī)的動(dòng)力輸出，就是已來的未來。