可变压缩比发动机是改变世界还是自娱自乐?

Posted 21/06/18

日产的可变压缩比发动机,值得谈论的事情很多,当中一些是颇为深奥的,请读者有心理准备。让我们从最浅的原理开始吧,首先何谓可变压缩比?往复式发动机气缸总容积其实由两部份组成,其一是活塞由上止点至下止点的工作容积,也即是我们常常说的排气量;另一部份是活塞在上止点时剩下的余隙容积,活塞抽进来的空气就是被压缩成这个细小的容积,它越少压就越大,压缩比就越高。

所谓可变压缩比发动机,就是设计到能控制这个余隙容积变大变小,其这不是很新的概念,一些二冲程摩托车发动机,由于没有复杂的气缸头和活瓣,只要在气缸上方装一个小活塞,活塞移动就能改变压缩比,这方法二十几年前已经出现过。汽车用的四冲程能怎样做呢?理论上如果气缸内燃室的顶部和曲轴中心距离可以调节的话也能实现改变压缩比的,当年SAAB往这方向研究差点便成功了,由于曲轴中心要连接传动系统,SAAB不敢动它,却很有创意地把气缸头设计成可以升降,不过随着通用收购SAAB这个滑稽的概念最终被搁置了。

日产的做法是可以维持一个牢固的缸体和气缸头的结构,它设计特点是活塞连杆并不是直接推动曲轴,而是透过连杆间接推动曲轴,这种做法在早期的发动机很常见,阿特金森循环的始祖设计就是这样的,但汽车工业萌芽后百年以来这种复杂结构已很少见了。

它除了能实现可变压缩比外,还有另一个优点,就是活塞连杆下半部作圆运动轨迹的直径比传统发动机来得小,而这个圆形运动的直径正是往复发动机次级震动的根源所在,所以日产说这台四气缸无须平衡轴,玄机就在于此,不过尽管没有活塞引发的震动,但一大堆连杆在曲轴箱里运动,也不会全无动静的,而且这些零碎复杂的震动根本无法透过简单设计抵消,所以这台发动机需要采用液压支架。

讲了简单的事情,现在开始进入正题。

几十年来,可变压缩比一直以来以文起八代之衰的姿态示人,说是能解决汽油发动机的先天缺点,而可变压缩比的原则是高负荷大马力时用低压缩比,低负荷的时候转换成高压缩比模式。各位编辑部同仁,各位车迷,你们没有看错,我也没打错字,车厂也是这样说的。大家是不是胡涂了?那个压缩比到底是什么东西?不是说压缩比越高热效率就越好的吗?说来话长,汽油发动机的热效率的确是随着压缩比提高而上升的,在没有涡轮的年代,跑车发动机都是爱比拼压缩比,但压缩比不能无止境地提高,汽油发动机的原理是燃料混和空气压缩的,压缩比太高点火前已经自燃出现爆震,设计发动机压缩的上限假设油门(其实应该叫阻风门)全开,最多空气进入加上最浓汽油混合的状态,在低负荷之下,阻风门只打开一部份,进入气缸空气稀薄,即使活塞去到上止点,其实并没有得出理论上的压缩比,我们开车时时踩下油门令车加速,其机制是先让多点空气进入,把实际的压缩比提高,配合相应的燃料,热效率增加,燃烧压力加大,车速便会加快,油门半开的时候,其实效率是不高的,但汽油发动机却又不得不以阻风门在调节速度,这就是所谓汽油发动机的先天缺点,可变压缩比是基于这背景出现的。

但是发动机技术一日千里,以今天的情况来说,要解决汽油发动机这缺点实在已经有不少替代方法,例如可变气缸数目Cylinder on Demand技术,在低负荷时把部份气缸的活瓣关闭让空气由剩下来的气缸分享,同样提高工作气缸的压缩比,以今天的活瓣控制技术来说,这是最简单便宜的方法,又比如电控增压技术,可随时增加进气压力弥补损失,又或者预设一个高的压缩比值,让低负荷时能抵消损失,然而在高负荷时以活瓣开关时间来释放过高的压力等等。

但无论如何,这个多连杆可变压缩比设计是一项机械工程的杰作,肯定会在汽车工程史册上占一篇章,但我不很相信会有很多车厂仿效,原因是可变压缩比的目的是优化发动机在整个工作范围的热效率,在发动机还讲究drivability的年代,那是乌托邦,但今天是混动, 十速变速器的年代,对发动机工作范围要求越来越窄。最有趣的是,日产在发布可变压缩比发动机的同时还发表他们的e-power——是完全无须讲究发动机drivability的串联混动,日产是发展电动车最进取的日本车厂,他们怎会不知到世界转到什么样了?他们造这部可变压缩比发动机,我觉得像金庸写鹿鼎记一样,是娱人自娱的作品。