VC-TURBO超變擎+e-POWER日產(chǎn)的王牌

文/馬爽

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

關(guān)于未來傳統(tǒng)內(nèi)燃機將何去何從，這個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著鏡子捫心自問的問題。畢竟時間不會等人，必須要馬上做出決策。在業(yè)內(nèi)，很多人實際也對現(xiàn)有的各種動力方式有了一定清醒的認識，放眼全球，動力方式一定是因地制宜來做選擇的，因為無論是純電動、混動車還是純內(nèi)燃機，其能源消耗已經(jīng)不僅僅停留在汽車與消費者本身身上，而是涉及整個國家產(chǎn)業(yè)、能源結(jié)構(gòu)的問題，全生命周期碳排放、有害氣體排放計算至關(guān)重要。

這里面，美國可能是對動力能源思考的最少的，美國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)燃機尤其是搭載內(nèi)燃機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，由于“地皮”匱乏，能源匱乏，發(fā)動機電氣化以及純電動浪潮不可阻擋，未來可預(yù)見不會停留在傳統(tǒng)的粗獷型發(fā)動機上，混合動力將是主力。再來看看國內(nèi)形勢，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。各種動力方式都在國家和市場雙重監(jiān)管下不斷前進，而日本似乎考慮的更多，無論是堅守混動不放松的豐田路線，還是新興的燃料電池，以及馬自達不斷推出的發(fā)動機“黑科技”，在技術(shù)趨勢和成果方面，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，自然少不了對傳統(tǒng)發(fā)動機的“自我救贖”，未來高效能動力系統(tǒng)路線已經(jīng)清晰可見。

日產(chǎn)對發(fā)動機的思考關(guān)鍵在于改變發(fā)動機的運行方式

日產(chǎn)對改變發(fā)動機運行方式的思考有兩種：一種是從機構(gòu)上直接改變發(fā)動機各個運行區(qū)間的燃燒系統(tǒng)，也就是改變壓縮比。各項輔助電氣化，使得整張運行的MAP圖一個點一個策略。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)動機的運行工況范圍，將發(fā)動機的工作區(qū)域放在很小的區(qū)間上，這個區(qū)間非常小，專注于超高熱效率的實施，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)純電動汽車完全取代現(xiàn)有的動力方式是不可能的?；A(chǔ)設(shè)施以及動力系統(tǒng)仍有較大缺陷，比如快充等，另外一點在能量密度上，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，而更多電池就會帶來更多的配重，這個權(quán)衡就是當前主流車型的續(xù)航里程。所以電池的意義絕不僅僅是純電動汽車，傳統(tǒng)發(fā)動機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控制機構(gòu)本身，電力本身良好的相應(yīng)特點，直接決定了在控制層面先天的優(yōu)勢，而無級可調(diào)又進一步增加了組合控制的先進性，可以搭配出平滑多樣的運行方式。VC-TURBO超變擎在傳統(tǒng)發(fā)動機活塞結(jié)構(gòu)上增加了一套多連桿連接機構(gòu)與HARMONIC DRIVE（諧波傳動裝置）來不斷提高或降低活塞沖程，從而實現(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。嚴格來說這套系統(tǒng)有兩組多連桿系統(tǒng)，當軸向控制器轉(zhuǎn)動并拉動控制臂時，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)過大量的實驗和測試。

VC-TURBO超變擎在傳統(tǒng)發(fā)動機活塞結(jié)構(gòu)上增加了一套多連桿連接機構(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)。進氣端大角度電子正時可變控制閥響應(yīng)速度更快、效率更高，高壓縮比時采用阿特金森循環(huán)，提升經(jīng)濟性；低壓縮比時采用奧托循環(huán)，提升動力性。不同的壓縮比狀態(tài)下采用不同的循環(huán)策略，使得這臺發(fā)動機可以進一步提升整體燃油經(jīng)濟性和動力性。

VC-TURBO超變擎還采用了MPI多點噴射和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)動機擁有更多靈活多變的噴油策略。隨著發(fā)動機壓縮比的變化，多點噴射和缸內(nèi)直噴將會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。同時這兩套噴射方式可以在發(fā)動機高負荷時并行工作，進一步提升動力性與經(jīng)濟性的完美平衡。

如果內(nèi)燃機在未來要進一步發(fā)展，走出人類熱能轉(zhuǎn)換的極限，必須從兩個方面入手，一方面是燃料，更換當前的石油燃料使用更加清潔高效的可再生能源。另一方面，必須進一步提升熱效率，而熱效率就必須改變壓縮比，這是機械結(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當前的發(fā)動機，無論在氣流、噴霧等方面如何再進行優(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)針對這個方向提出了VC-TURBO超變擎，這適應(yīng)了未來內(nèi)燃機的發(fā)展需求，這樣的發(fā)動機可以說開啟了發(fā)動機的全新時代。將混動、電動的優(yōu)勢重新又革命了一番，利用純內(nèi)燃機系統(tǒng)實現(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的沖程，長沖程在熱效率方面有無可比擬的優(yōu)勢，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)動機高度，這使得更長的沖程成為可能，壓縮比的機械極限得到了釋放，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，熱效率可以得到進一步提升。

利用VCR系統(tǒng)可以縮小發(fā)動機高度這使得更長的沖程成為可能壓縮比的機械極限得到了釋放

完善好了這一條路，另一條路就是e-POWER。實際上e-POWER這套系統(tǒng)是串聯(lián)方式的一個改良，在動力理念上也就是所謂的“增程器”。這種串聯(lián)的混動方式，雖然日產(chǎn)一直以純電動標榜，而且其動力表現(xiàn)確實符合純電動表現(xiàn)，但是實際上可以說是全新的動力系統(tǒng)設(shè)計方式。因為無論在電池設(shè)計管理還是發(fā)動機燃燒系統(tǒng)開發(fā)，這套動力方式都必須重新設(shè)計規(guī)劃。目前，掌握增程式發(fā)動機核心技術(shù)的企業(yè)并不多。比如這套e-POWER系統(tǒng)，首先電池的選型因為其快速充放電以及不需要很大的能量負載特性，因此小電池包、緊湊型設(shè)計成為重點，比如容量1.47kwh、重40.9kg的電池，使得電池重量完全不會成為汽車的負擔(dān)，反而成為發(fā)動機能源的“蓄水池”。另外，這套系統(tǒng)非常好的優(yōu)點就是利用制動回收的能力，可以直接取消制動踏板，也就是像我們打游戲一樣，只利用加速踏板就可以實現(xiàn)加速，而松開就自然制動，可以想象這種駕駛體驗配合電機的快速響應(yīng)，開車樂趣將直線飆升。

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

對于發(fā)動機設(shè)計，可以看到通過電機加持，高效運行區(qū)間直接被調(diào)校到了紅色區(qū)域內(nèi)，這個區(qū)間非常非常小，使得發(fā)動機燃燒系統(tǒng)的運行工況直接被控制在了一個相對穩(wěn)定的邊界，這對于燃燒系統(tǒng)的設(shè)計、優(yōu)化都是極大利好。對于壓縮比、燃燒方式、噴油方式直接可以在指定可控的一個小范圍內(nèi)直接進行優(yōu)化，不再需要考慮比如大負荷以及高速、低速的爆震、冷啟動、濕壁等一系列問題。而日產(chǎn)也針對這款發(fā)動機進行了優(yōu)化。首先缸數(shù)減至3缸，并取消了對高速NVH以及低速爆震的考量，直接利用低粘度機油減少摩擦，使用小水泵增加緊湊性。另外，設(shè)計長沖程的燃燒系統(tǒng)，實現(xiàn)點工況的超高熱效率?？傮w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)校以及動力系統(tǒng)設(shè)計深得人心，這不僅僅是內(nèi)燃機和電池兩種動力方式的簡單組合，而是如上所說的深度搭配，取長補短。另外這套系統(tǒng)的難點也比較明顯，優(yōu)點汲取二者之和，而缺點也是同樣的，其設(shè)計難度、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，針對頻繁充放電以及大電機、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控制以及防止老化非常重要，這是核心點之一，也是直接關(guān)乎用戶體驗的一步。在控制層面需要與發(fā)動機ECU以及電池BMS相耦合，想要做到這點就需要所有技術(shù)層面的自主化。另外小的電池包對電池的管理帶來很多優(yōu)點，比如充電方面會更加方便，但是也對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，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。

其次就是對發(fā)動機設(shè)計帶來巨大的挑戰(zhàn)，這種動力系統(tǒng)的真實油耗應(yīng)該比當前發(fā)動機表現(xiàn)優(yōu)越，更能滿足將來國六RDE真實路況測試，因為其無論如何運行，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電池的影響上，對發(fā)動機的挑戰(zhàn)則是真正實現(xiàn)高熱效率點的技術(shù)合成。在普通車上，如果一個很高的熱效率在很小的范圍內(nèi)才可以實現(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)動機的需求，則開不出這套燃燒系統(tǒng)最高表現(xiàn)，所以有時候兩臺技術(shù)差別很大的發(fā)動機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，而且是一直在最優(yōu)點，這就相當于上來就亮底牌，需要有相當強的技術(shù)儲備，應(yīng)對超高熱效率的燃燒系統(tǒng)設(shè)計。

所以，無論現(xiàn)在對于傳統(tǒng)發(fā)動機未來何去何從的爭論有多激烈，其實未來的技術(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紛紛亮出自己的王牌。這樣的時代猶如群雄涿鹿，激動人心。日產(chǎn)動力雄心就是“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)，加持電池電機的動力輸出，就是已來的未來。