內(nèi)燃機絕唱？聊聊VC-TURBO背后的故事

群星閃耀（查成交價|參配|優(yōu)惠政策）的20世紀(jì)（查成交價|參配|優(yōu)惠政策）70年代

電動汽車和新能源技術(shù)的推廣，似乎讓傳統(tǒng)電力的發(fā)展越來越艱難。“20XX年全面通電”的政策和趨勢...2025年起不再有汽油車”似乎也預(yù)示著燃油車的終結(jié)，但事實真的如此嗎？就在今年，英國菲尼迪QX50橫空出世空，再次將傳統(tǒng)內(nèi)燃機推向舞臺。我們再一次感受到了機械的魅力，但這也帶來了一個問題，可變壓縮比發(fā)動機是不是內(nèi)燃機最后的絕唱？畢竟，目前，內(nèi)燃機幾乎不可能再次進(jìn)行結(jié)構(gòu)改變...

本文從歷史上內(nèi)燃機的幾大技術(shù)革新入手，從米勒循環(huán)到阿特金森循環(huán)，從化油器到缸內(nèi)直噴，從自然吸氣到渦輪增壓，最后到汽車人無限向往的“可變技術(shù)”...

■英國菲尼迪QX50，是內(nèi)燃機的最后一曲還是新時代的崛起？

說到可變壓縮比，其實過去也用過一些發(fā)動機，比如馬自達(dá)創(chuàng)馳藍(lán)天發(fā)動機或者豐田混動阿特金森發(fā)動機等。，但本質(zhì)上，這些可變壓縮比技術(shù)對可變壓縮比的改變不大，它們都是通過調(diào)整配氣機構(gòu)使發(fā)動機的膨脹比大于實際壓縮比來實現(xiàn)的。

縱觀汽車歷史，一臺能夠真正量產(chǎn)的可變壓縮比發(fā)動機，絕對可以進(jìn)入改變汽車歷史的名人堂。畢竟在內(nèi)燃機近百年的發(fā)展歷程中，物理結(jié)構(gòu)幾乎沒有什么變化，也正是因為幾乎定型的發(fā)動機結(jié)構(gòu)，這款可變壓縮比發(fā)動機才顯得格外珍貴。當(dāng)然，可變壓縮比發(fā)動機的出現(xiàn)不是一蹴而就的。它是日產(chǎn)經(jīng)過20年發(fā)展起來的，200億美元一點一點積累起來的。這是幾代發(fā)動機從歧管噴射到直噴，從自然吸氣到增壓，從單氣門到多氣門到雙頂置凸輪軸，從一代到一代的逐漸演變……而最初的故事應(yīng)該從最早的四沖程發(fā)動機說起。

■咖啡銷售員和世界上第一臺四沖程發(fā)動機

1832年6月14日，一個普通的德國工匠家庭迎來了他們的第六個孩子，尼古拉·奧古斯特·奧托。奧托于1838年開始上學(xué)，從小就對科學(xué)技術(shù)表現(xiàn)出極大的興趣，一直持續(xù)到高中。

按照大致的劇本，奧托似乎在一家銷售公司完成了他的整個職業(yè)生涯，但命運卻是如此驚人。熱愛科技的奧托偶然得知，1860年深秋，比利時工程師勒諾瓦正在設(shè)計制造一種新型發(fā)動機。

奧托被勒諾伊的發(fā)明迷住了，所以他和他的兄弟復(fù)制了勒諾伊發(fā)動機，對其進(jìn)行了改進(jìn)，并使用了液體燃料。雖然最終在申請專利時被當(dāng)時的普魯士商務(wù)部否決，但奧托實現(xiàn)了液體燃料壓縮的方向，如果我們現(xiàn)在來看，這是燃油噴射的雛形。

同年，奧托也了解到這位法國工程師的想法，這與他自己的壓縮燃料概念相吻合。于是奧托在1861年用這個原理制造了一臺發(fā)動機，但遺憾的是這臺發(fā)動機只跑了幾分鐘，但不可否認(rèn)的是，這是世界上第一臺四沖程發(fā)動機樣機。

奧托循環(huán)是目前大多數(shù)發(fā)動機的工作方式，一個工作循環(huán)由四個沖程組成:吸氣過程、壓縮過程、膨脹工作過程和排氣過程。

首先，活塞的向下運動使燃料和空氣體的混合物通過一個或多個閥門進(jìn)入氣缸，關(guān)閉進(jìn)氣門，活塞向上運動壓縮混合氣體。然后，當(dāng)接近壓縮沖程的峰值時，混合氣體被火花塞點燃，燃燒空氣體爆炸產(chǎn)生的推力迫使活塞向下運動，完成做功沖程，最終燃燒后的氣體通過排氣閥排出氣缸。

奧托發(fā)動機問世以來，估計大家對后者都比較熟悉。戴姆勒和邁巴赫（查成交價|參配|優(yōu)惠政策），曾經(jīng)是奧托公司的工程師，制造了第一臺往復(fù)式四沖程汽油發(fā)動機。后來，在1886年初夏，德國人卡爾·本茨在三輪車上安裝了自己的二沖程汽油發(fā)動機，成為世界上第一輛標(biāo)準(zhǔn)車。

回到奧托循環(huán)這個話題，在奧托發(fā)明自己的發(fā)動機之前，其他內(nèi)燃機的馬力都比較低，基本上不可能用在汽車上，但是奧托發(fā)動機可以做到這一點。此外，奧托循環(huán)還將膨脹比和壓縮比的概念應(yīng)用于發(fā)動機。毫不夸張地說，奧托先生是汽車發(fā)動機史上真正的創(chuàng)造者之一。

高壓縮比技術(shù)到來

■混合動力汽車發(fā)動機的鼻祖——詹姆斯·阿特金森

阿特金森是另一個著名的名字。詹姆斯·阿特金森1846年出生于英國漢（查成交價|參配|優(yōu)惠政策）普斯特德。1882年，他帶來了一臺與奧托循環(huán)發(fā)動機完全不同的阿特金森發(fā)動機。

阿特金森發(fā)動機的出現(xiàn)提高了奧托循環(huán)發(fā)動機的燃油效率。雖然每個氣缸的功率變得更低，但它為未來的汽車工程師提供了更多的方法來解決功率和油耗之間看似不可調(diào)和的競爭，這對可變壓縮比和后來的米勒循環(huán)產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。詹姆斯·阿特金森絕不會想到21世紀(jì)（查成交價|參配|優(yōu)惠政策）人們會如此成功地改進(jìn)阿特金森發(fā)動機。

■58年后的演變——米勒循環(huán)

阿特金森設(shè)計的共同點是發(fā)動機的膨脹沖程比壓縮沖程長，通過這種方法，發(fā)動機實現(xiàn)了比傳統(tǒng)活塞式發(fā)動機更高的熱效率。1940年，美國工程師拉爾夫·米勒再次改進(jìn)了不對等膨脹比/壓縮比，通過控制進(jìn)氣門的開啟時間來調(diào)整壓縮比。

奧托循環(huán)

米勒循環(huán)

這款發(fā)動機在設(shè)計之初有兩個技術(shù)點，一是機械增壓，二是進(jìn)氣門延遲關(guān)閉。在進(jìn)氣后的米勒循環(huán)的壓縮階段，進(jìn)氣門稍后會關(guān)閉，也就是活塞上升時，進(jìn)氣門仍處于開啟狀態(tài)，所以缸內(nèi)的部分氣體會重新進(jìn)入進(jìn)氣歧管，在機械增壓的作用下保持氣壓，這樣在下一個進(jìn)氣沖程就可以提高進(jìn)氣效率，減少泵壓損失。然而，這也導(dǎo)致實際壓縮的空氣體不會超過進(jìn)氣時的氣體，從而降低了壓縮比。

米勒循環(huán)發(fā)動機雖然在發(fā)明之初沒有受到重視，但對后來的日系車產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。馬自達(dá)、豐田和本田都是米勒循環(huán)發(fā)動機的忠實粉絲。此外，大眾EA888 TSI還應(yīng)用了米勒循環(huán)發(fā)動機的原理。

從1876年到1940年，汽車技術(shù)發(fā)生了翻天覆地的變化，汽車人才都是閃耀的明星。在這64年中，基本奠定了發(fā)動機工作的三個主要原理，創(chuàng)造了壓縮比、膨脹比等內(nèi)燃機概念，為今后可變壓縮比發(fā)動機的研究奠定了堅實的基礎(chǔ)。

本期到此結(jié)束。下期我將重點講述增壓技術(shù)、可變正時技術(shù)、歧管噴射、直噴等現(xiàn)代發(fā)動機技術(shù)的故事和發(fā)展，敬請關(guān)注。

增壓技術(shù)的歷史和現(xiàn)狀

大家好，我們寒冷歷史的第二部分終于在“然而，在她向我們走來之前，我們打了一千次電話，催促了一千次”中遇見了你。上一期我們介紹了內(nèi)燃機三大循環(huán)背后的趣聞。本期為大家?guī)砀變?nèi)直噴、可變壓縮比、發(fā)動機物理結(jié)構(gòu)等內(nèi)燃機歷史故事。，結(jié)合汽車史上的大牌。沒有太多廢話，我們將看看1882年...

■摩托車之父也有增壓技術(shù)專利？！

說起偉大的德國發(fā)明家戈特利布·威廉·戴姆勒，大家肯定會想到他和邁巴赫一起研究的汽車發(fā)動機以及后來的戴姆勒-奔馳公司，但實際上，戴姆勒是世界上第一個小型高速發(fā)動機的發(fā)明者。我們在上一篇文章中提到了奧托先生。戴姆勒在奧托的公司擔(dān)任工程師，但在研發(fā)過程中，戴姆勒和奧托產(chǎn)生了嚴(yán)重分歧。

今年，在世界第一輛摩托車的光環(huán)下，出現(xiàn)了一個不為人知的專利:這是一個齒輪驅(qū)動的泵，可以將空氣體強制送入發(fā)動機。這也成為世界上最早有記錄的主動將空氣體送入發(fā)動機的增壓技術(shù)。

今年，專注于內(nèi)燃機效率和排氣熱損失的AlfredBüchi從戴姆勒的專利中獲得了靈感。他設(shè)計了一臺軸流壓縮機，由活塞式發(fā)動機的廢氣驅(qū)動，為內(nèi)燃機提供更多的空氣體。這個原理非常簡單，從渦輪增壓器發(fā)明以來一直延續(xù)至今，1905年也被稱為渦輪增壓器的元年。

雖然在渦輪上加裝發(fā)動機可以帶來明顯的動力提升，但由于當(dāng)時發(fā)動機技術(shù)不成熟，經(jīng)常出現(xiàn)故障，最終奧茲莫比爾在一年后停止了這款發(fā)動機的供應(yīng)。雖然這臺發(fā)動機已經(jīng)停止使用，但渦輪增壓技術(shù)已經(jīng)在汽車公司中徹底普及。

現(xiàn)代，渦輪增壓技術(shù)得到了很大的改進(jìn)和升級。比如變截面渦輪增壓器、雙渦輪增壓器、電動增壓器等等。其中，變截面渦輪增壓器和電動渦輪增壓器是目前技術(shù)最先進(jìn)的技術(shù)。我們先來看看變截面渦輪。我們知道渦輪增壓器在排氣量小的時候達(dá)不到工作速度，這個時候基本不能工作。這時渦輪增壓發(fā)動機的功率會很小，所以小排量發(fā)動機一般會采用小慣性渦輪。但在高速行駛時，由于排氣截面較小，排氣阻力會增大，從而影響發(fā)動機功率和扭矩。

渦輪增壓技術(shù)是航空領(lǐng)域典型技術(shù)探索的產(chǎn)物空。它的誕生對汽車發(fā)動機技術(shù)產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響，為解決動力與排放之間的平衡做出了巨大貢獻(xiàn)。渦輪增壓技術(shù)在未來將變得越來越實用和廣泛。

雙噴射及稀薄燃燒

■從氣缸外部到氣缸內(nèi)部重新混合，查看錯綜復(fù)雜的燃油噴射歷史。

缸內(nèi)直噴專利隨著V8發(fā)動機誕生。1902年夏天，法國飛機設(shè)計師和發(fā)明家LéonLevavasseur開發(fā)了一種V型8缸發(fā)動機，其供油系統(tǒng)是一套缸內(nèi)直噴機構(gòu)。

這套缸內(nèi)直噴系統(tǒng)由博世公司提供，發(fā)動機最大功率可達(dá)222Ps。但是需要注意的是，這種缸內(nèi)直噴系統(tǒng)是機械噴射，不是我們現(xiàn)在的電噴。

20世紀(jì)90年代，缸內(nèi)直噴取得了長足的進(jìn)步，各大原始設(shè)備制造商紛紛推出缸內(nèi)直噴車型。但是，缸內(nèi)直噴雖然已經(jīng)成為主流，但傳統(tǒng)的進(jìn)氣道噴射依然有生命力，因為缸內(nèi)直噴在低速時容易積碳，而進(jìn)氣道噴射則容易燃燒不充分。聰明的工程師想把兩者結(jié)合起來。

■大眾和奧迪玩不到的稀薄燃燒讓馬自達(dá)重蹈覆轍？

改善燃燒方式、優(yōu)化進(jìn)氣效率、減少摩擦和熱損傷是提高發(fā)動機熱效率的主要技術(shù)路線。我們已經(jīng)談到了發(fā)動機在進(jìn)氣效率等方面的技術(shù)特點。讓我們看看燃燒。它在燃燒方面具有顛覆性，汽車公司的研發(fā)重點是HCCI。

HCCI是解決“稀薄燃燒”的重要關(guān)鍵，它的出現(xiàn)可以更純粹地擠壓每一滴燃料。雖然這項技術(shù)是在20世紀(jì)90年代提出并開始試驗的，但當(dāng)時電子技術(shù)還不成熟，現(xiàn)在HCCI對電子技術(shù)的發(fā)展也比較熟悉，這也是未來內(nèi)燃機的一個重要研究方向。

可變壓縮比或許是內(nèi)燃機的新生

■日產(chǎn)可變壓縮比發(fā)動機問世，內(nèi)燃機是終結(jié)還是新生？

最后一節(jié)，我們最后要講的是可變壓縮比技術(shù)。可能有些看過我們系列文章的朋友有一些疑問。當(dāng)我們談?wù)摽勺儔嚎s比發(fā)動機時，我們在談?wù)撌裁矗科鋵嵱绊懓l(fā)動機的第一篇和第二篇文章的技術(shù)亮點都是可變壓縮比發(fā)動機的基礎(chǔ)，對于可變壓縮比發(fā)動機來說，這是發(fā)動機重新發(fā)明以來這么多年唯一的結(jié)構(gòu)變化。展望未來，就目前的技術(shù)儲備而言，發(fā)動機的結(jié)構(gòu)變化基本上是“前所未有”的，所以在最后一節(jié)，我們回到“可變壓縮比發(fā)動機會成為內(nèi)燃機的最后一曲嗎？”

當(dāng)時日產(chǎn)也為這項技術(shù)設(shè)立了項目。和其他車企一樣，日產(chǎn)在起步階段也遇到了很多困難。當(dāng)時沒有人認(rèn)真對待這項前瞻性技術(shù)，甚至質(zhì)疑可變壓縮比為什么會被開發(fā)出來。

日產(chǎn)認(rèn)為其他方案，尤其是調(diào)整缸蓋的方案，不可能精確控制變量。日產(chǎn)做了相關(guān)研究，但由于這里發(fā)動機啟動后溫度較高，機構(gòu)難以控制，制造工藝達(dá)不到要求。

其中，多連桿機構(gòu)是設(shè)計最為復(fù)雜和精巧的地方。在開發(fā)的初始階段，這組多鏈接結(jié)構(gòu)相對較大。當(dāng)組裝在發(fā)動機上時，發(fā)動機并沒有變小，而是體積增大了，所以小型化研究是第一步。工程師們首先縮小了L型連桿，以減少其變形，另一個是縮短連桿的長度。

有了這種多連桿機構(gòu)結(jié)合雙噴射系統(tǒng)，日產(chǎn)的可變壓縮比發(fā)動機基本完成了可變壓縮比的硬件配置。那么它在實踐中是如何工作的呢？

如果發(fā)動機在運動模式下進(jìn)入低壓縮比模式，約8:1，此時燃燒室變大，扭矩變大。在實際駕駛情況下，壓縮比的切換是無級的，全部由電腦根據(jù)傳感器智能切換。

編者按:可變壓縮比是發(fā)動機領(lǐng)域數(shù)百年來的夢想。要想發(fā)動機功率上來，熱效率肯定會高，但問題是壓縮比高的話容易爆震，肯定會損壞發(fā)動機。所以你想有高壓縮比但又不想爆震，需要好的加速和扭矩。這個“魚和熊掌兼得”的好事，只有壓縮比可變才能解決。

最后三個燃燒循環(huán)，渦輪增壓、直噴、稀薄燃燒等技術(shù)為發(fā)動機技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。可變壓縮比的成功出現(xiàn)，可謂站在巨人的肩膀上，一步一個腳印。當(dāng)然，這也與日產(chǎn)孜孜不倦的研發(fā)技術(shù)息息相關(guān)。任意壓縮比意味著當(dāng)發(fā)動機在任何情況下都滿足動力要求時，我們的油耗比才能處于最佳狀態(tài)，這只有通過主動管理可變壓縮比才能實現(xiàn)。至于日產(chǎn)可變壓縮比發(fā)動機的出現(xiàn)是否是發(fā)動機最后的光芒，我認(rèn)為恰恰相反，它絕對不是最后的可變壓縮比發(fā)動機。肯定會有更多的廠商進(jìn)入這個領(lǐng)域。與混合動力汽車相比，誰會笑到最后還不確定。

另外，我今年在東風(fēng)汽車實驗室看過東風(fēng)可變壓縮比原型車，已經(jīng)測試過了。