可變壓縮比發動機是改變世界還是自娛自樂

日產的可變壓縮比發動機,值得談論的事情很多,當中一些是頗為深奧的,請讀者有心理準備。讓我們從最淺的原理開始吧,首先何謂可變壓縮比?

往復式發動機氣缸總容積其實由兩部份組成,其一是活塞由上止點至下止點的工作容積,也即是我們常常說的排氣量;另一部份是活塞在上止點時剩下的餘隙容積,活塞抽進來的空氣就是被壓縮成這個細小的容積,它越少壓就越大,壓縮比就越高。


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所謂可變壓縮比發動機,就是設計到能控制這個餘隙容積變大變小,其這不是很新的概念,一些二衝程摩托車發動機,由於沒有複雜的氣缸頭和活瓣,只要在氣缸上方裝一個小活塞,活塞移動就能改變壓縮比,這方法二十幾年前已經出現過。汽車用的四衝程能怎樣做呢?理論上如果氣缸內燃室的頂部和曲軸中心距離可以調節的話也能實現改變壓縮比的,當年SAAB往這方向研究差點便成功了,由於曲軸中心要連接傳動系統,SAAB不敢動它,卻很有創意地把氣缸頭設計成可以升降,不過隨著通用收購SAAB這個滑稽的概念最終被擱置了。


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日產的做法是可以維持一個牢固的缸體和氣缸頭的結構,它設計特點是活塞連桿並不是直接推動曲軸,而是透過連桿間接推動曲軸,這種做法在早期的發動機很常見,阿特金森循環的始祖設計就是這樣的,但汽車工業萌芽後百年以來這種複雜結構已很少見了。


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它除了能實現可變壓縮比外,還有另一個優點,就是活塞連桿下半部作圓運動軌跡的直徑比傳統發動機來得小,而這個圓形運動的直徑正是往復發動機次級震動的根源所在,所以日產說這臺四氣缸無須平衡軸,玄機就在於此,不過儘管沒有活塞引發的震動,但一大堆連桿在曲軸箱裡運動,也不會全無動靜的,而且這些零碎複雜的震動根本無法透過簡單設計抵消,所以這臺發動機需要採用液壓支架。

講了簡單的事情,現在開始進入正題。

幾十年來,可變壓縮比一直以來以文起八代之衰的姿態示人,說是能解決汽油發動機的先天缺點,而可變壓縮比的原則是高負荷大馬力時用低壓縮比,低負荷的時候轉換成高壓縮比模式。各位編輯部同仁,各位車迷,你們沒有看錯,我也沒打錯字,車廠也是這樣說的。大家是不是胡塗了?那個壓縮比到底是什麼東西?不是說壓縮比越高熱效率就越好的嗎?說來話長,汽油發動機的熱效率的確是隨著壓縮比提高而上升的,在沒有渦輪的年代,跑車發動機都是愛比拼壓縮比,但壓縮比不能無止境地提高,汽油發動機的原理是燃料混和空氣壓縮的,壓縮比太高點火前已經自燃出現爆震,

設計發動機壓縮的上限假設油門(其實應該叫阻風門)全開,最多空氣進入加上最濃汽油混合的狀態,在低負荷之下,阻風門只打開一部份,進入氣缸空氣稀薄,即使活塞去到上止點,其實並沒有得出理論上的壓縮比,我們開車時時踩下油門令車加速,其機制是先讓多點空氣進入,把實際的壓縮比提高,配合相應的燃料,熱效率增加,燃燒壓力加大,車速便會加快,油門半開的時候,其實效率是不高的,但汽油發動機卻又不得不以阻風門在調節速度,這就是所謂汽油發動機的先天缺點,可變壓縮比是基於這背景出現的。


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但是發動機技術一日千里,以今天的情況來說,要解決汽油發動機這缺點實在已經有不少替代方法,例如可變氣缸數目Cylinder on Demand技術,在低負荷時把部份氣缸的活瓣關閉讓空氣由剩下來的氣缸分享,同樣提高工作氣缸的壓縮比,以今天的活瓣控制技術來說,這是最簡單便宜的方法,又比如電控增壓技術,可隨時增加進氣壓力彌補損失,又或者預設一個高的壓縮比值,讓低負荷時能抵消損失,然而在高負荷時以活瓣開關時間來釋放過高的壓力等等。


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但無論如何,這個多連桿可變壓縮比設計是一項機械工程的傑作,肯定會在汽車工程史冊上佔一篇章,但我不很相信會有很多車廠仿效,原因是可變壓縮比的目的是優化發動機在整個工作範圍的熱效率,在發動機還講究drivability的年代,那是烏托邦,但今天是混動, 十速變速器的年代,對發動機工作範圍要求越來越窄。最有趣的是,日產在發佈可變壓縮比發動機的同時還發表他們的e-power——是完全無須講究發動機drivability的串聯混動,日產是發展電動車最進取的日本車廠,他們怎會不知到世界轉到什麼樣了?他們造這部可變壓縮比發動機,我覺得像金庸寫鹿鼎記一樣,是娛人自娛的作品


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