03.04 日产的可变压缩比汽油机和马自达的“压燃”汽油机比,哪个更先进、更省油?

范柯左


日产的可变压缩比、马自达的压燃都是汽油机发展史上的一次创新,相比较之下马自达的理念更有前瞻性,它直接涉足了超稀薄燃烧领域,直接将空燃比拉升至29.4以上(二倍过量空气系数),这一步迈的足够远,相比较其它车企只是在不断小幅度提高稀薄燃烧的边界,马自达这一步可以称之为一步登天,实实在在的证明了超稀薄燃烧的可行性,马自达此举似乎已经规划好了内燃机未来几十年后可能出现的最终形式,马自达提前给其它主机厂打了个样,未来如果真要走超稀薄燃烧的发展方向,那么马自达的方式必将受到其它主机厂的效仿。。。

相比较之下日产的可变压缩比同样是伟大的设计,但设计理念没有马自达那么前卫,也不具备过于深远的影响,马自达打破的是传统汽油机的限制、格局,而日产可变压缩比只是进一步挖掘了涡轮增压发动机的潜力,让基于奥托循环下涡轮增压发动机可以承受更大的机械压缩比;实际上想让涡轮增压发动机实现更高的压缩比方式很多,比如大众就直接将三代半的EA888弄成了米勒循环(进气门早关式),虽然牺牲了动力,但也换来了高压缩比;只不过可变压缩比厉害之处在于可以改变发动机的机械压缩比,而阿、米循环只是依靠可变气门技术改变等效压缩比(机械压缩比不变);从技术层面上看马自达压燃发动机的控制策略更为复杂,而日产可变压缩比主要拼的是硬件方面的强度,这也是日产在可变压缩比耗时这么久的原因,如果二十年前有足够优质的材料,可变压缩比可能早就上市了。。。

简述稀薄燃烧

稀薄燃烧是内燃机的一种工作方式,也就是说当空燃比大于14.7时,就属于稀薄燃烧的范围之内,当空燃比越大时、稀薄燃烧的边界就越高;稀薄燃烧的边界越高,每次燃烧的燃料就更少,发动机也就向着更高效、更节油的方向发展(但牺牲了动力);稀薄燃烧的探索很可能影响未来内燃机的进化方向、内燃机的最终进化形态,所以稀薄燃烧领域是很多主机厂都在研究的问题;传统实现稀薄燃烧的方式并不复杂,如上图手绘所示,基于直喷发动机灵活的喷油策略,有上至下依次喷出多个不同燃油浓度层(从上至下浓度依次降低);从图上我们可以看出层1混合气体浓度最高、层5混合气体浓度最低(实际上层数还有许多,只是地方不够鄙人就不画了);点火策略就是由火花塞跳火点燃高浓度层一,之后利用火焰传播逐层进行依然直至层五,这就是其它主机厂在做的事情,一点点增加喷油层数、一点点增加稀薄程度、一点点提高稀薄燃烧边界。。。但这样的探索是缓慢的,换句话说当燃油层数太多、下方出现过多稀薄层后,仅仅依靠火花塞跳出一个火星已经没办法令所有的稀薄层全部被引燃,比如火花塞跳火后,一层被火花一个点、一个点的快速引燃,之后一个个的火花依次向下层传播,可能依靠这一个个火花传递可以引燃二、三、四层,等到第五层时可能火就灭了、稀薄燃烧进行不下去、直接被终止掉了,而更可怕的是前四层的燃烧很可能把缸内温度大幅提高,第五层混合气体很容易诱发自燃,自燃等于爆震,换句话说爆震就是火花传递引燃与自燃的一次速度比拼,自燃快过火焰传播速度,必然爆震;所以常规的点燃方式已经应对不了超稀薄环境,实际上这是所有主机厂都面临的困境,只不过马自达先迈出了这一步,一举突破了超稀薄、点不着的问题,由此引入了压燃,马自达并不想搞什么压燃,压燃只是一种点火形式,核心在于保证超稀薄燃烧的进行。。。

马自达说—既然点不燃、那么咱就压燃

这里补充一点,要实现稀薄燃烧没必要非得去压燃,小幅度增加边界是可以依靠常规的点燃逐层引燃的,只不过这里受制于一个环保方面的问题,那就是空燃比在15—29之间进行燃烧极容易产生更多的氮氧化物(这个数据鄙人可能记的不太准确),量产与实验室研发存在的不同就是量产需要通过环保规则,换句话说小幅度低高稀薄边界有意义,但并不能付诸于实际量产,所以马自达为了量产一步将稀薄燃烧边界提高到空燃比29.4,强行跨过了环保规则的制约。。。


由于一步到位29.4空燃比起,所以引发上一大段的主要问题点不着,马自达经过无数的尝试无奈的相信仅靠点燃是没办法实现这么大的稀薄边界了;所以就只能改变思路用压燃代替点燃(火花塞依旧保留,用于应对燃烧室低温等一系列不可控因素,后文会提到);上文已经有所提到,传统的点燃依靠火花塞跳出一个电火花依次引燃一个层、再依次引燃多层,会在高稀薄边界下导致火焰熄灭;马自达的策略就是压燃,压燃一个层,火花塞跳一个火点力量不够、没能力点燃所有层,那么压燃的一个层拥有无数的火点,无数的火点同时进行传播就有能力引燃所有稀薄层了(实际上火花塞与压燃也是相互配合、互补),以上就是马自达引入压燃的原因,实际上压燃不是核心,别被压燃汽油机极具诱惑的名头给带偏了,压燃的本质在于更好的实现超稀薄燃烧,超稀薄燃烧才是亮点。。。

执行策略极为复杂

很多内燃机的问题,描述容易、实现难,马自达弄的玩意,说起来都费劲、实现起来更是难出天际;马自达SKYACTIV-X的控制策略相当的复杂,它的点燃、压燃两种状态是根据实际情况在不断改变的,比如当车子需要动力进行急加速时,稀薄燃烧的弱鸡动力显然没办法满足车辆对动力的需求(动力取向,燃油需要加浓,空燃比低于14.7),所以这个时候空燃比急剧降低(那个机械增压充气装置此时停止运转),当需要进行压燃的时候,比如车辆保持匀速巡航、对动力需求低时,又会切换成高空燃比的超稀薄燃烧状态,这个时候那个机械增压(实为机械充气装置)就开始工作,极速对燃烧室充气提高空燃比准备压燃,这个机械增压有悖于传统的增压,传统增压的意义在于多灌气、多喷油,让燃烧室在不改变物理容积的情况下燃烧更多的混合气,获得更多的能量来转化为动力;而马自达这个增压策略在于,只增加空气、不增加喷油,把混合气体弄的非常稀,没有它的瞬间灌气,上哪弄那么多空气拉高空燃比?

所以马自达这款SKYACTIV-X的空燃比是时时切换的,可能上个循环是低空燃比的点燃,而下个循环就变成高空燃比的压燃,所以这种瞬态的切换可以想象实现起来有多难?不给自己找麻烦、挖大坑能叫马自达么?其它的控制策略还有,比如低温时依靠火花塞点燃部分混合气为燃烧室预热、随即压燃;比如发动机处于极高转速下运行时、各个循环交替太快,压燃无法瞬态点燃所有层数,这个时候火花塞跳火辅助点燃;再比如发动机全负荷运行时,缸内高温、高压,已经不适合压燃了,所以此时终止压燃,切换点燃保持运行;总之这款机器的控制策略极为复杂,远不是日产可变压缩比技术能比的,所以SKYACTIV-X目前依然在不断跳票,而Vc-T却已经卖到了消费者手中,这就是差异;希望悲情的马自达这次别再悲剧,不过SKYACTIV-X是令人感动、叹服的,马自达的疯狂令人匪夷所思。。。

至于日产的可变压缩比

上面把SKYACTIV-X写多了,至于可变压缩比就简单说一下吧;实际上马自达、丰田玩的双循环都属于可变压缩比,只不过马自达、丰田只是基于配气机构来改变等效压缩比,不改变机械压缩比;而日产的可变压缩比硬改机械压缩比(通过调整机械结构);其意义在于弥补涡轮增压发动机低转速、低负荷时,涡轮不起正压(没增加容积效率)、机械压缩比又普遍低的窘境。。。。这里可以结合自然吸气发动机来理解,自然吸气发动机进气歧管始终负压、容积效率比不上起压后的涡轮增压发动机,但自然吸气发动机有一个利器就是高压缩比,所以自然吸气虽然容积效率不如涡轮增压,但依靠不断拉升的压缩比保证了它在于涡轮增压进行油耗战争时不至于落下风;涡轮增压发动机虽然压缩比整体偏低,但起压后的高容积效率足以弥补压缩比低的劣势,但问题来了,起压后涡轮增压发动机不怕压缩比低,那么在未起压状态下(歧管负压)、容积效率不高,那么这时低压缩比带来的影响就明显了;这时日产的工程师就想如何在低速低负荷、涡轮不起正压时,提高压缩比来实现更好的燃烧,就这样可变机械压缩比的VC-T就产生了。。。


原理很清晰,当发动机处于低速低负荷、涡轮不起正压的时候,保持最高压缩比14来进行运转,用高压缩比来弥补涡轮不起压、容积效率低的劣势;随着发动机负荷不断的提高,压缩比由14逐渐降低(压缩比降低多少根据歧管压力上升程度来决定),当发动机全负荷进行运转时,歧管压力值达到最高,此时压缩比就会降至最低的8;涡轮增压发动机的劣势就在非起压状态下(比如匀速巡航),偏低的压缩比会造成更多的油耗,而日产的可变压缩比在低负荷下切换成超高压缩比,改善了直喷涡轮增压发动机在低速、低负荷状态下油耗偏高的问题;所以理论上日产可变压缩比机头比传统的涡轮增压要省油(具体可以省多少鄙人也不知道),应该不如马自达SKYACTIV-X省油(当然也要结合实际工况进行分析),毕竟马自达的SKYACTIV-X已经跨入超稀薄燃烧领域,这一步太大、控制策略太复杂;实际上之所以可变机械压缩比让日产鼓捣了20年,主要就是受到硬件的制约,实现可变压缩比的就是那个机械结构,材质不行、工艺不行是硬伤,所以实现可变机械压缩比拼的更是是材料,毕竟几十年前的材料学、热处理、机床精度都不如现如今,所以时机不到、Vc-T出不来,时机到了则水到渠成。。。
上述就是对马自达SKYACTIV-X以及日产Vc-T的描述,从意义、涉及技术、控制策略等层面上看,SKYACTIV-X要比Vc-T更为复杂,只不过日产Vc-T已经全面投产、已经开始经受消费者的考验,而SKYACTIV-X真能顺利的进行投产么?真能稳定的运行么?毕竟它看上去就无比复杂、无比脆弱,各种各样的控制策略真的能做到无错衔接么?鄙人对这款SKYACTIV-X真的充满期待,马自达所打造的产品往往更具被超前的理念,但市场回报率很低,这或许就是悲情马自达之悲情所在吧;所以也不必过多去揣摩,等SKYACTIV-X彻底上市,一切就有了真正的分晓。。。


非专业车评


这个我来分享一下。

日产的可变压缩比和马自达的均值压燃是内燃机工程师几十年来的两个梦想,没想到作为一个发动机开发工程师,在我有生之年还能看到两者量产,而且好像说好了一样在都2018年推出,日产可变压缩比在前,马自达均值压燃随后。我之前一直觉得可能这两个技术到内燃机技术逐步退出市场时也难以突破量产这个瓶颈。对于在电气化的大背景下,内燃机遇到了前所未有的挑战,在沮丧中前行的内燃机工程师看到2018年日产和马自达的惊人成就就像在漆黑的隧道中突然看到前面还有亮光,内燃机还有未来!从这个意义上看真是要衷心的对日产和马自达说一声感谢和佩服,原谅我抒情了一下,实在是太激动!

下面来详细的分析一下日产和马自达的创新之处。

一.先看可变压缩比VCR

1.可变压缩比VCR带来的好处

汽油发动机多年来效率无法进一步提高的主要原因就是无法加大压缩比,目前主流奥托循环的汽油机压缩比的上限一般认为在11左右。研究表明,如果在部分负荷压缩比从10提高到14的话发动机热效率会提高2%-3%。

之所以不能大幅度增加压缩比来提高热效率,最大的限制是汽油机的爆震问题,尤其对于增压发动机爆震问题更严重。

所以,内燃机工程师一直在寻找是否可以在部分负荷使用高压缩比来实现高的热效率,在全负荷采用低的压缩比来避免爆震的技术方案。这样可以做到性能和油耗的完美平衡。

2.可变压缩比VCR遇到的挑战

为什么可变压缩比那么难呢?主要原因是发动机的压缩比是由燃烧室容积和缸径冲程尺寸决定的。燃烧室由于要承受高温高压还要保证密封,目前都是采用铸造而且还有水套冷却,进排气道布置,因此无法做成可变的。缸径也无法可变。看起来只能变冲程了,但是活塞,连杆曲轴系统的尺寸决定了冲程,这三个件高速旋转承受非常大的燃烧气体力和惯性力。很难做成可靠的可变结构。因此实现量产非常困难,很多人尝试结果都没有成功量产。

3.日产VCR解决方案

前面说到要想可变压缩比,只能考虑冲程可变,经过多年的研究和实践,目前主流的有两类冲程可变方案。

a.通过改变连杆工作长度来实现。主要原理是通过增加液压机构,让连杆在工作过程中长度可变,从而实现VCR。这种方案发动机本体改动比较小,但是只能实现两级可变压缩比,因此效果会打一些折扣,这个方案一直没有公司量产。

b.改变连杆和曲轴的连接方式来实现VCR。基本原理是连杆不再和曲轴直接连接,而是连接一个可变的过渡连杆装置然后再和曲轴相连。通过改变中间过渡连杆装置的杠杆比来改变冲程,从而实现VCR。这种方案比第一个改变连杆的方案要复杂很多,发动机改动很大,几乎是要完全重新设计。但这个方案可以实现压缩比的连续无极调节,效果最好。日产采用的就是这个最难的方案,通过20年的努力,最终量产了,日产2.0 VC turbo发动机压缩比可以在8-14之间连续调整。

下面图里有一个FEV的研究结果,日产的连续可变VCR,NEDC工况油耗可以降低7%以上,即使是更接近用户实际使用工况的WLTP工况,也可以降低5%以上。

二.再说说均质压燃HCCI

1.均质压燃HCCI带来的好处

内燃机工程师很早就在思考一个问题,既然柴油机采用的高压缩比压燃迪塞尔循环热效率高,为啥不把这种压燃燃烧循环嫁接到汽油机上来提高热效率呢?同时,为了避免柴油机稀燃完成的氮氧化合物NOx排放,可不可以采用汽油机的均质燃烧加三元催化器的燃烧方式呢?这样就不用花很大代价来解决柴油机近乎无解的排放问题了。

这样集汽油机和柴油机两者优势于一身的燃烧当时就是均质压燃HCCI。如果这种概念可行的话汽油机的压缩比可以提高到18,热效率可以从目前最好的38%-41%的水平提高到50%,这简直是一种飞跃。这种想法工程师们进行了几十年的研究,由于存在一些致命的难题,一直很难突破。

2.均质压燃HCCI遇到的挑战

究竟有哪些致命的问题呢?HCCI需要高压缩比压燃,但是汽油的特性是自燃点比柴油高很多,要压燃必须创造比柴油机更高的压缩终了的温度和压力。这导致如果不能很好的控制的话,这就燃烧是爆震,会严重的破坏发动机,因此,传统HCCI只能在小负荷使用,而且为了在不同环境温度、湿度、油温燃油差异等多种因素下保证压燃的稳定性,必须对进气和燃油喷射进行一系列复杂的控制。这也进一步压缩了HCCI的运行区间。最终传统的HCCI系统运行区间太小,燃烧稳定性很难保证,所以一直不能真正走进量产。

3.马自达的解决方案

面对这些HCCI的挑战,马自达采用了以下技术来对应。

a.改良的SPCCI燃烧系统,马自达对传统HCCI的运行区间小问题进行了优化,改进了HCCI燃烧概念,增加了火花塞来改善压燃点火的质量,使之具备量产的可能。马自达把改进的HCCI燃烧系统叫SPCCI,也就是火花塞控制的压燃点火。

b.马自达为了进一步拓宽压燃工作区域,避免SPCCI在稀燃情况下引起的NOX排放超标,采用了废气再循环EGR系统。

c.为了满足压燃情况下燃油混合的需求和保证燃烧稳定性,马自达采用了超高压的GDI喷射系统,喷射压力高达1000bar。这几乎接近了柴油机的喷射压力。要知道目前主流的GDI发动机喷射压力一般在150-250bar,马自达1000bar的喷射压力绝对是突破性的技术。

d.机械增压器,不过马自达说这个不是传统增压器,只是SPCCI燃烧系统高响应进气控制的一部分。这个机械增压器,主要是为了控制进气,为超高压缩比提供足够的空气量,自己想要的空气温度和密度,保证压燃系统的稳定工作。并不是像传统增压器那样主要是为了提升性能。所以,马自达这个机械增压器的增压压力只有0.5bar。同时,机械增压器也顺便提升了一下发动机的性能,使马自达在大幅提高热效率的同时还能提升性能,两全其美。机械增压器被马自达这么用也绝对是创新了。

e.电动可变气门正时VVT,调节速度更快,调节角度很大。能够灵活快速的控制残余废气和压缩压力,保证SPCCI的压燃系统在较大的范围内稳定运行。

马自达用5大技术突破了均质压燃HCCI量产应用的瓶颈,开发出了SKY Active X发动机。马自达宣称如果从油井到车轮来计算二氧化碳排放的话,SKY Active X比电动车的CO2排放更低。这5项关键技术中前4项都是马自达独创的突破性成就,了不起!

三.日产可变压缩比和马自达均值压燃究竟那个更好。

还是先表达一下敬意,两者都是内燃机史上的里程碑,都非常伟大。非要比较,可以说是各有千秋。

1.发动性能比较

日产VCR系统还是基于当前的涡轮增压直喷发动机的技术,通过VCR来进一步优化性能和油耗,因此功率扭矩都非常高。2.0T VC Turbo发动机功率能够达到200kW,扭矩能够达到390Nm,性能非常强悍。马自达的SPCCI系统虽然有机械增压器,但是主要不是为了提升性能,几乎还可以看做一个自吸发动机,性能并不是很高。2.0 SKY Active X 发动机的的功率只有140kW左右。马自达也意识到了这个问题,在2.0 SKY Active X上集成了48V微混系统来改善发动机在整车上的性能。

简单这么比较的话,性能上日产VC turbo更强。

2.燃油经济型比较

日产VC Turbo由于还是在涡轮增压直喷+奥托循环的传统燃烧原理下通过VCR系统来发掘潜力,油耗提升虽然很大但算不上颠覆性的,研究显示油耗改善根据不同的循环在5%~8%之间。

而马自达SKY Active X完全颠覆了原来汽油机奥托循环的基础和限制,另辟蹊径,油耗降低能够达到30%以上。

油耗比较上马自达SKY Active X完胜。

3.NVH特性比较

日产VC Turbo发动机复杂的连杆系统带来的另外一个好处是在做功时可以保持活塞和连杆处于垂直于曲轴的状态,这种情况下就没有了传统发动机做功时活塞所受的侧向力,下面有个图可以看的更清楚。消除了活塞做功时的侧向力可以减小活塞敲击的声音,同时可以有效的降低二阶激励,因此,日产VC Turbo不再需要平衡轴。从这个当面看,日产VC Turbo的NVH水平比目前的发动机要更好。

马自达SKY Active X发动机有三个因素都是对NVH不利的:

a.压燃系统多点同时燃烧,爆发压力提高很多,而且爆发的时间很短压力升高率很高。这些都对提高效率非常有好处,但是都回增加燃烧带来的振动和噪声激励。可以想像一下柴油机的燃烧噪声。

b.超高压的直喷系统,喷射压力接近柴油机。这样喷油器和高压油泵会比目前传统的GDI系统噪声更大。

c.机械增压器带来的噪声,机械增压器由于其工作原理,噪声一直是一个非常需要注意的方面。

因此,从NVH比较,应该日产VC turbo更有优势。应该马自达的工程师也花了很多精力来解决SKY Active X的噪声问题,但是NVH一直不是马自达的优先诉求,因此可能日产应该更好一些。

以上都是技术方面的对比,很多是我自己的分析,讲的都是冷冰冰的机器和技术,如果让我加入感情因素,我更支持马自达。

日产的VCR虽然历经20年研发,但是还是在当前已经成熟的增压直喷技术方案上嫁接VCR来进行改善,技术方案上算是突破,可是燃烧原理上是继承的。

马自达的SKY Active X完全是颠覆性的重新定义了一种燃烧方式,而且在电动化的大趋势下还能如此坚定执着,如此特立独行,需要的就不仅仅是技术了,更需要信念。马自达SKY Active X于今年美国洛杉矶车展发布,预计2019年上市,作为发动机开发的老兵,我要再一次对马自达表示敬意,并祝他们好运,也祝发动机好运!

如果对SKY Active X感兴趣,我转发了一个视频,可以看一下马自达的讲解。

以上信息供大家参考,欢迎讨论,每周会发发动机技术的专业解读,欢迎大家转发关注!











锐引擎


吹牛逼最先进,日系除了吹牛逼,啥都不行,省油原来靠车轻,现在别人都轻,他又玩自然吸气,压低动力提升,本田憋不住搞个涡轮增压,结果增机油、产奶油、熄火、爆缸一堆问题。丰田好不容易从宝马那里换来涡轮增加技术,结果汉兰达爆缸一片,就剩个日产,干打雷不下雨,涡轮发动机上市1年却见不到车,马自达最垃圾,要啥没啥,一个前置前驱还要搞50:50,结果卖不出去,成天扯着喉咙喊“东瀛宝马”,结果宝马还是宝马,“东瀛宝马”成宝妈,没球人要,哈哈。


joshen1


可变压缩比,无非就是:1、可变燃烧室容积(Saab开发的SVC发动机) 2、用气门正时制造米勒循环(马自达的创始蓝天),其中丰田、本田的阿特金森好像也是类似马自达的,通过气门正时制造米勒循环。

而第一种的SVC发动机,因为太复杂(和真正的阿特金森发动机一样复杂),维修麻烦,制造成本大,很难在现在汽车市场价格低下的环境实现量产。

英菲尼迪的2.0T可变压缩比发动机,有可能就是SVC一样原理的。但没有拆解也评析资料,不好判断。但是如果是这种原理的话,那他的动力会比米勒循环的好(尤其是有涡轮的加持)。感觉就是为了适应差或低辛烷汽油的作用大点。唯一能判断的就是跟当年买了斯巴鲁水平对置发动机车型的一样,维修的话要到大省城的4S店修吧。


向宸说车


如果压燃可以实现量产的话我觉得压燃还是很厉害的据说燃烧效率达到50%?燃油利用率高,动力还更好…


家里养了一群狗


其实各大汽车厂商的发动机科技技术都是很高超的,关键是在设计一款发动机时,团队和厂商最想做出一个什么样的效果!就马自达而言,14.8超高压缩比就是想做出一个省油又有动力的表现,但同时让步的就是发动机震动和噪音了,众所周知高压缩比和发动机运转震动是一对冤家!这就是为什么奔驰的v12,劳斯莱斯v12,只有10左右的压缩比原因了!而尼桑这个可变压缩比就显得比较折中的处理方案,比较中庸,不是最省油但也不会噪声大!对我个人的价值取向来说,我会选择中庸的设计!


壹登大師


压缩比高的省油,但不管日产与马自达如何吹嘘自己的技术,没有我低漏气量磨损不增加漏气量技术做基础,都是缺陷发动机,全球谁也别想生产更好的发动机。


乘风踏浪33


不用比了,最权威的沃德大奖评委都没你们厉害,通知知道日产英菲尼迪黑科技可变压缩比发动机拿了大奖,还争论个鸟?马自达连本田都不如,还比啥?


懂车一号


压缩比越大就越容易出现爆震,新车还好,要是积碳多了的话和汽油质量不好拿就不好说。


爆棚哥聊车


拖出来溜溜就知道了,别天天玩PPT。贾药停已经把自己玩死了。。。。


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