日产惊了!聊长城可变压缩比发动机技术

2020-06-05    251
摘要:以该独步天下的发动机技术征战市场能够所向披靡。近日,国家专利局正式公布了长城的一系列可变压缩比发动机技术专利。日产此时惊讶万分!难道中国品牌的技术实力已发展到如此地步?几年时间就能破译可变压缩比发动机的奥义?口讲无凭,我们下面来看看长城的专利究竟隐藏了怎样的黑科技!30 秒看懂本文亮点:1. 长城和

[ 汽车之家 发动机技术 ] 20 年的研发时间,经历四代设计迭代优化,日产 2.0T VC-Turbo 可变压缩比发动机终于在 2018 年正式量产,成为全球首款量产可变压缩比发动机。日产本想着以该独步天下的发动机技术征战市场能够所向披靡。近日,国家专利局正式公布了长城的一系列可变压缩比发动机技术专利。日产此时惊讶万分!难道中国品牌的技术实力已发展到如此地步?几年时间就能破译可变压缩比发动机的奥义?口讲无凭,我们下面来看看长城的专利究竟隐藏了怎样的黑科技!

30 秒看懂本文亮点:

1. 长城和日产的可变压缩比机构有何不同?

2. 长城双偏心轴可变压缩比机构的 4 种工作模式

3. 长城双偏心轴可变压缩比机构的优势

长城和日产可变压缩比机构的异同

我们可以在国家知识产权局的官网上查询到长城申请的可变压缩比发动机技术专利。这些专利中包含了多种可变压缩比发动机机构设计、控制方法以及相关零部件的结构设计。

长城申请的一系列专利中,同样是在连杆与曲轴之间设计了一个 " 中间杠杆 ",杠杆一侧与连杆下端连接,另一侧与可变压缩比控制机构连接,这与日产的设计基本一致。

而控制机构方面,或许是为了规避专利侵权的原因,长城采用了各种与日产不同的方案,如用电机直接驱动偏心轴转动,从而拉动杠杆控制连杆,也有用皮带来转动偏心轴的方案,还有用齿轮传动等方案。上述这些方案都只是在日产方案的基础上,对控制机构进行简单的替换得出的方案,论创新程度可以说一点儿也不突出

一个较为独特的可变压缩比机构吸引了我的注意

我翻阅了几个长城的专利后,一个设计颇具创新性的专利吸引了我的注意。虽然这个专利依然是和日产的设计有着一定的相似性,但细读专利后我发现长城的这个专利确实不简单,值得我来为大家细细解读一番。

部件 9 和 7 是这套控制机构的两条偏心轴。其中偏心轴 9 上有一个齿轮,该齿轮与曲轴上的齿轮啮合,这样曲轴转动时,偏心轴 9 也会随之转动,转速为曲轴转速的 1/2。偏心轴 7 由电机驱动,能够在一定的角度范围内转动。

通过上文,各位应该了解日产 VC-Turbo 2.0T 发动机可变压缩比控制机构的工作原理了。长城这套双偏心轴可变压缩比机构偏心轴 7 的功能与日产 VC-Turbo 2.0T 发动机可变压缩比控制机构的偏心轴是一样的,能够实现活塞上、下止点的改变,从而改变压缩比。

偏心轴 9 则是长城这套专利的核心所在。偏心轴 9 是随着曲轴转动而转动的一条偏心轴,它转动的每一瞬间,活塞上、下止点的位置都会发生变化。具体来说,偏心轴每转一圈,活塞的位置会发生高 - 中 - 低 - 中 - 高的循环变化,而在这套机构中,活塞的高、中、低位置正好对应的是发动机工作循环中不同的上、下止点,如排气上止点、进气下止点、压缩上止点以及膨胀下止点。

长城双偏心轴可变压缩比机构的 4 种工作模式

当偏心轴 9 和曲轴之间的相位在 90-150° 区间时,进气下止点与膨胀下止点相同,排气上止点低于压缩上止点;进气行程、排气行程小于膨胀行程、压缩行程,膨胀比等于压缩比。这种工作模式我在此简称为 " 模式 1"。

当偏心轴 9 和曲轴之间的相位在 180-250° 区间时,进气下止点高于膨胀下止点,排气上止点与压缩上止点相同;进气行程、压缩行程小于膨胀行程、排气行程,膨胀比大于压缩比。这种工作模式我在此简称为 " 模式 2"。

当偏心轴 9 和曲轴之间的相位在 270-330° 区间时,进气下止点与膨胀下止点相同,排气上止点高于压缩上止点;进气行程、排气行程大于膨胀行程、压缩行程,膨胀比等于压缩比。这种工作模式我在此简称为 " 模式 3"。

当偏心轴 9 和曲轴之间的相位在 0-60° 区间时,进气下止点低于膨胀下止点,排气上止点与压缩上止点相同;进气行程、压缩行程大于膨胀行程、排气行程,压缩比大于膨胀比。这种工作模式我在此简称为 " 模式 4"。

值得一提的是,偏心轴 7 的转动会使得活塞上、下止点同步升高或降低,能够使发动机压缩比和膨胀比同步增加或降低,但进气行程、排气行程、膨胀行程和压缩行程基本不变。相当于偏心轴 9 用于发动机工作模式调节,偏心轴 7 对特定模式下的膨胀比和压缩比进行微调,以适应更多的发动机工况需求。此外,上述每两种模式之间都存在过渡状态,这些过渡状态可适应更多的发动机工况。

◆ HCCI 均质充气压燃模式(模式 1)

上面提到的 4 种特征模式中,模式 1 对应的是 HCCI 均质充气压燃模式,可利用超高压缩比和空燃比实现热效率的提升以及油耗的降低。

HCCI 工作模式的优势在于,可以利用高压缩比(创驰蓝天 -X 发动机在 HCCI 模式下压缩比可达 18:1,目前主流自然吸气发动机的压缩比在 13:1-14:1 之间)和高空燃比(创驰蓝天 -X 发动机在 HCCI 模式下空燃比可达 36.8:1,远高于教科书上的 14.7:1 理论空燃比)来提升发动机的热效率。高压缩比有利于提升热效率,同时也是压燃混合气的关键,而高空燃比简单来说就是降低混合气中的汽油含量,从而实现节油效果。

长城双偏心轴可变压缩比机构由于能对压缩比进行动态微调,在低负载工况下可以进一步提升压缩比来提升压燃效率,在高负载工况下适当降低压缩比,降低爆震倾向,这一定程度上有利于拓展 HCCI 工作模式的工作范围,从而对提升发动机整体运转效率作出贡献

◆ 阿特金森循环模式(模式 2)

模式 2 为阿特金森循环模式,此时膨胀比大于压缩比,偏心轴 7 的转动调节可以使发动机随负荷的升高,同步减小膨胀比和压缩比,抑制爆震现象;或者随着发动机负荷的降低,同步增加膨胀比和压缩比,提升发动机热效率。

长城这套可变压缩比机构的亮点在于,可在全工况下保持阿特金森循环模式正常运转,通过微调物理压缩比来优化不同工况下性能表现。目前主流的阿特金森循环发动机通过进气门迟闭也能改变实际压缩比,但由于活塞上止点位置固定,燃烧室容积固定,降低压缩比意味着进气量的减少,这会降低发动机的动力输出性能。相比起来,长城这套可变压缩比机构在不改变进气量的前提下,直接调整压缩比,在动力输出性能上会更有优势

◆ 改善冷启动性能和排放的模式(模式 4)

模式 4 会在发动机启动时采用,此时膨胀比小于压缩比,在偏心轴 7 的调节下,随着发动机温度升高,发动机的膨胀比和压缩比会随之减小,以改善发动机的启动和排放性能。

专利并没有对模式 3 这种膨胀比等于压缩比、压缩比相对较低的工作模式进行详细解析。我猜测该模式是用于配合高涡轮增压值,实现增强动力输出的模式。更准确的应用场景只有等厂家进行技术解密时揭晓了。

长城双偏心轴可变压缩比机构的优势:

仔细阅读专利后,我对长城的新型可变压缩比发动机技术有了更深入的了解。上面详细介绍的双偏心轴可变压缩比技术相比日产 VC-Turbo 2.0T 发动机上搭载的可变压缩比技术,其优势在于除了能动态调整发动机的压缩比外,还能够实现不同的工作模式,从而在动力性、燃油经济性、排放等方面实现更好的平衡。

要实现量产,耐久性和控制策略是两道坎:

虽然长城的这套双偏心轴可变压缩比机构的功能强大,但不可否认的是,为实现更多的功能,这套机构也引入了更多的零部件,如位于曲轴位置的齿轮传动机构,随着曲轴转动的偏心轴,额外的连杆机构,调节偏心轴相位的电机等。对于高速运转的发动机而言,更多的零部件意味着更大的耐久性能考验。长城双偏心轴可变压缩比发动机能否走向量产,我认为最大的考验还是在机构的耐久性上。此外,更复杂的功能需要更高效的控制策略来支撑,否则量产后很可能沦为结构很高级,性能很平庸的产品。

全文总结:

长城这两年申请的可变压缩比发动机机构专利有不少都与日产可变压缩比发动机机构有相似之处,只在可变压缩比控制机构部分作出了自己的创新。但长城的双偏心轴可变压缩比机构则有着相当大的创新性,相比日产的设计,它拥有更多的发动机工作模式,从而有望实现更好的综合性能。但长城这款双偏心轴可变压缩比发动机要真正走向量产,还要走相当长的路,首当其冲的就是保证耐久性以及实现最优化控制策略。日产的可变压缩比发动机从设计走向量产用了 20 年时间,不知道长城以中国速度来推进这个项目要用几年呢?让我们拭目以待!(图 / 文 / 汽车之家 常庆林)


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