對可變壓縮比技術的研究已歷經百年,但為何遲遲無法落地?答案只有四個字——太過繁冗。
在《未來汽油機三劍客——可變壓縮比技術(上篇)》中,為您介紹了保時捷欲在2017款boxster將可變壓縮比技術首度實用化的消息,如果該計劃順利付諸實施,則保時捷極有可能成為世界上首個具備可變壓縮比發動機量產能力的整車制造商,并借此占據占據市場的主導。
其實,追溯往昔我們不難發現,曾經為可變壓縮比技術的落地而不懈努力的整車廠商遠不止保時捷一家,被公之于眾的樣機及實現方案也并不止此一種,可究竟它們為何都消逝在歷史的洪流之中呢?我們不妨來簡要了解一下,或許能夠從中有所收獲。
熟絡此項技術的人想必清楚,如果將曾經所提出過的所有可變壓縮比技術方案按實現方式進行區分,大致可分為采用非傳統結構的曲柄連桿機構、改變曲軸與氣缸頂端間距以及改變活塞連桿長度三類,其中保時捷所采用的就是第三類方案。(注:這里需要特別指出的是,如阿特金森循環或米勒循環發動機也同樣具備壓縮比可變的功效,但由于其已被特指為一種循環工況,所以人們在討論可變壓縮比技術時通常會將其略去。)
當然,這并不代表其它兩類方案就完全行不通,因為它們的理論可行性也均經過廣泛論證,但如若非要為前人的失敗討要個說法,那恐怕就只有四個字——太過繁冗。
復雜的結構會滋生出諸多弊病,除了制造成本會隨之水漲船高之外,一些意想不到的問題也會不時的冒出來令開發者們焦頭爛額,曾經紅極一時的薩博SVC(薩博可變壓縮比技術)發動機及日產VCR(日產可變壓縮比技術)都因此栽了跟頭。
缸蓋可轉動的薩博SVC發動機
2000年的日內瓦車展上,一款別具一格的“怪家伙”吸引了全世界的關注,它就是薩博SVC發動機。從結構上來看,該機型采取了我們所講到的第一種技術方案,即改變曲軸與氣缸頂端的間距。
根據官方所給出的原理示意,薩博為了實現壓縮比可變,對該機型可謂是進行了脫胎換骨式的改良。首先,其缸蓋結構便經過重新設計,采用了一種全新的集成式缸蓋方案,也就是將缸蓋與缸體通過液壓控制構件連接在一起,而不是螺栓。這種設計在當時的發動機中堪稱獨樹一幟。
其次,SVC發動機的上半部分還可以進行偏轉。如上圖所示,SVC發動機大致由兩大部分構成,其中,缸蓋、活塞、氣門總成我們可稱之為第一部分;而連桿、曲軸箱我們視之為第二部分。與傳統發動機一樣,該機型位于下方的曲軸箱在發動機運轉時保持固定不動,但上方的氣缸與活塞部分,則會以曲軸為中心,借助液壓機構的推力發生轉動,從而使燃燒室容積發生改變。
更具體點說,薩博在缸體與缸蓋之間安裝有楔形滑塊,且缸體通過Hydraulic Actuat(液壓推動裝置)連接在氣缸頂端,當HydraulicActuat工作時,氣缸頂端就會在液力的推動下產生輕微偏轉(最大偏轉角度為4度)。雖然這個偏轉角度看起來很小,但當活塞到達上止點時,其對壓縮比造成的影響卻十分巨大。據介紹,該機的壓縮比可在8:1至14:1之間連續變化。
那為何這種看似十分巧妙的方案卻最終擱淺了呢?問題就出在了集成缸蓋上面,這點恐怕連薩博的工程師們也始料未及。
首先由于這種集成缸蓋可以發生偏轉,因此工程師必須為其設計一套獨立的冷卻系統。該系統的冷卻油道與缸體相連接,并用橡膠件進行密封,可如若橡膠件長久往復工作,就極易因為受力疲勞而發生開裂,進而導致整個冷卻油道出現泄漏。
再者,因該機型加入了液壓推動裝置及以連續可變壓縮比作為開發目標,所以其無論軟件還是硬件方面都要比傳統內燃機復雜上很多。尤其是軟件方面,當時的薩博尚未掌握一套成熟可靠的控制邏輯,以確保在連續可變壓縮比時發動機能夠穩定運轉。故直至其破產,這款發動機也未被投入實際使用。
采用非傳統曲柄連桿結構的日產VCR發動機
日產的VCR發動機同樣被復雜的結構所擊敗,而且輸的更為徹底。為什么這么說呢?我們先來看看其是如何實現壓縮比可變的。
日產VCR發動機核心部件圖
如圖所示,日產VCR發動機的所采用的方案與薩博、保時捷均不一致,其核心技術為一套特殊結構的多連桿曲柄連桿機構(該結構與奧迪、寶馬及PSA等廠商的可變壓縮比方案如出一轍),這種設計在普通發動機中是絕對不曾見到的。
簡單來說,該機構在原有的曲柄連桿機構上又額外增加了一套VCR(可變壓縮比)連桿機構及一根控制軸。其中VCR連桿機構由轉動曲柄銷杠桿及其一端與控制軸的連接連桿構成。當控制軸轉動時,控制軸連桿會帶動曲柄銷回轉,并使杠桿發生擺動。由此便促使活塞的上止點位置出現上下移動,實現了壓縮比的可變。
或許有人會質疑,這套結構看上去并沒有薩博的偏轉缸蓋復雜,確實,表面看的確如此??扇绻罹肯氯?,其內在問題卻足以讓開發人員喝上好幾壺。
其一,這套系統的連桿數量頗多,由此便會引發發動機的整體摩擦損失增大,如果發動機過度磨損,顯然壽命上就無法被市場所接受。
其二,多連桿結構的還存在加大發動機的總體尺寸,使整車布置難度上升,尤其是對于布置空間本就捉襟見肘的前置前驅車型來說,過大的體積所造成的最終結果就是這臺發動機根本沒地方放。
其三,連桿數量的增多還會使發動機的振動變得更加難以控制,進而引發共振及異響現象的出現。
根據日產的技術合作伙伴雷諾當時的推算,如果日產一心想把該技術付諸實用,則所需耗費的金錢將數以億計,這一數字無論對于哪家企業來說,都必須慎之又慎。果不其然,正如雷諾所言,日產VCR發動機的最終命運,便是因結構所導致的研發成本上升而無限延期,黯然地暫別了歷史舞臺。電話:010-58499691