VC-TURBO超变擎+e-POWER日产的王牌

文/马爽

近年来汽车行业可能是对未来思考最多的几个领域之一，众多“名门望族”的传统汽车厂商一夜间从睡梦中惊醒，前有排放法规的围堵，后有电动车的追赶，技术革新已经迫在眉睫。而在这个过程里，动力方式也是人们关注和讨论最多的一个方向了，甚至可以说已经到了全民参与的态势。在未来的车子上，究竟我们该搭载什么样的动力系统，该应用什么样的能源方式？

关于未来传统内燃机将何去何从，这个问题不仅是人们茶余饭后的消遣，更是各大汽车公司工程师们每天都要对着镜子扪心自问的问题。毕竟时间不会等人，必须要马上做出决策。在业内，很多人实际也对现有的各种动力方式有了一定清醒的认识，放眼全球，动力方式一定是因地制宜来做选择的，因为无论是纯电动、混动车还是纯内燃机，其能源消耗已经不仅仅停留在汽车与消费者本身身上，而是涉及整个国家产业、能源结构的问题，全生命周期碳排放、有害气体排放计算至关重要。

这里面，美国可能是对动力能源思考的最少的，美国的汽车厂商把宝更多地押在了无人驾驶以及智能服务等技术上，另外能源充沛使得电动化浪潮也并不突出。虽然有特斯拉加持，但是在未来几十年里，内燃机尤其是搭载内燃机的皮卡还将扮演很重要的角色。相反欧洲已经表明态势，由于“地皮”匮乏，能源匮乏，发动机电气化以及纯电动浪潮不可阻挡，未来可预见不会停留在传统的粗犷型发动机上，混合动力将是主力。再来看看国内形势，各家企业“百花齐放，方兴未艾”，撸起袖子加油干得热火朝天。各种动力方式都在国家和市场双重监管下不断前进，而日本似乎考虑的更多，无论是坚守混动不放松的丰田路线，还是新兴的燃料电池，以及马自达不断推出的发动机“黑科技”，在技术趋势和成果方面，日本都已经走在了世界前端。而日产作为日本汽车公司几大巨头之一，自然少不了对传统发动机的“自我救赎”，未来高效能动力系统路线已经清晰可见。

日产对发动机的思考关键在于改变发动机的运行方式

日产对改变发动机运行方式的思考有两种：一种是从机构上直接改变发动机各个运行区间的燃烧系统，也就是改变压缩比。各项辅助电气化，使得整张运行的MAP图一个点一个策略。这也就是VCR燃烧系统。目前，这套系统日产已经成功量产，那就是搭载在第七代天籁上的VC-TURBO超变擎。另一种是通过直接缩减发动机的运行工况范围，将发动机的工作区域放在很小的区间上，这个区间非常小，专注于超高热效率的实施，这就是e-POWER系统。目前，日产也已经将此技术成功搭载在量产车型中。

在技术趋势和成果方面日本都已经走在了世界前端

VC-TURBO超变擎三大发明人之一，茂木克也先生之前曾经表示过，在未来30年内，日产纯电动汽车完全取代现有的动力方式是不可能的。基础设施以及动力系统仍有较大缺陷，比如快充等，另外一点在能量密度上，无论是现在锂电池的100Wh/kg，还是未来要发展到的直接提升一倍的200Wh/kg，而这一数字相对汽油的12000Wh/kg都太过渺小，想要高续航必须有更多的电池，而更多电池就会带来更多的配重，这个权衡就是当前主流车型的续航里程。所以电池的意义绝不仅仅是纯电动汽车，传统发动机配以电气化同样效果惊人。

电气化革新在VC-TURBO超变擎上也已经开始了布局，比如电子VVT以及VCR控制机构本身，电力本身良好的相应特点，直接决定了在控制层面先天的优势，而无级可调又进一步增加了组合控制的先进性，可以搭配出平滑多样的运行方式。VC-TURBO超变擎在传统发动机活塞结构上增加了一套多连杆连接机构与HARMONIC DRIVE（谐波传动装置）来不断提高或降低活塞冲程，从而实现压缩比的调节。根据车辆的行驶状态和驾驶员的操作，根据不同工况需求智能选择8:1到14:1之间的最佳压缩比。严格来说这套系统有两组多连杆系统，当轴向控制器转动并拉动控制臂时，改变多连杆角度调节活塞在汽缸内的行程，从而起到改变压缩比的目的。这套多连杆机构虽然看似复杂，但功能性和可靠性非常值得令人信服，日产在这方面经过大量的实验和测试。

VC-TURBO超变擎在传统发动机活塞结构上增加了一套多连杆连接机构与HARMONIC DRIVE来不断提高或降低活塞冲程

为了更好的发挥可变压缩比技术带来的功效，VC-TURBO超变擎还采用了阿特金森与奥托双循环。进气端大角度电子正时可变控制阀响应速度更快、效率更高，高压缩比时采用阿特金森循环，提升经济性；低压缩比时采用奥托循环，提升动力性。不同的压缩比状态下采用不同的循环策略，使得这台发动机可以进一步提升整体燃油经济性和动力性。

VC-TURBO超变擎还采用了MPI多点喷射和DIG缸内直喷两种燃油喷射方式，这套燃油喷射系统可以让发动机拥有更多灵活多变的喷油策略。随着发动机压缩比的变化，多点喷射和缸内直喷将会采用更加理想的喷油策略，从而在油耗和性能方面取得平衡。同时这两套喷射方式可以在发动机高负荷时并行工作，进一步提升动力性与经济性的完美平衡。

如果内燃机在未来要进一步发展，走出人类热能转换的极限，必须从两个方面入手，一方面是燃料，更换当前的石油燃料使用更加清洁高效的可再生能源。另一方面，必须进一步提升热效率，而热效率就必须改变压缩比，这是机械结构决定的，是必然之路。另外在高压缩比下，减少热量损失，稀薄低温燃烧也已经是必由之路，可以看到如果基于一台当前的发动机，无论在气流、喷雾等方面如何再进行优化，丰田的Dynamic Force系统41%的热效率可以说已经做到极限了，如果要将热效率提升到50%，必须引入新的VCR机构调整压缩比，搭配新型燃烧模式。而这一步，压缩比是开始，也是基础，所以日产针对这个方向提出了VC-TURBO超变擎，这适应了未来内燃机的发展需求，这样的发动机可以说开启了发动机的全新时代。将混动、电动的优势重新又革命了一番，利用纯内燃机系统实现了高效能的燃烧。在这条路子上接下来就是不断地提升压缩比，然后实现超高压缩比下新的燃烧方式，超增压，超高压力喷射，深度稀薄燃烧，深度米勒循环等等。而更高的压缩比需要更长的冲程，长冲程在热效率方面有无可比拟的优势，更小的缸径使得快速燃烧提升，滚流提升，高压缩比以及热损失得到平衡，利用VCR系统可以明显缩小发动机高度，这使得更长的冲程成为可能，压缩比的机械极限得到了释放，随之而来的深度米勒循环、更小的热损失以及超高滚流、快速燃烧等技术得到了释放，热效率可以得到进一步提升。

利用VCR系统可以缩小发动机高度这使得更长的冲程成为可能压缩比的机械极限得到了释放

完善好了这一条路，另一条路就是e-POWER。实际上e-POWER这套系统是串联方式的一个改良，在动力理念上也就是所谓的“增程器”。这种串联的混动方式，虽然日产一直以纯电动标榜，而且其动力表现确实符合纯电动表现，但是实际上可以说是全新的动力系统设计方式。因为无论在电池设计管理还是发动机燃烧系统开发，这套动力方式都必须重新设计规划。目前，掌握增程式发动机核心技术的企业并不多。比如这套e-POWER系统，首先电池的选型因为其快速充放电以及不需要很大的能量负载特性，因此小电池包、紧凑型设计成为重点，比如容量1.47kwh、重40.9kg的电池，使得电池重量完全不会成为汽车的负担，反而成为发动机能源的“蓄水池”。另外，这套系统非常好的优点就是利用制动回收的能力，可以直接取消制动踏板，也就是像我们打游戏一样，只利用加速踏板就可以实现加速，而松开就自然制动，可以想象这种驾驶体验配合电机的快速响应，开车乐趣将直线飙升。

e-POWER这套系统是串联方式的一个改良，在动力理念上也就是所谓的“增程器”

对于发动机设计，可以看到通过电机加持，高效运行区间直接被调校到了红色区域内，这个区间非常非常小，使得发动机燃烧系统的运行工况直接被控制在了一个相对稳定的边界，这对于燃烧系统的设计、优化都是极大利好。对于压缩比、燃烧方式、喷油方式直接可以在指定可控的一个小范围内直接进行优化，不再需要考虑比如大负荷以及高速、低速的爆震、冷启动、湿壁等一系列问题。而日产也针对这款发动机进行了优化。首先缸数减至3缸，并取消了对高速NVH以及低速爆震的考量，直接利用低粘度机油减少摩擦，使用小水泵增加紧凑性。另外，设计长冲程的燃烧系统，实现点工况的超高热效率。总体使得热效率上升5%，直指50%。

这套系统已经在日本大卖了，18年甚至登顶全日本销量冠军，这就说明整车的调校以及动力系统设计深得人心，这不仅仅是内燃机和电池两种动力方式的简单组合，而是如上所说的深度搭配，取长补短。另外这套系统的难点也比较明显，优点汲取二者之和，而缺点也是同样的，其设计难度、控制难度非常大。

首先电池的管理系统（BMS）需要重新设计，针对频繁充放电以及大电机、小电池的系统，如何保证元件在频繁改变电流以及控制策略的条件下精准控制以及防止老化非常重要，这是核心点之一，也是直接关乎用户体验的一步。在控制层面需要与发动机ECU以及电池BMS相耦合，想要做到这点就需要所有技术层面的自主化。另外小的电池包对电池的管理带来很多优点，比如充电方面会更加方便，但是也对电池的性能提出新的需求，比如说在不同温度环境下的控制、是否加入冷却以及保温系统，如果引入中国，这些需要因地制宜的考虑，否则串联系统一旦出现环节的丢失，将无法工作。

其次就是对发动机设计带来巨大的挑战，这种动力系统的真实油耗应该比当前发动机表现优越，更能满足将来国六RDE真实路况测试，因为其无论如何运行，都是在小区间内燃烧，其燃烧效果非常稳定，而不同工况的损失主要集中在温度对电池的影响上，对发动机的挑战则是真正实现高热效率点的技术合成。在普通车上，如果一个很高的热效率在很小的范围内才可以实现，那么意味着如果你的开车技术或者变速箱技术没有满足发动机的需求，则开不出这套燃烧系统最高表现，所以有时候两台技术差别很大的发动机其燃烧效果并不一定有天壤之别。而这套系统直接比的就是最优点，而且是一直在最优点，这就相当于上来就亮底牌，需要有相当强的技术储备，应对超高热效率的燃烧系统设计。

所以，无论现在对于传统发动机未来何去何从的争论有多激烈，其实未来的技术路径已经很明显了。日产率先亮出了自己的王牌，VC-TURBO超变擎+e-POWER，相信接下来各大汽车厂商也将会纷纷亮出自己的王牌。这样的时代犹如群雄涿鹿，激动人心。日产动力雄心就是“两条腿走路”，而日产采用的“双腿”都把传统内燃机电气化放在了最为核心位置上。新的可再生清洁燃料，搭配超高热效率的燃烧系统，加持电池电机的动力输出，就是已来的未来。