工程师谈VC-TURBO超变擎：天籁真的引领了内燃机大趋势

作为日系中高级车“铁三角”的一环，天籁一直都是日产中国的台柱子，所以这次换代的天籁虽然来得晚，但是却带来了两项非常重要的技术革新，其一便是一具天籁车型历史上不曾有过的“暴力”增压发动机。当然，为了更便于消费者的理解，东风日产将“可变压缩比”这样硬核的工程术语转译为“超变擎”这样的营销话术，可能更利于一般消费者理解。

百年来，内燃机走向“高效低能”

最近自己刚好在总结发动机的进化历史，其实可以发现：奥拓循环发动机基本结构活塞连杆曲轴发生的变化并不多，更多还是电气化部件加入，越来越多的零部件加入了可变的技术。比如进气门正时可变，其可以调整不同转速下，气门正时的提前量和滞后量，再后来气门升程也变得可以调节。

举个例子：本田用了一个二级可调的升程技术，让小负荷下制造滚流和大负荷更高的换气效率得到了平衡。而之后的进化，则是日产又把气门升程变成无极可调节，从而实现低负荷下节气门更大的开合度以消除更多的泵气损失，然后在大负荷下实现更大的升程，实现“深呼吸”。再比如把缸体缸盖分别主动进行热管理，实现更好的热机效果和经济性；为发动机增加线性可变的机油泵，让发动机在高负荷下不必再浪费多余能量。

所有的“可变”只是为了一个不变的追求——那就是在不牺牲动力前提下获得更好的经济性。配气系统、润滑系统、冷却系统、点火系统、喷油系统等等都发生了巨大的进化，而唯独活塞连杆组合，100年来确实铁打不动的跟奥拓设计的那台四冲程发动机的原型机一样。

▲这张图是我在上海安亭汽车博物馆里面拍摄的，奥拓四冲程内燃机的工程图。我们今天的发动机依然沿用奥拓循环，是因为奥拓循环实现起来有着非常足够的工程学积累，也因为奥拓循环有着固定的压缩比，机械结构看起来并不是很复杂。

我们知道奥拓循环中，提高压缩比就能提高理论热效率值，但是由于燃料本身的物理特性，过高的压缩比会造成发动机爆震现象。同时，发动机原理告诉我们，发动机的爆震容易发生在低转速高负荷区间，这种工况对于固定压缩比的发动机只能靠减少点火提前角来减少爆震。当然这个时候降低发动机的压缩比也是可行的，但是实际上没有发动机做得到——

因为，可变压缩比是一个非常正确的理论，但实现起来却需要很高的工程方案。

实际上，在可变压缩比概念提出的近百年时间里，因其技术复杂停滞不前，之前可变压缩比发动机一直停留在工程实验室里面。为此，包括丰田、大众、马自达在内的企业，在解决燃油经济性上面不得不用牺牲动力的方式来降低燃油消耗，高热效率发动机频频出现、百公里油耗也屡屡创下新低。可是，油耗降低却损失了动力输出，让驾驶兴趣不断降低，这也让当前的汽车变得越来越乏味。

其实很多人都知道，理论创新很难，但实际上工程学也非常不简单。《生活大爆炸》里面谢尔顿每次与霍华德争吵都能完胜，但是霍华德才是真正把科学带入生活的人，他所代表的工程师群体攻克了理论与实用之间的工程难关。而日产便是“霍华德”，它不是第一个提出可变压缩比的企业，但是它却是第一个把可以变压缩比发动机制造投入量产的企业。到了2016年，日产突破了可变压缩比发动机的工程技术难关。

VC-TURBO硬核在哪里：大幅度改变连杆结构

日产着力可变压缩比技术研发可以追溯到二十年前，即便那时候日产面临困境，却依然坚持在发动机工程领域进行最顶尖的投入，期望能够摘取发动机技术皇冠上的那颗“钻石”。从1998年开始，日产耗时20年，耗资200亿美元，在历经基础研究、应用开发、先行开发、量产开发四个阶段，最终突破可变压缩比技术上包括小型化、可靠性、可控成本等工程技术难题，成功在2018年推出世界首款且唯一一款搭载在量产车上的可变压缩比技术引擎——代号为KR20DDT的2.0L VC-TURBO发动机。

这具VC-TURBO发动机毫无疑问是具有创新意义的，虽然它所实现的技术理论并不复杂，但其所实现的机械连杆机构组合在高温高压交替负荷下稳定工作却是十分不容易的。

这套VC-TURBO的曲轴连杆装置示意图如下：

▲实物图和示意图

● 可以看到O点为曲轴转动中心是永远不会动的，同样，控制臂上安装的C0点也是不会动的，还有驱动器的上的H0点同样是不动的。而M1 M2 L1 A1 A2的座标一直在动。

● 而C点为曲柄的长度也是一个定值，C的圆弧轨迹也是一个定值，而M1的运动和M2的运动是一个相对关系，关系上有点类似于“跷跷板”——M1运动轨迹大，则M2运动轨迹就小，为低压缩比；而M1运动轨迹小，则M2的运动轨迹大，为高压缩比。

● 而VC-TURBO 发动机则通过调整M1的运动轨迹来迫使M2的轨迹发生改变，M1的运动轨迹取决于Low link上L1点，因为两者都在同一个零件Low link上，L1向顺时针走，则M1点的轨迹小。而L1的轨迹又是受制于A1这个点， L1和A1在同一个零件，在control shaft上。A1点顺时针转动的时候，L1的也会被带着顺时针转动，A1点的轨迹又受制于A2点的轨迹，A1与A2同在一个Actuator arm上，而A2是绕着H0转动，它们之间通过齿轮咬合，H0上有一个HARMONIC DRIVE（谐波减速齿轮），通过这个驱动器来实现对于M2轨迹的控制。

简单来说——

小压缩比要是实现的路径是：Ho顺时针转驱动A2顺时针转，A2带着A1顺时针转，与A1同在一个部件上的L1点顺时针转，M1运动轨迹大，则M2运动轨迹小。

大压缩比要是实现的路径是：Ho逆时针转驱动A2逆时针转，A2带着A1逆时针转，与A1同在一个部件上的L1点逆时针转，M1运动轨迹小，则M2运动轨迹大。

▲低压缩比示意图——压缩比为8的时候

▲高压缩比示意图——压缩比是14的时候

得益于可变压缩比带来的技术特性，从参数上看，最大扭矩380N·m、最大功率185kW——仅仅2.0L排量的VC-TURBO 拥有了超越同级的强劲动力输出，特别是最大扭矩十分抢眼，升扭矩达到190NM/L ,已经接近一般柴油机的水平。体现到车型动力性能上，搭载这套动力总成的全新天籁百公里加速仅需6.42秒。

一端是没有感情的快，一端是休眠般的油耗

现在，让我们绕过艰深的机械理论，来看天籁在装载了这具拥有全球最先进发动机技术的动力总成后，在实际体验上有什么样的表现。

一启动，首先给我的是听觉反馈：独特的怠速声音是那种很有力量感的响声，不太像日本厂商一贯轻柔的风格，而更像欧洲厂商的那种粗犷有力的怠速声音。在武汉问津山上，这具2.0L VC-TURBO发动机让你完全不用在意山路的起伏，充沛的动力储备可以轻松拉着天籁征服长陡坡。简单来说，这套动力系统在激烈驾驶的时候，是一种“非常没感情的快”。

在下坡滑行到坡底后，油门压下去，发动机被彻底激活。一旦进入到动力工作模式，雄浑澎湃的声浪先起来，稍后准备好的速比，承接起动力的传递，让天籁犹如被弹射一样，车头牵引着整个车子向坡顶冲去。不得不说，这台发动机多少还是有些特别之处，总是觉得它的声浪比别的发动机多了些音色——如果说别的发动机是一面鼓，它就像一套鼓。

同时第七代天籁的CVT变速箱也做了运动性优化，比如它模拟AT变速箱的升挡感，让转速冲到红线区，齿比降一下，然后继续加速，让车辆有了激烈驾驶下那种AT变速箱的节奏感。毫无疑问，日产在CVT领域的技术垄断性值得肯定，途中加速可以让380N·m充分传递到车轮上，超过了自己先前CVT变速箱保持的承载记录。

但是由于轮胎有些hold不住动力以及前驱的布局，天籁从静止起步的时候，冲出去随后的那1-2s钟是没有预期快的，不过一旦动力过了60公里/小时之后，就犹如坐上火箭，越来越快，真是快到没有感情。

另外，根据东风日产给出的高原测试数据，这具可变压缩比增压发动机经过3500m、4700m、5200m三种不同高原海拔的0-60km/h加速测试，依次为5.33s、6.26s、6.55s的加速成绩，反映出整套动力总成的高原适应性。

功率输出强、跑得快并不难做到，福特、通用都有高功率的2.0L发动机，然而难的是，在高功率之下，如何真正能够做到低油耗——而不仅仅是“兼具”。

这台发动机，除了压缩比可以在14-8之间连续可变之外，还加入了阿特金森循环。所以跟所有带阿特金森循环的发动机一样，它小负荷下是膨胀比大于压缩比的工作状态，彻彻底底的经济性取向。经济性有多好呢？反正我用来代步一晚上，整个油耗就在6.7L附近，这对于一台随时可以跑出百公里加速7秒内的车来说，无疑已是非常经济了。

换句话说，如果我们对于日产“大马力沙发”的概念还停留在VQ35时代，那么在涡轮增压发动机时代，这台KR20DDT就是3.5L V6发动机的接替者——它有着VQ35一样的马力输出，但是相对于VQ35在燃油经济性上足足有27%的提升。

尤其是我们日常使用低负荷区间，50N·m-100N·m附近，燃油经济性大幅度提升，这是完全靠内燃机实现的高效率。

面对当前复杂的动力总成竞争环境，在经济性上，丰田混动和雅阁混动都是*级的高燃效解决方案，但是混合动力系统为了高热效率的发动机普遍采用完全的阿特金森循环，即便在有电机加力的前提下，其加速表现也并不占优势。所以，这台日产VC-TURBO发动机的意义在于拥有远超混动的动力表现——从加速成绩上看是比雅阁混动快了1秒、比凯美瑞混动快了2秒——而又拥有接近混动车型的综合油耗表现。

那么天籁这套传统动力系统有没有可能超过混动的油耗表现呢？从它的结构上看，我觉得低负荷高车速巡航工况下是完全有可能实现的，典型是在高速无坡的路况下，天籁理论上可以实现比同级混动车型更低的高速工况油耗水平。

东风日产在高原进行极端测试后给了几组数据：92#最佳油耗4.35L/100km；95#最佳油耗2.95L/100km ；98#最佳油耗3.6L/100km。原因除了高原地区的路况外，还在于全新天籁首先是发动机低转速扭矩更加充足、油耗低；同时作为传统车，它的整备质量也更有优势。

总结：

可以说，天籁VC-TURBO超变擎发动机放在当下的汽车技术领域有着非常重要的位置，而以今后十年的发展眼光来看，它也将是内燃机历史上很重要的一项量产技术突破。为什么说可变压缩比是新的趋势，因为这套技术的适用范围更加广泛，目前的高性能低油耗是一种呈现方式，如果稍作调整它也可以迈向“均质压燃”技术方向，至于突破更高热效率也是不在话下。

如此耀眼的一项发动机新技术在全球汽车行业中也必然引人瞩目，比如在去年全球的沃德十佳发动机评选中，这台VC-TURBO超变擎发动机理所当然的被评为十佳引擎之一，足以看出其里程碑式的意义。我个人在知乎上参与了一个问题——“2018年给我印象最深的汽车技术”，我的回答中便有这款发动机，这也是我个人对它的足够的欣赏和尊重。

文｜石榴树，动力总成工程师

图｜网络