汽油机压缩比

可变压缩比发动机和压燃式汽油机是内燃机工程师几十年来的两个梦想。在当今电气化风起云涌、内燃机行业深刻变革的时代，突然看到2018年日产和马自达突然实现了这两个梦想，让人感触颇深。

今天，让我们来看看日产的VC Turbo和马自达最新的Skyactive X压燃式汽油发动机技术的创新。

▍对技术日产的攻击

可变压缩比技术在内燃机行业并不是一个新话题。在谈论日产的可变压缩比发动机之前，我们先来看看可变压缩比的前身SAAB。

萨博在2000年的日内瓦车展上公布了他们的可变压缩比概念验证发动机，萨博称之为SVC(萨博可变压缩萨博可变压缩比)。

看看当时的萨博发动机设计，还是很有想法的:1.6L，直列5缸，机械增压，可变压缩比。

萨博的可变压缩比结构与日产不同。日产的方案是改变连杆的杠杆比，实现可变压缩比，而萨博的方案是移动气缸。最终由于成本和开发费用过高，萨博的SVC没有坚持下来，项目停止。

众所周知，汽油机效率无法进一步提高的一个主要原因就是压缩比无法提高。

目前主流奥托循环汽油机的压缩比上限一般认为在11左右，否则会造成爆震，尤其是增压发动机。

研究表明，在部分负荷下，压缩比从10提高到14，发动机热效率可提高2%-3%。

内燃机工程师一直在寻找可以改变压缩比的技术方案，在部分负荷下使用高压缩比以达到高热效率，在全负荷时使用低压缩比以避免爆震，可以实现性能和油耗的完美平衡。

由于变压缩比在结构上难以实现，工程师们提出了各种结构方案，例如日产VC涡轮发动机的变压缩比方案。

日产采用了复杂而困难的结构方案:改变连杆和曲轴的连接方式，实现VCR。

这样做的好处是压缩比可以连续可变，日常2.0 VC涡轮发动机的压缩比可以在8到14之间连续调节。

这个方案结构非常复杂，日产用了20年才实现量产。

日产的可变压缩比方案

日产可变压缩比技术20年发展历程

下图是德国FEV的一项研究成果。日产的无级变速VCR和NEDC的油耗可以降低7%以上。

即使是更接近用户实际工况的WLTP工况，也可以降低5%以上，可以说是目前最好的可变压缩比方案。

除了核心的可变压缩比技术，日产VC涡轮发动机还采用了许多当前最先进的技术，如下图所示:

▍雄心勃勃的马自达

敢于与日产VC涡轮发动机可变压缩比方案角力的是马自达创驰Skyactive X压燃式汽油机，它代表了内燃机发展的另一条道路。

不得不说，内燃机的顶级技术领域几乎是日本人的主场。

众所周知，马自达第二代创驰Skyactive X发动机将于2019年量产，这是首款量产的压燃式技术汽油发动机。

Skyactive X引入了火花塞辅助可控压燃的概念，可以在压燃和正常点火之间切换。

这项技术结合了柴油发动机和汽油发动机的优点，压缩比为18，热效率可达到50%的创纪录水平。

说到汽油机的压燃技术，内燃机行业是有前辈的。不得不提的是，奔驰也早在2007年就展示了过压点火汽油发动机的概念。

奔驰称之为Diesotto，即结合了柴油发动机循环和奥托发动机循环的一个词，代表了两种技术结合的优势。

奔驰柴油发动机压燃式汽油发动机

奔驰Diesotto压燃式汽油机还保留了火花塞，在重负荷时可以用普通的奥托循环代替。整体概念与马自达目前的Skyactive X非常相似

奔驰的发动机理念曾经是其发动机的核心策略之一。2007年后多次跟随奔驰旗舰概念车F700进行概念展示。

梅赛德斯F700概念车

然而，随着电气化时代的到来，奔驰后来走向了混合动力技术。

柴油发动机技术已被搁置，不会进一步发展。

关于如何进一步提高汽油机的热效率，内燃机工程师们思考了很久的一个问题。既然柴油机采用高压缩比的压燃式柴油循环，为什么不把这种压燃式燃烧循环嫁接到汽油机上来提高热效率呢？

这种结合了汽油机和柴油机优点的燃烧方式就是当时的HCCI。

如果这个概念可行，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%提高到50%，简直是飞跃。

几十年来，工程师们一直在研究这个想法。由于高压缩比时爆震问题严重，汽油压燃稳定性难以控制，压燃式汽油机的技术一直没有突破。

马自达Skyactive X发动机在HCCI发动机前期研究的基础上做了一些重大改进，使得压燃式汽油机具备了量产的能力。我们来看看SkyActive X的五大核心技术。

第一个核心技术是超高压缩比的压燃。

Skyactive X的压缩比为18: 1，远高于普通汽油机。基于超高压缩比的马自达借鉴了柴油压燃的概念，但考虑到实际情况，Skyactive X还是保留了火花塞。采用改进的SPCCI燃烧系统，使压燃式汽油机的批量生产成为可能。

第二个核心技术是稀薄燃烧和增压器。

为了进一步提高效率，马自达采用了稀薄燃烧的概念。增压器实现稀燃所需的空气体量。然而，马自达坚持认为这不是传统的增压器，而只是SPCCI燃烧系统高响应进气控制的一部分。

第三项核心技术是EGR废气再循环系统。

马自达将EGR系统和增压器作为其控制系统的核心技术，实现压燃和稀薄燃烧所需的空气体状态。同时，EGR还避免了稀薄燃烧下SPCCI造成的NOX排放问题。

第四项核心技术是电动可变气门正时VVT。

电动可变气门正时VVT具有更快的调节速度和更大的调节角度。可以灵活快速地控制残余废气和压缩压力，保证SPCCI压燃系统在大范围内稳定运行。

第五个核心技术是马自达采用了类似柴油机高达1000Bar的超高喷油压力，汽油机目前一般不超过350bar。

这是SPCCI压燃系统对高压燃油喷射系统的要求，也保证了稀燃工况的稳定运行。

▍▍bettle的终结

那么问题来了，日产的可变压缩比VC Turbo和马自达的压燃式汽油发动机谁最强？

估计大家都在关心这个问题。两项突破性技术就可以了。谁是国王？

第一，发动机性能的对比。

日产VCR系统还是基于目前涡轮增压直喷发动机的技术，通过可变压缩比VCR进一步优化了性能和油耗，所以功率和扭矩都很高。

2.0T VC涡轮发动机功率可达200kW，扭矩可达390Nm，性能非常强劲。

马自达的SPCCI系统虽然有增压器，但主要不是为了提高性能，几乎可以算是自吸发动机，性能不是很高。

2.0L Skyactive X发动机的功率只有140kW左右。马自达也意识到了这个问题，在2.0 SKY Active X上集成了微混系统，以提高发动机在整车上的性能。

从性能的简单对比来看，日产VC turbo的性能更强。

二、节油效果和热效率的比较。

由于日产VC Turbo在涡轮增压直喷和奥托循环的传统燃烧原理下，仍然通过可变压缩比系统挖掘潜力，热效率有了明显的提高，但并不具有颠覆性。

日产自己公布的数据显示，VC涡轮发动机的最高热效率在39%之间。油耗的改善根据不同的循环在5%-8%之间。

马自达SKY Active X完全颠覆了汽油机原有奥托循环的基础和局限，另辟蹊径。热效率最高可达50%，马自达公布的实际油耗降低可达12%以上。

马自达3在美国实际道路行驶条件下的油耗对比

马自达Skyactive X在油耗和热效率方面完全胜出。

三是NVH特性对比。

日产VC涡轮发动机复杂的连杆系统不仅能提高效率，还能带来额外的NVH优势。

VC涡轮发动机做功时能保持活塞和连杆与曲轴垂直。在这种情况下，传统发动机做功时，活塞上没有侧向力。消除活塞做功时的侧向力，可以降低活塞的敲击声，有效降低二阶激励。所以日产VC Turbo不再需要平衡轴了。

马自达SKY Active X发动机对于NVH有两个不利因素:类似于柴油机的压燃系统会造成比较大的燃烧噪音，所以柴油机的燃烧噪音可以想象。超高压直喷系统引起的机械噪音。

所以相比NVH，日产VC turbo应该更有优势。

日产的VCR虽然研发了20年，但仍然是在目前成熟的增压直喷技术方案上嫁接VCR进行优化。技术方案是突破，但燃烧原理是继承而非颠覆。

马自达的Skyactive X完全颠覆了一种燃烧方式，甚至让我们开始思考内燃机在未来更大的可能性。

在电动化的趋势下，内燃机技术的进一步发展不仅需要技术，更需要信仰。

因此，从这个意义上说，抛开冷数据对比，我认为马自达Skyactive X压燃式汽油技术更好。