困扰汽车发动机150多年难题,是怎样由这辆车破解的?

2018-10-18 10:05:58 25

困扰汽车发动机150多年难题,是怎样由这辆车破解的?

  2018年9月,一条大新闻炸翻了学术界:著名数学家、菲尔兹奖和阿贝尔奖双料得主阿提亚爵士在9月24号宣讲了自己对于黎曼猜想的证明。

  黎曼猜想被称为世界七大数学难题之一,这个关于素数终极奥秘的猜想,足足困扰了人类159年——然而,阿提亚爵士在提到关于证明黎曼猜想的具体细节时,却表示并未做出证明的全部工作,而仅仅是提供了一个思路……

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 这一结果似乎并不出乎意料,其实早在一些论坛上,学者对此次黎曼猜想的证明就不看好。因此,黎曼猜想究竟何时能被破解,目前依然是未解之谜。

  但同样在2018年,汽车发动机领域的一个重要设想似乎已经被成功破解——这,就是可变压缩比发动机。

  我们为什么需要可变压缩比发动机?

  巧合的是,就在黎曼猜想诞生的1859年,法国工程师勒努瓦制造出世界上第一台真正能够使用的内燃机。从那个时候开始,内燃机的效率究竟怎样才能最大限度地提高,成为了困扰人类的重要难题,而这个难题,与黎曼猜想一样,已经足足困扰了全世界工程师159年。

  为了提升内燃机的效率,工程师们可以说是想尽了办法——气缸活塞和缸体之间有摩擦力,那就把活塞环和缸体做得尽量光滑。比如通用和日产等车企,如今就采用了类金刚石涂层低张力活塞环,使用了目前全球最先进的无氢DLC涂层工艺材料,具有比钢材更高的硬度和耐磨性,在经历了20万公里耐久实验后,涂层磨损量也仅0.5微米,只有头发丝的四分之一。

  再者,采用涡轮或者机械增压技术——利用废弃能量,让发动机吸入更多空气,让每一滴油都燃烧得更充分;再比如,采用可变正时气门(CVVT)、缸内直喷、阿特金森或者米勒循环等等技术……

  然而,当人类无所不用其极之后,内燃机的热效率依然遇到一个拦路虎——压缩比。

  通常情况下,内燃机的压缩比是由发动机结构决定的,指的是气缸活塞在最低点时气缸的容积与气缸活塞到最高点时气缸容积的比值。通常来说,一台发动机的活塞、连杆、曲轴等全部都是固定的,所以压缩比只能是一个固定的值——从卡尔·本茨打造出世界上第一辆使用内燃机的汽车“奔驰一号”以来,这就是一条颠扑不破的真理。

  高压缩比发动机是一个行业趋势,吸气更多,燃油经济性更好,动力也更充沛。从早年6:1、7:1的压缩比发展到现在,量产车所使用汽油机的压缩比已经逼近15:1;即使是F1赛车,也只能达到17:1的压缩比。

在汽油机上,压缩比提高带来的是更好的燃油经济性,但太高的压缩比会引起发动机爆震;相对较低的压缩比能在发动机起步和低速阶段提供稳定、充沛的动力输出,但是总体来说效率不佳、不符合当下节油的趋势。

  更让人纠结的是,涡轮增压发动机先天与高压缩比的矛盾——当废气涡轮以高压将空气喷进气缸时,燃料和空气的混合比较低,点火时容易发生爆震。为了防止这一有害的现象,涡轮增压发动机通常都采用了较低的压缩比,比如大众著名的1.4T发动机,10:1的压缩比就要比马自达创驰蓝天的13:1低一些。

  然而在起步或者在城市里遇到堵车时,涡轮增压发动机汽车处于低转速,涡轮没有介入工作,这时候较低的压缩比,就成为了拖累,影响了发动机的整体热效率。一个解决方案是采用混动模式,用电动机来负责低速行驶。但电动机和蓄电池所增加的重量,反而又造成了浪费。

  能不能设计一个机构,能控制发动机运转并根据情况自动改变压缩比,从而解决一系列问题,让发动机更加高效呢?

  有,这就是可变压缩比发动机!

  内燃机的终极形态——可变压缩比的实现之路  正如前面所提到的,内燃机发明至今的159年来,一直都在以排量和压缩比不变的固定模式运转。同时,高性能和高效能不可兼得始终是业内难以攻克的难题。

  事实上,人类很早就开始了对可变压缩比发动机的探索。这项技术最早的起源可以追溯到1920年代,英国人哈利·里卡多爵士(这可是一位牛人,曾经为英国Mark V型坦克和喷火式战斗机设计了发动机)。为了解决爆震问题,他尝试制造出一台具备可变压缩比的发动机,但受制于那个时代的技术限制,并没有得到什么像样的成果。

  随着国际市场上原油价格的不断攀升,和各国对汽车排放和油耗要求的日益严苛,上个世纪80年代末,可变压缩比技术再次被各大车厂提上日程。

  第一个跳出来的是脑洞一直很大的瑞典人,萨博搞出了一套称之为“Saab Variable Compression”技术,简称“SVC”的技术。在1990年,萨博就取得相关技术专利,号称可以减少30%的燃油消耗,然而一直到萨博倒闭、这个品牌最终消失,这项技术也没有被投入实用。

  之所以没能开花结果,或许在于萨博的技术太过复杂。大家都知道,气缸和活塞的口径显然是不可能轻易改变了,要实现可变压缩比,可以说只有改变活塞上下止点,也就是改变活塞行程一条道路。萨博的解决方式是“偏转气缸”——在需要的时候,让气缸体和缸盖以曲轴为中心偏转一定角度,改变燃烧室的容积,从而改变了发动机的压缩比。

  “偏转”的动作看上去就不简单,其可变压缩比结构更是复杂,这严重限制了其可靠性。比如,这项技术用到的橡胶密封件的耐久性很难保证,胎死腹中自然不难理解。

  2009年,PSA标致雪铁龙也发布了一款可变压缩比发动机,名为“VCRi”技术,但至今也仍未量产。