可变压缩比几十年来一直是内燃机工程师的一个梦想。日产在今年发布了他们最新的VC-TURBO发动机，在天籁上引入了这款可变压缩比发动机，将可变压缩比真正带入量产，可变压缩比技术大批量生产的技术得到突破。
对内行人来说，这件事儿非常有意义，毕竟此前大家都认为内燃机日薄西山，谁知道还能在可变压缩比上“动手脚”。
那么这一技术到底有什么过人之处？我们不妨先拿日产VC-TURBO发动机为例，从主要性能参数深入探究一番。通过账面信息，我们能知道，这台2.0T 涡轮增压直喷发动机压缩比可以在8-14之间连续调节，额定功率能够达到200kW，最大扭矩能够达到380Nm，和同排量同类型发动机相比可以说是性能非常强悍。
▍这首先要归功于可变压缩比
汽油发动机多年来一直希望提高压缩比来提高发动机的效率，基本的原理我们通过下图进行讲解。这是发动机的示功图，我们可以看到①是压缩比提高以后多做的功，②是压缩比提高以后增大的泵气损失，③是压缩比提高以后在做功冲程最后由于冲程减小造成损失的功。可以很明显看出①＞②+③，也就是提高压缩比可以提高热效率。
压缩比提升对于发动机热效率的贡献大小可以见下图。研究表明，如果在部分负荷均值燃烧λ=1的情况下，压缩比从10提高到14的话发动机热效率会提高2%左右。
汽油机之所以不能大幅度增加压缩比来提高热效率，最大的限制是汽油机的爆震问题，尤其对于增压发动机爆震问题更严重。所以，内燃机工程师一直在寻找是否可以在部分负荷使用高压缩比来实现高的热效率，在全负荷采用低的压缩比来避免爆震的技术方案。
日产用了终于实现了可变压缩比，实现了发动机性能和油耗的完美平衡。日产的压缩比控制策略见下图，在日常使用的低转速小负荷采用14的压缩比来实现低油耗，在全负荷采用8的压缩比来避免爆震实现高性能，中间负荷压缩比介于8-14之间，根据发动机的效率进行调节。
可变压缩比既然有这么大的好处，为什么这么多年一直没有发动机采用这一技术呢？下面我们来分析一下。
▍可变压缩比的技术难关
为什么可变压缩比那么难呢？主要原因是发动机的压缩比是由燃烧室容积和缸径冲程尺寸决定的。燃烧室由于要承受高温高压还要保证密封，目前都是采用铸造,而且还有水套冷却，进排气道布置，因此无法做成可变的。
缸径也无法可变，看起来只能变冲程了，但是活塞，连杆曲轴系统的尺寸决定了冲程，这三个件高速旋转承受非常大的燃烧气体力和惯性力。很难做成可靠的可变结构。因此实现量产非常困难，很多人尝试结果都没有成功量产。在之前的几十年内燃机工程师研究了很多实现可变压缩比的方案，其中比较有代表性的方案有以下三种，见下图：
（1）改变连杆和曲轴的连接方式来实现VCR的多连杆机构。基本原理是连杆不再和曲轴直接连接，而是连接一个可变的过渡连杆装置然后再和曲轴相连。通过改变中间过渡连杆装置的杠杆比来改变冲程，从而实现VCR。这种方案结构最复杂，发动机设计改动很大，几乎是要完全重新设计。但这个方案可以实现压缩比的连续无极调节，效果最好。这也是日产可变压缩比选择的方案。
（2）改变曲轴的轴心位置来实现可变压缩比，这种方案采用一个安装在缸体上的液压机构来直接改变曲轴的轴心位置，从而实现连续可变压缩比。我们知道曲轴是将活塞的往复气体力转化成整车需要的旋转扭矩的最重要零件，曲轴承受很大的气体力和惯性力，本身对强度刚度要求都很高。因此这种方案虽然结构上看起来比第二种方案简单，但是想要曲轴系统可靠工作，挑战非常大，一直无法量产，目前已经没有人在继续研究开发这个方案了。
（3）通过改变连杆工作长度来实现。主要原理是通过增加液压机构，让连杆在工作过程中长度可变，从而实现VCR。这种方案发动机本体改动比较小，但是只能实现两级可变压缩比，而且会显著增加旋转部件连杆的重量，因此效果会打一些折扣。这个方案一直没有公司量产。
不同可变压缩比技术VCR降油耗潜力也是有差异的。下面图里有一个著名发动机开发公司德国FEV的研究结果，连续可变VCR技术在NEDC工况和更接近用户实际使用工况的WLTP工况都比两级可变压缩比有更大的降油耗潜力，而且VCR几乎是目前能够采用的最有潜力的降油耗技术手段。
▍日产可变压缩比VCR系统的技术分析
1、 日产可变压缩比的机械结构
可变压缩比概念最难实现的部分其实是机械结构，日产的技术探索的重点也在于如何实现一个可靠的可变压缩比机械结构上，日产为此进行了多种结构方案的分析、测试和比较。最终日产工程师认为多连杆机构是最优的设计方案，先简单描述一下这个结构的工作方式：
a.该机构中，传统曲柄连杆机构被日产专有的多连杆机构所代替。
b.传统的活塞和曲轴之间增加了U连杆、L连杆和控制用的C连杆，通过U销和C销连接，这两个连杆的运动受控制轴限制，因此两连杆夹角不会错误地改变；
c.每个缸中都有U连杆，L连杆和C连杆，但共用曲轴和控制轴；
d.通过曲轴下方增加的一套电机驱动的回旋机构，在曲轴旋转轴心位置不变的情况下控制曲柄连杆的动作高度，也就是对活塞和曲柄进行整体的上下推移（范围是6mm）。实现了压缩比从8到14的连续无级调节。
说起来很枯燥，放个图大家看一下：
日产工程师的精力都花在什么地方了呢？我们来看看他们做的艰苦而扎实的研究工作吧，这个绝对是独家分析：
（1） 解决多连杆结构太大的问题
日产工程师很早就用多连杆实现了可变压缩比，但是尺寸太大导致发动机太宽，在整车上安装会非常困难，无法批量生产。下图是早期日产的多连杆结构。
日产的工程师最终减小了L连杆的长度，并且把控制轴放在了发动机的底部，这样解决了发动机的宽度太大问题，形成了今天看到的设计方案。具体的方案变化见下图。新结构L连杆的两个紧固螺栓方向由原来的同向改为反向安装，使得L连杆长度缩短。同时，这种设计改善了螺纹连接的受力，可以承受更大的爆发压力。
2、 改善多连杆机构的NVH特性
（1）由于上面的更改造成L连杆的左右对称性得到改善，平衡了直列4缸发动机左右方向上的惯性力，最终改善了发动机振动特性。
（2） 最早日产设计的VCR执行器的减速器采用了直齿轮和丝杠的减速机构，但是这种结构造成执行器的尺寸太大，此外减速器还存在严重的齿轮噪声。日产进行了多年的研究，最终使用日产称为Harmonic Drive的齿轮装置解决了这个问题，这个是日产的专利。由于该减速齿轮箱的接触比很高并且理论上没有间隙，总体可以实现7dB的显着降噪，个别频率下甚至最高降噪能达到达15dB。另外，由于使用很少的零件就实现了1/200至1/300的高减速比，因此最终日产VCR减速器的尺寸也大幅度减小到可以安装在车辆上的水平。
3、VCR机构获得的额外的NVH和摩擦阻力优势
（1）日产工程师发现复杂的多连杆系统带来的一个额外好处是在做功时可以保持活塞和连杆处于垂直于曲轴的状态，这种情况下就没有了传统发动机做功时活塞所受的侧向力，下面有个图可以看的更清楚。消除了活塞做功时的侧向力可以减小活塞敲击的声音，同时可以有效的降低二阶激励，因此，日产VC Turbo不再需要平衡轴。
（3） 没有了活塞做功时的侧向力以后，极大地减小了活塞侧壁与缸壁之间的摩擦力，这样发动机的摩擦阻力就降低了，尤其是在中低转速更为明显。
4、日产VCR可变压缩比降低油耗的潜力
日产公布了一个数据，见下图，压缩比在2000rpm 5bar（80Nm）的情况下压缩比从8提升到14，油耗率可以降低大约20g/kWh。虽然日产没有公布油耗率的纵坐标，但是我根据一般情况换算了一下，油耗率降低应该在7%左右，因该说幅度还是很大的。
5、日产VCR可变压缩比带来的性能提升
日产公布了一个可变压缩比对性能提升的数据，可以看出可变压缩比尤其在高速性能上有明显的优势，可以达到更大的功率，几乎相当于日产原来3.6L V6自吸发动机的功率水平了。
最后还想说一下，日产能够为了一个不一定能够成功的技术方案坚持持续的研发投入，这种对技术的执着和坚持尤其需要我们国内企业学习。
如果我们能不那么浮躁，不那么看重眼前利益，给真正的技术创新更多的耐心，我们的汽车和发动机技术应该会有更大的进步。
