1 群星闪耀的20世纪70年代

电动车、技术的推广似乎让传统动力的发展变得愈加艰难，“20XX年完全实现电动化……从2025年起不再销售汽油车（荷兰）”这些政策和趋势似乎也在预示着燃油车末日的到来，但事实真的如此吗？就在今年，英菲尼迪QX50（日产可变压缩比VC-TURBO发动机）横空出世，再一次将传统内燃机推到了台前，我们再一次感受到了机械的魅力,但也随之带来了一个疑问，可变压缩比发动机是否是内燃机最后的绝唱？毕竟就目前来看内燃机从结构上讲几乎不可能再有大的改变……

这篇文章，我们从历史上内燃机的几次大的技术革新讲起，从米勒循环到阿特金森循环，从化油器到缸内直喷，从自然吸气到涡轮增压，最后来到汽车人们都无限向往的“可变技术”……

英菲尼迪QX50，带来的是内燃机的绝唱还是一个新时代的升起？

说起可变压缩比，其实过去的一些发动机上也有应用，比如马自达创驰蓝天发动机或者丰田混动的阿特金森发动机等，但这些可变压缩比技术从本质上讲是对可变压缩比改变并不大，都是通过调整配气程序，让发动机的膨胀比大于实际压缩比来实现。

纵观汽车的历史，一台能真正量产的可变压缩比发动机绝对能进入改变汽车历史的“名人堂”，毕竟在内燃机发展的近百年来，物理结构上的改变并不多，而正因为几乎定型的发动机结构，才让这台可变压缩比发动机的显得尤为珍贵。当然，可变压缩比发动机的出现也不是一蹴而就，这是日产经过20年，200亿美元一点点积累研发出来的，这是一代代发动机从歧管喷射到直喷，从自然吸气到增压，从单气门到多气门再到双顶置凸轮轴，一步步进化，一代代发展来的…而最初的故事要从最早的四冲程发动机说起。

咖啡推销员和他的世界上首台四冲程发动机

1832年6月14日，德国一个普通工匠的家庭迎来了他们的第六个孩子Nicolaus August Otto（尼古拉斯·奥托），奥托从1838年开始上学，从小便表现出了对科学和技术的浓厚兴趣，这种情况一直持续到高中。

如果按照一般的剧本，奥托这一生似乎会在销售公司完成自己整个的职业生涯，但命运就是这么神奇，热爱科学和技术的奥托在1860年秋末一个偶然的机会了解到了比利时工程师勒努瓦正在设计制造一种新型的发动机。

奥托对勒努瓦的发明十分着迷，于是和自己的兄弟一起仿制了勒努瓦发动机，并对其进行了改进，使用了液体燃料，虽然最后在申请专利时被当时的普鲁士商务部拒绝了，但却让奥托意识到了液体燃料压缩这个方向，如果用现在的眼光看，这就是燃油喷射的雏形。

奥托在同年也了解到了这位法国工程师的理念，这个原理与自己的压缩燃料概念有些不谋而合，于是奥托在1861年使用了这一原理制造了一台发动机，不过很遗憾这台发动机只运行了几分钟，但不可否认的是，这是世界上第一台四冲程发动机原型机。

奥托循环是目前大部分发动机的工作方式，工作的一个周期是由吸气过程、压缩过程、膨胀做功过程和排气过程这四个冲程构成。

首先活塞向下运动使燃料与空气的混合体通过一个或者多个气门进入气缸，关闭进气门，活塞向上运动压缩混合气体，然后在接近压缩冲程顶点时由火花塞点燃混合气体，燃烧空气爆炸所产生的推力迫使活塞向下运动，完成做功冲程，最后将燃烧过的气体通过排气门排出气缸。

自从奥托发动机问世后，后面的事情估计大家就很熟悉了，曾经是奥托公司的工程师戴姆勒和迈巴赫制造了第一台往复式四冲程汽油发动机。后来在1886年初夏，德国人卡尔·本茨将自己研发的二冲程汽油发动机装在了一台三轮车上，成为了世界上第一台标准的汽车。

回到奥托循环这个话题，在奥托发明自己的发动机之前，其他的内燃机马力都比较小，用在汽车上基本是不可能的，但奥托发动机却可以实现这一点，除此之外，奥托循环也将膨胀比和压缩比的概念真正应用到了发动机上面，可以毫不夸张的说，奥托先生算是汽车发动机历史上真正的创造者之一。

2 高压缩比技术到来

混动汽车发动机师祖——詹姆斯·阿特金森

阿特金森，又是一个如雷贯耳的名字。詹姆斯·阿特金森1846年出生在英国汉普斯特德，他在1882年带来了与奥托循环发动机完全不同的阿特金森发动机。

阿特金森发动机的出现改进了奥托循环发动机的燃油效率，虽然每个气缸的功率变低，但为未来的汽车工程人员提供了更多的关于解决动力和油耗这一对看起来不可调和的对手之间方式，为可变压缩比和后来的米勒循环都带来了深远影响，而詹姆斯·阿特金森也永远不会想到在21世纪人们会把阿特金森发动机改进的如此成功。

58年后的进化——米勒循环

阿特金森设计的共同点是发动机的膨胀冲程比压缩冲程长，并且通过这种方法，发动机实现了比传统活塞发动机更高的热效率。到了1940年，美国工程师罗尔夫·米勒（Ralph Miller）重新对不对等的膨胀比/压缩比进行了改进，通过对进气门进行开度时间的控制来调整压缩比。

『奥托循环』

『米勒循环』

在设计之初，这种发动机有两个技术点一个是机械增压，一个是进气门延迟关闭。米勒循环在进气后的压缩阶段，进气门会晚一些关闭，也就是活塞在上升时，进气门还是处于开启状态，所以有部分在汽缸的气体会重新进入进气歧管，并在机械增压的作用下保持气压，故下一次的进气冲程中可提高进气效率且减少泵压损失。可是这样也造成实际上的压缩空气没有比进气时的多，而降低压缩比。

虽然米勒循环发动机在发明之初并不受关注，但对后来的日本汽车产生了深远影响，马自达、丰田、本田都是米勒循环发动机的忠实“粉丝”，除此之外大众的EA888 TSI也应用了米勒循环发动机原理。

从1876到1940这六十多年，汽车技术发生了翻天覆地的变化，汽车人才也是群星闪耀，这64年间基本上奠定了发动机工作的三种主要原理，同时创立了压缩比、膨胀比等内燃机概念，这对未来可变压缩比发动机的研究打下了坚实的基础。

本期的内容到这里就告一段落，下一期我将着重给大家介绍增压技术，可变正时技术以及歧管喷射和直喷等近现代发动机技术的故事和发展，敬请期待。（图/文 汽车之家 冷晓阳）

3 增压技术的历史和现状

下面我们将结合汽车历史上的大佬，给大家带来关于缸内直喷、可变压缩比、发动机的物理结构等内燃机的历史故事，废话不多说，我们把目光投向1882年……

摩托车之父还有增压技术的专利？！

说起德国的大发明家Gottlieb Wilhelm Daimler（以下简称戴姆勒）先生，大家脑海肯定会浮现出他与迈巴赫研究的汽车发动机和后来的戴姆勒-奔驰公司，但实际上，戴姆勒还是世界上第一个小型高速发动机的发明者。我们上篇曾经提到过奥托先生，戴姆勒就是在奥托的公司中担任工程师，但在研发过程中，戴姆勒和奥托曾出现过严重的分歧。

这一年，在世界上第一台摩托车的光环下面还有一个不为人知的专利：这是一个使用齿轮驱动的泵体，它的作用是可以迫使空气进入发动机。这也成为了有记载的世界上最早的将空气主动送入发动机内的增压技术。

这一年，专注于研究内燃机效率和排气热损失的AlfredBüchi从戴姆勒的专利中得到了灵感，他设计了一个轴向的压缩机，通过活塞式发动机排出的废气来推动压缩机运转，通过压缩机为内燃机提供更多空气。这个原理非常的简单，以至于从涡轮增压器发明以来都一直延续着这个思路，而1905年也被人们称为涡轮增压的元年。

虽然涡轮增加发动机可以带来明显的动力提升，但由于当时发动机技术并不成熟，因此经常出现故障，最终奥兹莫比尔在一年后就停止了这台发动机的供应。虽然这台发动机停止了使用，但涡轮增压技术彻底在车企中流传开来。

到了近现代，涡轮增压技术更得到了长足进步和升级。比如可变截面涡轮增压、双涡轮增压、电动增压器等一系列衍生。其中可变截面涡轮增压和电动涡轮增压器是目前比较有科技点的技术。先来看看可变截面涡轮，我们知道涡轮增压器会在排气量小的时候无法达到工作转速，此时基本无法发生作用，此时涡轮增压发动机动力就会很小，那么小排量发动机一般会用一颗小惯量涡轮，但这种涡轮增压器在高转速时，由于排气截面小，会让排气阻力增加，从而影响发动机功率和扭矩。

涡轮增压技术是航空领域典型的技术下探后的产物，它的诞生对汽车发动机技术产生了深远影响，为解决动力和排放的平衡作出了巨大贡献，在未来涡轮增压技术也将会越来越实用和广泛。

4 双喷射及稀薄燃烧

从缸外到缸内再混合，看纠结的燃油喷射历史

缸内直喷的专利是与V8发动机一起诞生的。1902年夏天，法国飞机设计师和发明家LéonLevavasseur在制造飞机发动机的时候，研制出了一款V型的8缸发动机，它的燃油供给系统就是一套缸内直喷机构。

这套缸内直喷系统由博世公司提供，发动机最大功率能达到222Ps，不过需要注意的这套缸内直喷系统是机械喷射，而不是我们现在的电喷。

进入20世纪90年代，缸内直喷取得了重大进步，各大主机厂都推出了缸内直喷的车型，但尽管缸内直喷已经成为主流，传统的进气道喷射却依然有生命力，因为缸内直喷在低速状态下容易积碳，进气道喷射则是容易燃烧不充分，聪明的工程师想到了将两者进行结合。

大众、奥迪玩不下去的稀薄燃烧又让马自达搞起来了？

改善燃烧方式、优化进气效率同时减少摩擦、降低热量损坏是提高发动机热效率的主要技术路线，前面我们已经讲了进气效率等方面的发动机技术特点，下面我们再看看燃烧方面。在燃烧方面比较有颠覆性也是目前车企都在研发的重点就是HCCI（均质压燃）。

HCCI是解决“稀薄燃烧”的重要关键，它的出现可以对每一滴燃油的压榨更纯粹。这项技术虽然在90年代就被提出并开始试验，但当时电子技术并不成熟，现在随着电子技术的发展HCCI开始被我们熟知，这也是未来内燃机研究的一个重要方向。

5 可变压缩比或许是内燃机的新生

日产可变压缩比发动机问世，内燃机终结还是新生？

来到了最后一节，我们终于要聊到可变压缩比技术。可能看我们这个系列文章的朋友有些疑问，当我们在聊可变压缩比发动机我们到底在聊什么？其实第一篇和第二篇的这些影响了发动机的技术亮点都是可变压缩比发动机的基础，而对于可变压缩比发动机这也是发动机再发明后这么多年来唯一的一次在结构方面的改变，展望未来，发动机结构上的改变就目前的技术储备来说基本是“前无古人后无来者”了，因此最后一节我们回到文章最初提到的“可变压缩比发动机是否会成为内燃机绝唱？”

当时日产也对这个技术进行了立项，跟其他车企一样，日产在初期也遇到了很多了困难，当时谁都没把这种前瞻性技术当成一回事，甚至还质疑为什么进行可变压缩比的开发。

其他的几种方案，日产认为都无法对变量进行精确把控，尤其是在气缸盖进行调节的方案，日产曾做过相关研究，但由于此处在发动机启动后温度较高，对于机构的控制比较困难，同时制造工艺也无法满足。

其中多连杆机构是设计最复杂也是最精妙的地方。在开发初期，这套多连杆结构体量比较大，当装配到发动机上后，发动机不但没有变小，反而体积有所增加，所以首先进行是小型化研究。工程师先对L型连杆进行了缩小，减小它的变形量，另一个是将连杆的长度缩短。

有了这套多连杆机构再配合双喷射系统，日产的这台可变压缩比发动机基本上是完成了压缩比可变的硬件配置。那么在实际情况下是如何工作的呢？

如果在运动模式下发动机会进入低压缩比模式，大约在8:1，此时燃烧室变大，扭矩变大。在实际驾驶情况下，这种压缩比的切换是“无级”进行的，全部由电脑根据传感器进行智能切换。

编辑总结：压缩比可变是发动机领域上百年来的梦想，想要发动机动力上来，热效率就肯定会高，但问题是压缩比大也容易发生爆震，这样对发动机肯定是有损坏的，因此又想压缩比高又不想爆震，还要有好的加速和大扭矩，这种“鱼和熊掌兼得”的好事只有压缩比可变才能解决。

上一期的三大燃烧循环，这一期的涡轮增压、直喷以及稀薄燃烧等技术都是为发动机技术的发展奠定了基础，可变压缩比的成功出现可谓是站在巨人的肩膀上，一步步走来。当然，这也与日产对技术孜孜不倦的研发息息相关。压缩比的随心所欲意味着发动机任何情况下满足动力要求的时候都能够让我们的油耗比处于最佳状态，这种情况只能靠可变压缩比主动管理实现。而至于日产可变压缩比发动机的出现是否是发动机最后的光芒，我认为恰恰相反，这绝对不是最后一台可变压缩比发动机，肯定会有更多厂商进入这个领域，与混动车相比，谁笑到最后还不一定。