新型直列3缸1.2 L機械增壓汽油機

【日】 A.Kobayashi T.Satou H.Isaji S.Takahashi T.Miyamoto

新型直列3缸1.2 L機械增壓汽油機

【日】 A.Kobayashi T.Satou H.Isaji S.Takahashi T.Miyamoto

介紹新型1.2 L 3缸HR12DDR型汽油機，其開發(fā)目標(biāo)是達到歐洲B級車市場最低的二氧化碳排放，并通過優(yōu)異的動力輸出性能來滿足用戶的駕駛樂趣。同時，該汽油機的開發(fā)目的也是為了滿足日趨收緊的法規(guī)要求，以及將來取代轎車柴油機。2011年，該汽油機已被應(yīng)用在日產(chǎn)汽車歐洲市場的Micra車型上，達到了新歐洲行駛循環(huán)的二氧化碳排放限值95 g/km。為了降低燃油消耗率，通過提高壓縮比，最大限度地提高熱效率，并盡可能降低機械摩擦損失。通過汽油直接噴射系統(tǒng)優(yōu)化燃燒。選擇帶有旁通閥和電磁離合器的機械增壓系統(tǒng)，在不棲牲動力性的前提下實現(xiàn)更好的燃油經(jīng)濟性。詳細介紹了HR12DDR型汽油機及其應(yīng)用的技術(shù)亮點。

小排量汽油機 機械增壓 低二氧化碳排放 高動力輸出 電磁離合器 旁通閥

0 前言

自20世紀(jì)80年代后期為Micra車開發(fā)的MA10E型汽油機投放市場以來，日產(chǎn)汽車公司針對B級車開發(fā)了0.9～1.4 L的一系列小排量發(fā)動機。1988年，為了能夠讓小型車在汽車運動領(lǐng)域迸發(fā)出追求駕駛樂趣的熱情，日產(chǎn)汽車公司在MA10E機型基礎(chǔ)上開發(fā)了采用渦輪增壓和機械增壓的MA09ERT型汽油機。20世紀(jì)90年代，為了滿足用戶對燃油經(jīng)濟性、駕駛樂趣，以及全球市場范圍內(nèi)可接受的低成本要求，開發(fā)了排量分別為1.0 L、1.2 L和1.4 L的CR10DE、CR12DE和CR14DE型汽油機。2010年，繼CR10DE型之后又開發(fā)了新型HR12DE型汽油機，通過采用3缸技術(shù)，進一步提高燃油經(jīng)濟性，并降低了成本。

另一方面，駕駛樂趣始終是用戶最基本的要求之一，即使在經(jīng)濟模式下行駛也不例外。

作為最新開發(fā)的機型，HR12DDR型汽油機進一步提高了燃油經(jīng)濟性，成為同級別發(fā)動機中二氧化碳（CO2）排放水平的標(biāo)桿，達到與柴油機相同的水平。同時，駕駛樂趣得到進一步提升，超越了HR12DE機型，成為CR14DE機型小型化的變型產(chǎn)品。新型汽油機以HR12DE機型為基礎(chǔ)，采用汽油直接噴射系統(tǒng)和米勒循環(huán)，實現(xiàn)了高壓縮比。在提高駕駛樂趣方面，新增了機械增壓系統(tǒng)，同時應(yīng)用了MA09ERT機型的機械增壓系統(tǒng)匹配技術(shù)和經(jīng)驗。

新機型的開發(fā)目標(biāo)如下：（1）歐洲B級車中最低的CO2排放水平（95 g/km）；（2）實現(xiàn)高動力輸出，駕駛樂趣超過同級別車型；（3）滿足歐5排放法規(guī)的要求。

為實現(xiàn)上述開發(fā)目標(biāo)，新機型主要采用以下4項核心技術(shù)：（1）壓縮比提高至13.0，最大限度地提高指示熱效率；（2）采用高廢氣再循環(huán)（EGR）率和延遲進氣門關(guān)閉的米勒循環(huán)，使泵氣損失最??；（3）增加部分附件，如雙可變氣門正時控制（VTC）和增壓系統(tǒng)，減少發(fā)動機機械摩擦損失；（4）應(yīng)用米勒循環(huán)優(yōu)化小排量發(fā)動機的增壓系統(tǒng)。

其中，實現(xiàn)上述開發(fā)目標(biāo)的最關(guān)鍵技術(shù)是汽油直接噴射系統(tǒng)和機械增壓系統(tǒng)。

1 發(fā)動機的主要技術(shù)規(guī)格和性能

圖1 HR12DDR型汽油機外形圖

圖1是HR12DDR型汽油機的外形圖。機械增壓器被布置在發(fā)動機排氣歧管正上方的氣缸蓋罩上。

HR12DDR型汽油機是在HR12DE機型基礎(chǔ)上開發(fā)的，HR12DE機型是直列3缸1.2 L自然吸氣汽油機。直列3缸的布置方式具有結(jié)構(gòu)緊湊、機械摩擦損失小的優(yōu)勢，但對整車振動平順性不利。HR12DE型汽油機通過應(yīng)用外置平衡塊，成功地達到了4缸機的振動水平。表1列出了HR12DDR型汽油機與MA09ERT、CR14DE及HR12DE機型的主要技術(shù)規(guī)格對比。

表1 發(fā)動機的主要技術(shù)規(guī)格

圖2為HR12DDR型汽油機與基本型及上一代機型的扭矩和功率曲線對比圖。HR12DDR型汽油機的最大功率為72 k W，最大扭矩為142 N·m。高動力輸出和高壓縮比的實現(xiàn)主要歸功于汽油直接噴射燃燒和燃燒室周邊冷卻部件的優(yōu)化，這些措施改善了爆燃狀況。圖3示出HR12DDR型汽油機在燃油經(jīng)濟性散點圖中的位置。通過采用起動-停車系統(tǒng)，搭載HR12DDR型汽油機的Micra車達到95 g/km的CO2排放水平，在散點圖中處于最佳水平。

圖2 扭矩和功率曲線的對比

2 獨特技術(shù)

提高壓縮比后，熱效率得到進一步提升，在很大

圖3 HR12DDR型汽油機的CO2排放量

程度上導(dǎo)致了壓縮行程末期缸內(nèi)溫度上升，爆燃傾向增強。此外，增壓系統(tǒng)與高壓縮比的結(jié)合使避免因爆燃傾向增強引起的性能退化變得更困難。為了解決這一難題，應(yīng)用了汽油直接噴射系統(tǒng)，并對一些部件采取冷卻措施，如活塞機油噴射冷卻和高導(dǎo)熱性活塞環(huán)等（表2）。

表2 HR12DDR型汽油機的主要結(jié)構(gòu)特征

雖然，更高的壓縮比在理論上可獲得更高的熱效率，但較大的壓縮余隙面容比會導(dǎo)致燃燒室冷卻損失增加。研究表明，汽油機壓縮比范圍應(yīng)在13.0～14.0之間，這樣熱效率才能達到最大值。

嘗試設(shè)計低面容比活塞，以充分利用增壓優(yōu)勢。常規(guī)發(fā)動機需要在活塞頂面加工出氣門凹坑。通常，在高負荷條件下，通過調(diào)整進、排氣門相位和升程，提高活塞表面頂部凹坑的掃氣效率，在新機型中，這些功能由機械增壓系統(tǒng)來完成。通過優(yōu)化進、排氣門升程和相位，活塞頂部凹坑達到最小，實現(xiàn)了活塞面容比的最小化?；钊螤钜妶D4。

圖4 活塞形狀

由于活塞的低面容比和高壓縮比（13.0），在部分負荷工況下能獲得更高的熱效率。如圖5所示，對于直接噴射汽油機而言，這種活塞的熱效率可達到壓縮比約為14.0的常規(guī)活塞的水平。

圖5 在2 000 r/min及0.2 MPa工況下，熱效率與壓縮比的關(guān)系

汽油直接噴射提供了一種抑制爆燃、提高熱效率的途徑。在進氣行程中，燃油被直接噴入氣缸，利用噴入燃油的汽化潛熱吸收熱量，降低壓縮終點的溫度。圖6為日產(chǎn)汽車公司汽油直接噴射燃燒的設(shè)計理念。在進氣和壓縮行程中，通過將強氣流運動與燃油直接噴射相結(jié)合，促進空氣與燃油更有效地混合，使均質(zhì)燃燒的穩(wěn)定性更好。

圖7為HR12DDR型汽油機噴嘴噴油霧化模擬的側(cè)視圖。為了獲得汽油直接噴射的最佳效果，采用了6孔噴嘴，考慮到小缸徑汽油機的機油稀釋問題，通過計算流體動力學(xué)（CFD）對霧化效果進行了模擬。結(jié)合高壓燃油噴射系統(tǒng)，對燃油的蒸發(fā)和貫穿距進行了優(yōu)化設(shè)計。

圖6 日產(chǎn)汽車公司汽油直接噴射燃燒的設(shè)計理念

圖7 噴油霧化模擬

汽油直接噴射雖然能夠獲得上述所期望的收益，但是，會在氣缸內(nèi)形成非均勻的混合氣分布，這使混合氣的燃燒效率較低，并生成碳氫化合物，產(chǎn)生爆燃現(xiàn)象。作為對策，通常通過優(yōu)化進氣道設(shè)計，在進氣和壓縮行程中采用強氣流來提高混合氣分布的均勻性。

通常，進氣道的設(shè)計要點是保持進氣阻力與空氣流量系數(shù)的平衡。HR12DDR型汽油機采用的是機械增壓系統(tǒng)，所以，可以根據(jù)增壓器的增壓功能匹配，對進氣道進行特殊的滾流設(shè)計。

圖8 進氣道氣流的流線圖

圖8顯示了進氣道和進氣流線。圖中顯示，截面陡變的邊緣使進氣道下側(cè)的進氣流量降低，增強了滾流效果。

圖9示出了HR12DDR型汽油機的滾流比和空氣流量系數(shù)在散點圖中所處的位置。由于精心設(shè)計了進氣道，盡可能提高了滾流強度，滾流比處于最佳位置。因此，能夠獲得良好的空-燃混合氣，其均質(zhì)水平達到了多點進氣道燃油噴射汽油機的同等水平（CFD模擬計算值）。

圖9 滾流比散點圖

3 泵氣損失最小化

減少泵氣損失的主要設(shè)計理念是運用高壓縮比的進氣門晚關(guān)米勒循環(huán)。甚至在進氣門晚關(guān)狀態(tài)下，也可以形成高膨脹比，在燃燒穩(wěn)定的前提下帶來提高燃油經(jīng)濟性的效果。新型汽油機的進氣門關(guān)閉正時被推遲到100°CA ABDC，相應(yīng)的有效壓縮比為7.0。為了在無增壓的部分負荷工況區(qū)域徹底減少剩余的泵氣損失，采用了機內(nèi)EGR與排氣正時連續(xù)可變控制（CVTC）及機外EGR相結(jié)合的方式。

上述設(shè)計理念會因延緩混合氣的燃燒和降低有效壓縮比而引起嚴(yán)重的燃燒問題，因此要求在燃燒行程中增強混合氣的湍流。另外，米勒循環(huán)和高壓縮比設(shè)計的結(jié)合會造成混合氣動能降低。這主要有2個方面的原因造成：（1）高壓縮比會導(dǎo)致滾流因上止點壓縮余隙較小而衰竭；（2）當(dāng)米勒循環(huán)在進氣門關(guān)閉正時延遲時，氣缸內(nèi)的混合氣會在壓縮行程中返回進氣道，對混合氣湍流強度造成不良影響。

圖10顯示了進氣門晚關(guān)米勒循環(huán)與常規(guī)進氣門關(guān)閉正時的滾流比較。因為混合氣在壓縮行程后半期回流進入進氣道，所以米勒循環(huán)的滾流比沒有增加。

為了加強點火定時的混合氣湍流，在進氣道中設(shè)置一種新型渦流控制閥。從壓縮行程開始到點火定時，特別在高壓縮比的情況下，該閥能夠使缸內(nèi)混合氣渦流從壓縮行程一直保持到點火定時。甚至在高EGR的狀態(tài)下，該渦流也有利于保持燃燒的穩(wěn)定性。

機內(nèi)EGR米勒循環(huán)是依靠進氣和排氣CVTC來實現(xiàn)的。如圖11所示，進氣和排氣VTC的正時可以延遲，以優(yōu)化氣門重疊。這是日產(chǎn)汽車公司首次采用進氣延遲的CVTC系統(tǒng)。選擇該系統(tǒng)的原因是它既可以滿足發(fā)動機良好的起動性能要求，又具備進氣門晚關(guān)米勒循環(huán)的優(yōu)異燃油經(jīng)濟性。當(dāng)發(fā)動機處于高動力輸出工況時，機械增壓取代進氣延遲的CVTC系統(tǒng)，對進氣充量起著主導(dǎo)作用。因此，進氣和排氣CVTC系統(tǒng)的參數(shù)可以完全按照部分負荷的工況條件進行設(shè)計。

圖10 采用米勒循環(huán)與不采用米勒循環(huán)的滾流比比較

圖11 進氣和排氣VTC的設(shè)計理念

4 減小發(fā)動機的機械摩擦

為了改善燃油經(jīng)濟性，在HR12DDR型汽油機上采用了各種先進的減摩技術(shù)，包括全球首次采用的無氫DLC涂層活塞環(huán)（圖12）。

HR12DDR型汽油機提高了活塞環(huán)張力，以抑制高動力輸出增壓發(fā)動機因熱負荷增大而引起的發(fā)動機機油耗升高傾向。由于采用了DLC涂層活塞環(huán)，活塞的摩擦與HR12DE型汽油機的相同。

如上所述，新型發(fā)動機采用了進氣和排氣CVTC、基于機油壓力的活塞機油噴射冷卻等部件，以改善燃油經(jīng)濟性。由于需要額外增加機油供給量，提高了機油泵功率消耗。為了減少機油泵功率損失，裝用了新型可變?nèi)萘繖C油泵。結(jié)果，在滿足機油壓力要求的前提下，機油泵的功率消耗保持與常規(guī)發(fā)動機相同的水平。

圖13為發(fā)動機的前視圖，示出了為降低摩擦而采取的一些技術(shù)措施。在傳動系統(tǒng)外圍，安裝了可脫開式新型減振器皮帶輪和機械增壓電磁離合器，以及自動張緊器。這些措施降低了3缸增壓發(fā)動機的皮帶張力，與傳統(tǒng)機型相比，皮帶輪傳動系統(tǒng)的摩擦降低了20％。

圖12 實施的減摩技術(shù)

圖13 附件所采用的減摩技術(shù)

圖14顯示了HR12DDR型汽油機與HR12DE型汽油機的摩擦損失對比。若不考慮采用機械增壓系統(tǒng)、汽油直接噴射高壓燃油系統(tǒng)和機油供給部件（如排氣VTC），與HR12DE型汽油機相比，新型發(fā)動機的摩擦損失降低約10％。

5 增壓系統(tǒng)的優(yōu)化

為了同時獲得良好的燃油經(jīng)濟性和駕駛樂趣，開發(fā)了最佳的增壓系統(tǒng)。由于該發(fā)動機排量小且采用米勒循環(huán)，發(fā)動機廢氣排放量和余熱較少，因此考慮到瞬態(tài)響應(yīng)性，此類發(fā)動機無法依靠廢氣熱量來優(yōu)化增壓系統(tǒng)。圖15為計算所得的車輛加速度對比。由圖可見，與有渦輪滯后效應(yīng)的渦輪增壓系統(tǒng)相比，機械增壓系統(tǒng)具有更好的加速性能。

新型汽油機采用Eaton公司雙4葉轉(zhuǎn)子羅茨泵機械增壓器，以獲得更高的進氣增壓效率和更好的聲品質(zhì)。在B級車中，增壓器與發(fā)動機的轉(zhuǎn)速比確定為2.4：1，以保持B級車燃油經(jīng)濟性與動力性之間的平衡。

圖14 2 000 r/min時的發(fā)動機摩擦損失對比

圖15 發(fā)動機瞬態(tài)響應(yīng)性的對比

盡管在非增壓工況下，該機械增壓器的運轉(zhuǎn)摩擦損失已經(jīng)較低，但還是采用電磁離合器，以進一步減少摩擦損失。機械增壓器由電磁離合器和二級皮帶驅(qū)動，而電磁離合器由發(fā)動機電控單元直接控制（圖16）。

圖16 機械增壓器

圖17為機械增壓電磁離合器的運行圖。當(dāng)發(fā)動機以低燃油耗模式運行時，離合器處于關(guān)閉狀態(tài)，以切斷增壓系統(tǒng)的無效運轉(zhuǎn)。當(dāng)發(fā)動機處于高速運行工況時，則離合器介入，以響應(yīng)駕駛者的瞬態(tài)指令。

圖17 機械增壓電磁離合器的運行圖

為了控制增壓壓力，HR12DDR型汽油機在節(jié)氣門上游設(shè)置1個旁通閥。在電磁離合器關(guān)閉狀態(tài)下，進氣通過旁通閥由進氣道直接進入節(jié)氣門，因此，旁通閥的設(shè)計是常開的。該狀態(tài)下的進氣流量由節(jié)氣門控制。在電磁離合器接合狀態(tài)，通過調(diào)整旁通閥的開度，由旁通閥和進氣再循環(huán)來協(xié)同控制增壓壓力（圖18）。

圖18 旁通控制系統(tǒng)

旁通閥系統(tǒng)既能提供發(fā)動機扭矩的線性控制，以滿足駕駛舒適性，又能在增壓狀態(tài)下獲得更好的燃油經(jīng)濟性。圖19顯示了這種扭矩控制系統(tǒng)的優(yōu)點，即可以讓機械增壓器持續(xù)工作在最低負荷條件下，因此相對于常規(guī)節(jié)氣門控制，其功率損失較小。

圖20顯示了節(jié)氣門和旁通閥與發(fā)動機負荷對應(yīng)的動作。由于2個閥門的結(jié)合，實現(xiàn)了進氣線性控制，其中包括節(jié)氣門和旁通閥的進氣延遲誤差。

上述控制閥動作同樣有利于改善噪聲-振動-平順性性能。在控制閥重疊開啟期間，防止氣流通過截面區(qū)域過大。因此，進氣噪聲得到抑制，無需額外配裝消聲器。

圖19 旁通閥的控制效果

圖20 節(jié)氣門和旁通閥的動作

如圖18所示，在機械增壓器下游增加了1個空冷中冷器。在各種行駛工況下，中冷器出口溫度始終保持在50℃以下。在采用米勒循環(huán)的增壓條件下，這對抑制發(fā)動機爆燃是非常重要的。同時，該中冷器也有利于控制增壓進氣充量和部分增壓工況下的EGR。

6 結(jié)語

為了在最低CO2排放量的前提下確保駕駛樂趣，日產(chǎn)汽車公司對HR12DDR型汽油機進行了全新設(shè)計。在這款1.2 L汽油直接噴射機械增壓發(fā)動機的設(shè)計中，采用了高壓縮比增壓系統(tǒng)，低面容比活塞和高滾流進氣門優(yōu)化了缸內(nèi)直接噴射燃燒。采用帶電磁離合器的機械增壓器，成功抵消了米勒循環(huán)燃燒方式應(yīng)用于小排量發(fā)動機后對燃油經(jīng)濟性產(chǎn)生的不利影響。在新歐洲行駛循環(huán)工況下，新型汽油機的CO2排放達到95 g/km，并滿足歐5排放法規(guī)的要求。同時，相比HR12DE型發(fā)動機，其動力輸出有了進一步的提高。

虞 展 譯自 SAE Paper 2012-01-0415

顧如龍 校

虞 展 編輯

2013-01-08）