日產(chǎn)汽車(chē)公司新型VR30DDTT汽油機(jī)的先進(jìn)技術(shù)

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0 前言

為了使汽車(chē)作為推動(dòng)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的一種交通工具得以延續(xù)，需要努力降低對(duì)環(huán)境產(chǎn)生的負(fù)荷。因此，各汽車(chē)制造商正在加速開(kāi)展可再生能源汽車(chē)技術(shù)的開(kāi)發(fā)，例如電動(dòng)汽車(chē)、燃料電池汽車(chē)等。不過(guò)，要完全達(dá)到電動(dòng)汽車(chē)及燃料電池汽車(chē)的廣泛普及，不僅需要解決技術(shù)上的難題，同時(shí)應(yīng)該解決基礎(chǔ)設(shè)施的整備與完善等課題。當(dāng)前，內(nèi)燃機(jī)仍然是汽車(chē)的主要?jiǎng)恿υ?。另一方面，汽?chē)不僅是一種出行方式，而且也應(yīng)具備卓越的動(dòng)力性能，尤其是能為用戶帶來(lái)駕駛愉悅感。該款發(fā)動(dòng)機(jī)在動(dòng)力性能方面毫不遜色，而且有利于環(huán)保，具有能躋身于全球市場(chǎng)的優(yōu)異性能，有望成為新一代高性能發(fā)動(dòng)機(jī)。

1 開(kāi)發(fā)目標(biāo)

VR30DDTT發(fā)動(dòng)機(jī)是一款V6 3.0 L缸內(nèi)直噴渦輪增壓汽油機(jī)，并定于2007年投放市場(chǎng)。本機(jī)型是作為采用了可變氣門(mén)正時(shí)與升程系統(tǒng)(CVVEL)的V6 3.7 L自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)VQ37VHR的后續(xù)機(jī)型而研制的。VQ系列發(fā)動(dòng)機(jī)自1994年投放市場(chǎng)以來(lái)，憑借其輕快的起動(dòng)與良好的加速響應(yīng)性能獲得一致好評(píng)。2002年，日產(chǎn)將VQ35DE發(fā)動(dòng)機(jī)配裝于Infiniti G35車(chē)上，在該車(chē)型的發(fā)售過(guò)程中，因其卓越的動(dòng)力性能享譽(yù)全球。之后，針對(duì)輕松愉悅的駕駛體驗(yàn)、優(yōu)異的燃油經(jīng)濟(jì)性能、低排放等目標(biāo)，對(duì)其主要參數(shù)進(jìn)行了重新評(píng)價(jià)。對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)整體改良后，該機(jī)型于2006年重新向市場(chǎng)投放，并在2007年升級(jí)為VQ37VHR機(jī)型。但是，考慮到市場(chǎng)需求的變化，以及排放性能、燃油經(jīng)濟(jì)性能的要求，日產(chǎn)公司做出了以下決策：將VQ37VHR發(fā)動(dòng)機(jī)改款為兼顧動(dòng)力性能與環(huán)保性能的3.0 L V6缸內(nèi)直噴渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)。

2 發(fā)動(dòng)機(jī)概況與主要技術(shù)參數(shù)

圖1 VR30DDTT發(fā)動(dòng)機(jī)外觀

表1列出了VR30DDTT發(fā)動(dòng)機(jī)與原有VQ37VHR發(fā)動(dòng)機(jī)的對(duì)比。新型VR30DDTT發(fā)動(dòng)機(jī)的缸徑和行程采用了86 mm×86 mm的矩形結(jié)構(gòu)。不過(guò)，機(jī)體頂板及氣缸等基本構(gòu)成部件沿用了原VQ37VHR發(fā)動(dòng)機(jī)。圖1示出了VR30DDTT發(fā)動(dòng)機(jī)的整體外觀。

表1 日產(chǎn)VR30DDTT及VQ37VHR發(fā)動(dòng)機(jī)主要技術(shù)規(guī)格

為了實(shí)現(xiàn)其動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性的大幅提高，VR30DDTT發(fā)動(dòng)機(jī)相比于原機(jī)型VQ37VHR，將排量設(shè)定為3.0 L，除了使用渦輪增壓器、缸內(nèi)直噴等主要技術(shù)外，還采用了多種最新技術(shù)(表2)[1]。該機(jī)型的最大功率為298 kW，最大扭矩為475 N·m，實(shí)現(xiàn)了在原機(jī)型VQ37VHR基礎(chǔ)上的性能大幅提高(圖2)[1]。這些參數(shù)值即便與其他歐洲汽車(chē)公司的對(duì)標(biāo)機(jī)型相比，也具備絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，VR30DDTT發(fā)動(dòng)機(jī)燃油耗性能也比原機(jī)型VQ37VHR改善了7%左右，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)力性能與燃油經(jīng)濟(jì)性能大幅提升的預(yù)期目標(biāo)。

圖2 VR30DDTT發(fā)動(dòng)機(jī)與VQ37VHR發(fā)動(dòng)機(jī)的 功率與扭矩的比較

項(xiàng)目技術(shù)工藝功率扭矩響應(yīng)性燃油耗排放輕量化主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)缸內(nèi)鏡面噴鍍工藝○○○高導(dǎo)熱性活塞第一道活塞環(huán)○○無(wú)氫類(lèi)金剛石碳(DLC)涂覆活塞環(huán)○活塞頂面內(nèi)側(cè)鋁陽(yáng)極化處理○○活塞冷卻途徑最佳化,以及提高活塞冷卻用噴油嘴流量○○活塞裙部復(fù)合涂層○活塞環(huán)槽的電解析出鋁陽(yáng)極化處理○○高強(qiáng)度材料應(yīng)用(活塞、曲軸)○○缸蓋系統(tǒng)集成排氣歧管的氣缸蓋○○○尾氣冷卻○○缸蓋薄壁化○○氣門(mén)系統(tǒng)電動(dòng)可變氣門(mén)正時(shí)機(jī)構(gòu)○○○排氣門(mén)充鈉的密封閥○○氣門(mén)彈簧最佳化+蜂窩狀彈簧的應(yīng)用○鏈條背面追加圓角尺○渦輪增壓系統(tǒng)小型渦輪及渦輪速度傳感器○○電子控制廢氣閥門(mén)(WG)○○○水冷式中冷器○○潤(rùn)滑系統(tǒng)電子控制可變?nèi)萘繖C(jī)油泵○○輕量化樹(shù)脂材質(zhì)的油盤(pán)○使用機(jī)油○燃油系統(tǒng)DIG(20 MPa)○○○○冷卻系統(tǒng)多方向控制閥(MCV)○○進(jìn)氣系統(tǒng)樹(shù)脂材質(zhì)的進(jìn)氣歧管○

3 采用的先進(jìn)技術(shù)

3.1 缸內(nèi)燃油直噴系統(tǒng)

燃油缸內(nèi)直噴系統(tǒng)采用壁面引導(dǎo)方式。在噴油壓力為3～20 MPa的條件下，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與負(fù)荷，每一個(gè)工作循環(huán)最多進(jìn)行3次噴射(圖3)[1]。日產(chǎn)公司的缸內(nèi)直噴技術(shù)理念為一方面避免燃油附著于活塞及缸套，一方面通過(guò)形成均勻的混合氣以提高熱效率，同時(shí)通過(guò)在暖機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)中延遲點(diǎn)火定時(shí)以實(shí)現(xiàn)降低排放的目標(biāo)[2]。因此，為了更好地利用滾流以獲得充分的缸內(nèi)流動(dòng)并提升各項(xiàng)指標(biāo)，需要對(duì)進(jìn)氣道、燃燒室、噴油器、活塞的設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。

圖3 噴射次數(shù)示意圖

設(shè)計(jì)缸內(nèi)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)的重要因素之一是混合氣形成，因此對(duì)混合氣均勻性與壁面附著問(wèn)題進(jìn)行了研究。

出于對(duì)油霧顆粒化與設(shè)計(jì)自由度的考慮，采用了最大噴油壓力為20 MPa的6孔噴油器，便于燃油噴束與滾流相結(jié)合，以改善均質(zhì)混合氣的均勻度，并提高燃燒速率，可以有效改善熱效率。

VR30DDTT發(fā)動(dòng)機(jī)為促進(jìn)均質(zhì)混合氣形成，在各種負(fù)荷的工況下對(duì)燃油噴射進(jìn)行控制(圖4)[3]。

圖4 發(fā)動(dòng)機(jī)各運(yùn)轉(zhuǎn)工況與燃油噴射定時(shí)

在起動(dòng)后的低、中等負(fù)荷工況下，為了抑制作為碳煙發(fā)生源的燃燒室壁面液膜，同時(shí)避免燃油附著于活塞頂端的燃燒室壁面，在進(jìn)氣行程后半期向?qū)拸V空間內(nèi)噴射燃油。

完成暖機(jī)后，出于改善中、低等負(fù)荷工況熱效率的目的，應(yīng)著力提高燃燒效率，在進(jìn)氣行程前半段噴射燃油，促進(jìn)混合氣的均勻混合。在低速高負(fù)荷的工況下，為改善混合氣均勻性，同時(shí)避免燃油液滴附著于氣缸壁導(dǎo)致機(jī)油稀釋現(xiàn)象增多，因此采用多次噴射。

與氣缸壁發(fā)生碰撞的燃油液滴會(huì)導(dǎo)致機(jī)油飛濺，同時(shí)形成易于引起異常燃燒的熱源。所以，為避免這類(lèi)現(xiàn)象，設(shè)定了噴射定時(shí)。

VR30DDTT發(fā)動(dòng)機(jī)以冷機(jī)起動(dòng)后的催化暖機(jī)為目的，采用了點(diǎn)火定時(shí)延緩燃燒，同時(shí)為抑制燃燒變動(dòng)，采用了分層噴射的混合氣形成方式。

為了優(yōu)化著火性能，有必要在火花塞周邊聚集穩(wěn)定的濃混合氣，因此在活塞頂面設(shè)置了燃燒室凹坑。燃油噴射分為兩次進(jìn)行，第一次噴射，是在進(jìn)氣行程中噴射，第二次噴射則在壓縮行程中噴射，而在設(shè)計(jì)上需要燃燒室凹坑匯集第二次的燃油噴霧，使得火花塞周邊的混合氣便于著火。

3.2 進(jìn)氣電動(dòng)可變氣門(mén)正時(shí)(VVT)系統(tǒng)

VR30DDTT發(fā)動(dòng)機(jī)在進(jìn)氣側(cè)凸輪上采用了VVT機(jī)構(gòu)(圖5)[4]。這種配氣機(jī)構(gòu)由E-電動(dòng)機(jī)(E-Motor)與VVT驅(qū)動(dòng)鏈輪構(gòu)成。如果E-Motor以高于凸輪軸的速度旋轉(zhuǎn)，則凸輪軸的相位等于提前角。假如E-Motor以低于凸輪軸的速度進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，則凸輪軸的相位等于氣門(mén)正時(shí)延遲角。電動(dòng)VVT的轉(zhuǎn)換速度比普通的液壓方式快3倍左右，對(duì)其進(jìn)行調(diào)整使其不喪失加速響應(yīng)，并能夠采用較大的轉(zhuǎn)換角，圖6[1]示出了各運(yùn)轉(zhuǎn)條件下的氣門(mén)正時(shí)。藍(lán)色區(qū)域?yàn)檫M(jìn)氣門(mén)的動(dòng)作角，紅色區(qū)域?yàn)榕艢忾T(mén)的動(dòng)作角。在城市道路上行駛時(shí)，在低轉(zhuǎn)速和低負(fù)荷工況下，運(yùn)用較大的轉(zhuǎn)換角，同時(shí)采用了延遲關(guān)閉進(jìn)氣門(mén)的米勒循環(huán)，能有效降低泵氣損失。在加速時(shí)，提前打開(kāi)進(jìn)氣門(mén)，形成較大的氣門(mén)重疊期，進(jìn)而能產(chǎn)生更大的扭矩。電動(dòng)VVT系統(tǒng)能同時(shí)實(shí)現(xiàn)良好的燃油經(jīng)濟(jì)性與優(yōu)異的加速性能。

圖5 電動(dòng)VVT的結(jié)構(gòu)零件

圖6 氣門(mén)正時(shí)

電動(dòng)VVT系統(tǒng)自起動(dòng)后即可迅速投入運(yùn)作，使進(jìn)氣凸輪變換為最佳的氣門(mén)正時(shí)，確保較大的氣門(mén)重疊期，利用廢氣再循環(huán)(EGR)以降低碳?xì)浠衔?HC)排放。

3.3 渦輪增壓系統(tǒng)

VR30DDTT發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪增壓系統(tǒng)采用了電子控制廢氣閥與渦輪轉(zhuǎn)速傳感器(圖7)。通常，為實(shí)現(xiàn)高功率的目標(biāo)，需要大直徑的渦輪與壓氣機(jī)以達(dá)到較高的增壓壓力。但是，大直徑的渦輪與壓氣機(jī)的慣量較大，容易出現(xiàn)響應(yīng)延遲，產(chǎn)生渦輪滯后問(wèn)題。另一方面，如采用小直徑的渦輪和壓氣機(jī)以實(shí)現(xiàn)高增壓壓力，則會(huì)有超過(guò)轉(zhuǎn)速極限，導(dǎo)致破損的風(fēng)險(xiǎn)。因此，VR30DDTT發(fā)動(dòng)機(jī)通常采用小直徑的渦輪與壓氣機(jī)，一方面確保響應(yīng)性，另一方面利用轉(zhuǎn)速傳感器監(jiān)視裝置的轉(zhuǎn)速。由于利用WG可以有效控制增壓壓力，能使渦輪系統(tǒng)的潛力發(fā)揮到最大限度。

圖7 電子控制WG與帶轉(zhuǎn)速傳感器的渦輪增壓器

由于渦輪增壓器具有較大的熱容量，所以，從排氣中吸收熱量，延緩催化劑升溫，是阻止催化劑活化的重要措施。不過(guò)，WG在催化劑升溫時(shí)，由于加大開(kāi)度使排氣分流，減緩排氣溫度的降低，將導(dǎo)致催化劑活化的負(fù)面影響控制在最小限度。此外，在低負(fù)荷和無(wú)增壓的工況下，由于WG全開(kāi)，能有效降低排氣側(cè)的泵氣損失。而在增壓區(qū)域則使節(jié)流閥全開(kāi)，利用WG的開(kāi)度控制增壓壓力，進(jìn)而能對(duì)扭矩進(jìn)行控制。通過(guò)降低進(jìn)氣側(cè)的泵氣損失，能有效改善燃油經(jīng)濟(jì)性。WG響應(yīng)速度快，能有效改善發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)流閥的響應(yīng)靈敏性。

3.4 氣缸孔的鏡面涂覆

出于對(duì)抗爆燃性能的考慮，采用無(wú)缸套的氣缸表面是一項(xiàng)有效的技術(shù)。日產(chǎn)公司于2007年對(duì)配裝于GT-R車(chē)上的VR38DETT發(fā)動(dòng)機(jī)首次采用了等離子噴鍍技術(shù)。由于將2～6 mm厚的鑄鐵氣缸套置換為厚度0.2 mm的噴鍍覆膜，相比普通的機(jī)體提高了熱傳遞性能。因此，氣缸整體的溫度相比鑄鐵缸套降低了約40 ℃，由于提高了抗爆燃極限，熱效率也隨之提高。

2014年，日產(chǎn)在1.6 L 4缸MR16DDT發(fā)動(dòng)機(jī)上采用了電弧噴鍍的氣缸孔鏡面涂覆技術(shù)(MBC)(圖8)，并在VR30DDTT發(fā)動(dòng)機(jī)上也采用了該技術(shù)。MBC技術(shù)使用電弧噴射工藝替代等離子噴鍍工藝。電弧噴鍍工藝可在氣缸工作表面上形成許多小的氣孔。即使沒(méi)有進(jìn)行珩磨網(wǎng)紋槽加工，這些氣孔也會(huì)儲(chǔ)有潤(rùn)滑油(圖9)[3]。其結(jié)果表明，采用表面粗糙度為Ra 0.05級(jí)的鏡面精加工，除了能提高抗爆燃性能之外，對(duì)于降低氣缸孔與活塞間的摩擦也有著良好效果。

圖8 電弧噴鍍工藝

圖9 電弧(離子)噴鍍與氣缸缸套的性質(zhì)

3.5 集成排氣歧管的氣缸蓋

本機(jī)型的氣缸蓋將排氣歧管與原氣缸蓋集成為一體(圖10)。由此，能在氣缸蓋的排氣出口處布置渦輪增壓器，使得催化器可布置在氣缸蓋附近。其結(jié)果表明，該舉措能大幅提升起動(dòng)后催化器入口的排氣溫度，使催化劑活性時(shí)間減少50%左右。另一方面，在排氣溫度較高的條件下，利用氣缸蓋內(nèi)的散熱能有效降低排氣溫度。

圖10 集成排氣歧管的氣缸蓋

3.6 電子控制可變?nèi)萘繖C(jī)油泵

本機(jī)型采用了可依據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)整出油率的可變?nèi)萘啃蜋C(jī)油泵。該油泵可按油壓進(jìn)行兩級(jí)電子控制，以降低低負(fù)荷工況下的油泵驅(qū)動(dòng)扭矩。圖11示出了各種發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下機(jī)油泵的油壓控制。發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水溫度在-10 ℃以下，或者油溫在120 ℃以上時(shí)，可以維持穩(wěn)定的高油壓。另一方面，在其他工況條件下，可根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與扭矩有效控制油壓，同時(shí)力求降低起動(dòng)扭矩。

圖11 各運(yùn)轉(zhuǎn)條件下機(jī)油泵的油壓切換(控制)

3.7 多方向控制閥

發(fā)動(dòng)機(jī)低溫起動(dòng)后的暖機(jī)，不僅有利于改善燃油經(jīng)濟(jì)性，而且對(duì)改善其排放性能也是卓有成效的。在各大汽車(chē)制造商采用多種機(jī)構(gòu)與技術(shù)的同時(shí)，VR30DDTT發(fā)動(dòng)機(jī)上采用了可切換冷卻水路徑的MCV(圖12)。根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的暖機(jī)狀態(tài)，MCV可以自由切換冷卻水通道。而在發(fā)動(dòng)機(jī)沒(méi)有充分暖機(jī)的狀態(tài)下，則停止向散熱器、加熱器等部件的通水，由于水循環(huán)只在發(fā)動(dòng)機(jī)本體內(nèi)部進(jìn)行，因此可以有效促進(jìn)暖機(jī)。VR30DDTT發(fā)動(dòng)機(jī)相比原VR37VHR發(fā)動(dòng)機(jī)，雖然排量小，排氣熱量少，但通過(guò)MCV與集成排氣歧管氣缸蓋的廢熱回收，能夠?qū)崿F(xiàn)大致相同的升溫速度(圖13)[3]。

圖12 MCV示意圖

圖13 發(fā)動(dòng)機(jī)的升溫

4 結(jié)語(yǔ)

新款VR30DDTT發(fā)動(dòng)機(jī)具備卓越的動(dòng)力性能與優(yōu)異的環(huán)保性能。相比原機(jī)型VQ37VHR，性能在以下幾方面有所提高：(1)最大功率提升了53 kW，最大扭矩提升了112 N·m；(2)燃油經(jīng)濟(jì)性能提升了7%左右；(3)催化劑活化時(shí)間縮短約50%，HC排放量降低約65%。