東風(fēng)日產(chǎn)天籟可變壓縮比發(fā)動機技術(shù)解讀

文：謝婉茹

中型轎車市場的競爭從來不會手軟，各廠家也將更多的精力放在了該級別的車型上，其中，東風(fēng)日產(chǎn)的代表車型就是天籟了。新天籟搭載的2.0 L VC-TURBO可變壓縮比渦輪增壓發(fā)動機（日產(chǎn)內(nèi)部代號KR20DDET）無疑是一大亮點，其最大功率為185 kW，最大扭矩為380 N.m，工信部油耗為6.6 L/100 km。此外，該發(fā)動機的熱效率已經(jīng)到達39%，與競品混動車型相比也是不分上下。本文將為讀者朋友們詳細解讀東風(fēng)日產(chǎn)KR20DDET發(fā)動機的技術(shù)細節(jié)。

1.發(fā)動機基本概括

東風(fēng)日產(chǎn)新天籟車型共搭載了2款發(fā)動機，分別為2.0 L自然吸氣發(fā)動機和2.0T可變壓縮比（VCR）渦輪增壓發(fā)動機。2.0T可變壓縮比（VCR）渦輪增壓發(fā)動機型號為KR20DDET，是全球第一款量產(chǎn)可變壓縮比（VCR）發(fā)動機，壓縮比可在8.0∶1～14.0∶1之間進行變化（圖1）。該款發(fā)動機采用了最新的減振技術(shù)，無需平衡軸的介入便可實現(xiàn)良好的平衡性，同時使用了電動主動扭矩桿（ATR），來幫助減少發(fā)動機的其余振動。

該款發(fā)動機采用直列式排布方式，在5 600 r/min時最大輸出功率為185 kW，在4 000 r/min時可輸出380 N.m的最大扭矩。采用了電子進氣門和液壓排氣門的正時控制單元，并通過電子廢氣旁通閥來減少泵送時的損失。同時，MCV多路控制閥可在冷起動和運行冷卻期間提供更高效的部件加熱。該款發(fā)動機所需機油量為4.7 L，所需發(fā)動機冷卻液為8.3 L。

圖1 KR20DDET發(fā)動機

2.進氣系統(tǒng)

新鮮空氣經(jīng)過空氣濾清器后進入到增壓器中，由增壓器負責(zé)將空氣進行壓縮，熱壓縮后空氣經(jīng)過增強軟管總成（圖2），流過發(fā)動機頂部的復(fù)合噪聲抑制器（圖3）。該噪聲抑制器利用擋板將進氣噪聲和共振進行衰減，從而保證駕乘者的乘坐舒適性。經(jīng)過降噪的壓縮空氣向下流入下散熱器支架右側(cè)附近的增壓空氣冷卻器（中冷器）進口。該中冷器是一種熱交換器，利用面積大、散熱好的原理，在壓縮空氣進入燃燒室之前，釋放其中的熱量。

3.渦輪增壓系統(tǒng)

新天籟的渦輪增壓器由整體式缸蓋（排氣歧管）、三元催化器、渦輪側(cè)、增壓壓力側(cè)、電控增壓壓力旁通閥及殼體等部件組成（圖4）。排氣歧管被集成在了缸蓋中（圖5），是因為排氣歧管的溫度高，在冷起動或冷車運行時，可以通過歧管的溫度對冷卻液進行加熱，這就相當(dāng)于為汽車冷卻系統(tǒng)增加了一個熱源，可大大縮短熱車時間，讓水溫迅速達到工作溫度。所以當(dāng)VCR系統(tǒng)處于較低的壓縮位置時，渦輪增壓器也可以正常運行。

圖2 增強軟管總成

圖3 復(fù)合噪聲抑制器

圖4 渦輪增壓器

圖5 排氣歧管集成在缸蓋中

渦輪增壓器的殼體包括用于軸承潤滑的機油油道和用于冷卻的冷卻液通道。渦輪增壓系統(tǒng)同樣配備有廢氣旁通閥（圖6），可以快速關(guān)閉以產(chǎn)生增壓壓力；也可以調(diào)節(jié)打開，以防止過度增壓的出現(xiàn)，從而提高燃油經(jīng)濟性、快速預(yù)熱催化劑或者在發(fā)動機控制單元（ECM）確定不需要增壓壓力的其他條件下打開。

圖6 廢氣旁通閥

如果節(jié)氣門執(zhí)行器出現(xiàn)快速關(guān)閉，那么電控增壓壓力旁通閥就會打開，從而避免在節(jié)氣門體上游形成壓力。當(dāng)電控增壓壓力旁通閥打開時，空氣被重新引導(dǎo)到增壓壓力葉輪的進氣側(cè)，以降低增壓壓力出口與節(jié)氣門體之間的氣壓。渦輪增壓轉(zhuǎn)速傳感器是利用磁場感應(yīng)工作的，其作用是識別渦輪增壓器的轉(zhuǎn)速信號。如果渦輪增壓器總成出現(xiàn)故障，需要進行總成的更換，不得單獨更換渦輪增壓器轉(zhuǎn)速傳感器或電子增壓壓力旁通閥。

ECM會根據(jù)實際駕駛情況，通過步進電機（圖7）控制廢氣旁通閥的開度。連接到電動廢氣旁通閥控制執(zhí)行器的連桿來控制渦輪增壓器的增壓。ECM根據(jù)發(fā)動機轉(zhuǎn)速、加速踏板位置和節(jié)氣門位置確定目標增壓壓力，然后根據(jù)進氣量和進氣壓力計算渦輪進口附近的進氣壓力?；谶@些信息，ECM確定廢氣旁通閥角度來滿足目標增壓壓力。電控廢氣旁通閥控制執(zhí)行器可以調(diào)整廢氣旁通閥角度，提高對驅(qū)動條件的響應(yīng)和實現(xiàn)高精度的增壓控制。

圖7 步進電機

當(dāng)發(fā)動機處于冷態(tài)時，廢氣旁通閥開啟，渦輪增壓器引起的熱損失最小化，加速催化劑的預(yù)熱。點火鑰匙處于ON位置時，ECM執(zhí)行廢氣旁通閥執(zhí)行器位置校準（根據(jù)使用車輛的環(huán)境，增壓壓力會有所不同）。

4.可變壓縮比（VCR）

所謂的壓縮比是指下止點（BDC）和上止點（TDC）的燃燒室容積之間的關(guān)系。在常見的自然吸氣發(fā)動機中，更高的壓縮比可提高燃燒效率，特別是直噴式發(fā)動機，它可從給定量的油氣混合物中獲得更多的能量。汽油機的壓縮比不能超過一定水平，否則可能會出現(xiàn)爆震。

增壓發(fā)動機常用較低的壓縮比，這是因為增壓器在進氣行程中，會將額外的空氣壓入燃燒室中。如渦輪增壓與高壓縮比結(jié)合使用，則可能直接損壞發(fā)動機。因此渦輪增壓發(fā)動機會使用較低壓縮比和渦輪增壓器的組合，獲得額外的燃燒功率，同時保持發(fā)動機的使用壽命。

傳統(tǒng)發(fā)動機中，活塞在缸徑中上下移動的行程是保持不變的。而新天籟使用的KR20DDET發(fā)動機是第一款采用可變壓縮燃燒技術(shù)的量產(chǎn)發(fā)動機（圖8）。所謂可變壓縮比（VCR），就是在往復(fù)式發(fā)動機上增加多連桿系統(tǒng)，通過主動改變氣缸內(nèi)活塞行程的上限和下限，使壓縮比在8.0∶1～14.0∶1之間進行變化（圖9）。

圖8 可變壓縮比結(jié)構(gòu)

圖9 可變壓縮比發(fā)動機的工作原理

圖10 不同壓縮比時活塞高度的差別

壓縮比的變化是通過VCR電機實現(xiàn)的，具體運動過程如下。

(1)當(dāng)需要改變壓縮比時，電機會轉(zhuǎn)動并移動執(zhí)行器連桿。

(2)執(zhí)行器連桿旋轉(zhuǎn)控制軸。

(3)當(dāng)控制軸旋轉(zhuǎn)時，會通過控制連桿改變下連桿的角度。

(4)下連桿調(diào)節(jié)活塞在氣缸內(nèi)的高度，從而改變壓縮比。

使用14.0∶1的壓縮比時，控制軸臂是完全伸展的，將下連桿向上推入氣缸中。而使用8.0∶1的壓縮比時，控制軸臂是收縮的，所以下連桿不會進入氣缸中（圖10）。

使用VCR可以同時實現(xiàn)強勁動力和良好的燃油經(jīng)濟性。當(dāng)需要更高發(fā)動機輸出時，VCR可降低壓縮比，使渦輪增壓器提供更高的增壓壓力而不爆震。當(dāng)要求燃油經(jīng)濟性、降低排放或巡航速度不需要最大功率時，VCR可提高壓縮比。除了功率可以按照需求改變外，VCR發(fā)動機的幾何設(shè)計也有助于減少活塞在缸徑中的側(cè)向推力（推力角），降低摩擦、氣缸磨損、噪聲、振動和不平順性（圖11）。

圖11 可變壓縮比活塞與普通活塞對比圖

VCR執(zhí)行器在連桿臂的末端有保持器和連桿銷，連桿臂與發(fā)動機底部的控制軸配合，當(dāng)VCR執(zhí)行器伸出或縮回連桿時，連桿銷沿著保持器連桿滑動，以樞轉(zhuǎn)控制軸，改變支點角度。VCR執(zhí)行器是由VCR控制單元控制的12 V三相電機，VCR執(zhí)行器總成位于發(fā)動機底部，安裝在機油濾清器殼體上。VCR執(zhí)行器是車輛可變壓縮比系統(tǒng)的唯一可維修機械部件（圖12）。

圖12 VCR執(zhí)行器組成部件

VCR執(zhí)行器總成包括VCR電機傳感器和VCR執(zhí)行器傳感器2個傳感器，分別用于監(jiān)控VCR電機和VCR執(zhí)行器連桿的位置。VCR 執(zhí)行器傳感器可以使用CONSULT和數(shù)據(jù)監(jiān)視器進行監(jiān)控，也可以在VCR系統(tǒng)的主動測試期間進行監(jiān)控。

VCR系統(tǒng)在車輛的儀表板上也增加了新的屏幕顯示，駕駛員可以觀察增壓壓力表以及從經(jīng)濟（高壓縮）到動力（低壓縮）的近似壓縮比值變化（圖13）。

圖13 新增的屏幕顯示功能

5.主動扭矩桿（ATR）系統(tǒng)

KR20DDET發(fā)動機配備有主動扭矩桿（ATR）系統(tǒng)（圖14）。ATR是一種主動式發(fā)動機支架，在支架內(nèi)包括一個往復(fù)式執(zhí)行器電機，通過抵消作用來隔離和抑制發(fā)動機振動。ATR總成中還包括一個加速度傳感器，可檢測減振的有效性，并在必要時提供反饋以修正電機動作。

圖14 ATR系統(tǒng)

ATR由主動扭矩桿控制單元，根據(jù)發(fā)動機轉(zhuǎn)速和來自ECM的負載信息進行控制。ATR能將發(fā)動機噪聲降低約6 dB。如果當(dāng)發(fā)動機轉(zhuǎn)速從3 000 r/min降到2 500 r/min時（松開加速踏板），ATR處于關(guān)閉的狀態(tài)；而當(dāng)發(fā)動機轉(zhuǎn)速從2 500 r/min增加到3 000 r/min時，ATR處于接通的工作狀態(tài)。

6.燃油系統(tǒng)

新天籟的燃油系統(tǒng)有多個零部件組成，具體如圖15所示。低壓燃油泵位于燃油箱中，主要工作就是將低壓燃油輸送到低壓和高壓燃油系統(tǒng)中，其由燃油泵控制單元（FPCM）進行控制。低壓燃油被輸送到發(fā)動機頂部的高壓燃油泵進口附近的一個接頭，該接頭可將低壓燃油輸送至高壓燃油泵和低壓多點噴射噴油器油軌的進口。

該款發(fā)動機同時使用了低壓多點噴射噴油器和高壓直接噴射噴油器（圖16）。其中高壓直接噴射噴油器可在所有操作條件下運行，因為直接噴射允許在高壓縮操作下進行適當(dāng)?shù)娜加挽F化，并通過快速加熱催化轉(zhuǎn)換器來減少排放。而低壓多點噴射噴油器只能在增壓條件下運行，因為多點噴射可以優(yōu)化負載情況下的燃油噴射。

圖15 燃油系統(tǒng)流動圖

圖16 燃油噴射系統(tǒng)