采用可變壓縮比技術(shù)的新一代汽油機(jī)

【日】 木賀新一 小島周二 松岡一哉

0 前言

未來的汽車市場得以持續(xù)發(fā)展的要點(diǎn)是須不斷致力于降低整車排放。近年來,世界各國快速收緊了排放法規(guī)與燃油耗法規(guī),同時各大汽車制造商在重點(diǎn)推進(jìn)動力總成電動化進(jìn)程。不過,蓄電池電動車(純電動車)及燃料電池汽車等不以內(nèi)燃機(jī)為動力來源的新能源汽車如要在世界范圍內(nèi)得以普及,需解決基礎(chǔ)設(shè)施(如充電樁、加氫站等)方面的難題。同時,配裝有電機(jī)和內(nèi)燃機(jī)的混合動力汽車,預(yù)計(jì)會在短期內(nèi)繼續(xù)作為主流車型存在。因此,提高內(nèi)燃機(jī)的熱效率是當(dāng)前勢在必行的一項(xiàng)重要目標(biāo)。

日產(chǎn)汽車公司作為汽車電動化設(shè)備的主要研發(fā)企業(yè)之一,其得以持續(xù)發(fā)展的重要經(jīng)營策略有2個方面。一方面積極推進(jìn)電動化,另一方面充分運(yùn)用直噴、可變氣門,以及小型化增壓等技術(shù)手段,致力于在確保駕駛愉悅性的同時切實(shí)地改善內(nèi)燃機(jī)的效率,并降低整機(jī)排放。本文介紹的KR20DDET 發(fā)動機(jī)為1款可變壓縮比渦輪增壓發(fā)動機(jī),將其獨(dú)創(chuàng)的可變壓縮比機(jī)構(gòu)(VCR)與小型化增壓技術(shù)結(jié)合起來,同時高水平地實(shí)現(xiàn)動力性能與排放性能,是世界上首款投入量產(chǎn)的可變壓縮比發(fā)動機(jī)[1-2]。

1 可變壓縮比渦輪增壓發(fā)動機(jī)開發(fā)的目標(biāo)

壓縮比越高,發(fā)動機(jī)的理論熱效率會相應(yīng)提高,因此發(fā)動機(jī)的燃油耗得以改善(圖1)。但是,汽油機(jī)一旦提高壓縮比,則會產(chǎn)生爆燃現(xiàn)象及過高的缸內(nèi)壓力。由于全負(fù)荷時出現(xiàn)的爆燃極限及當(dāng)前容許的缸內(nèi)壓力極限,會使壓縮比的提高受到限制。處于部分負(fù)荷工況時,缸內(nèi)的燃燒氣體壓力及溫度較低,缸內(nèi)燃燒氣體壓力存在一定裕量,可相應(yīng)提高壓縮比。因此,如果在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中,壓縮比能實(shí)現(xiàn)可變(本系統(tǒng)壓縮比約為8～14),就能根據(jù)各種運(yùn)轉(zhuǎn)條件設(shè)定最佳的壓縮比,使同時提高熱效率與功率的目標(biāo)成為可能(圖2)。當(dāng)渦輪增壓發(fā)動機(jī)處于無增壓運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)時,能采用與自然吸氣發(fā)動機(jī)相同或超過自然吸氣發(fā)動機(jī)的高壓縮比,同時與可變壓縮比機(jī)構(gòu)組合應(yīng)用,可具備更佳效果,這也是該款可變壓縮比渦輪增壓發(fā)動機(jī)開發(fā)的動機(jī)。

圖1 壓縮比與指示功率的關(guān)系

表1列出了可變壓縮比渦輪增壓發(fā)動機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)。為進(jìn)一步提高熱效率,除了改良該機(jī)型VCR機(jī)構(gòu)之外,還采用了電動氣門正時控制(VTC),并配裝有電子控制放氣閥的寬調(diào)節(jié)范圍增壓器,雙噴射(缸內(nèi)直噴+進(jìn)氣道噴射)系統(tǒng),以及可變?nèi)萘繖C(jī)油泵等技術(shù)(圖3)。

圖2 采用可變壓縮比的優(yōu)點(diǎn)

表1 可變壓縮比渦輪增壓發(fā)動機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

2 日產(chǎn)公司可變壓縮比(VCR)機(jī)構(gòu)

2.1 多連桿式曲軸旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)

本機(jī)型將傳統(tǒng)的活塞曲柄機(jī)構(gòu)替換為日產(chǎn)公司研發(fā)的多連桿式曲軸旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。與傳統(tǒng)機(jī)構(gòu)一樣,多連桿式曲軸旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)配置了活塞與曲軸,但由多連桿機(jī)構(gòu)取代了傳統(tǒng)的連桿機(jī)構(gòu)。如圖4 所示,利用U連桿、L連桿實(shí)現(xiàn)直列連接。另外,L 連桿的一端連接C連桿與控制軸?？刂戚S被設(shè)定為偏心軸,電動控制器通過A 連桿控制其旋轉(zhuǎn)姿態(tài)。在采用直列多缸發(fā)動機(jī)的情況下,各個氣缸分別設(shè)定了活塞、U 連桿、L連桿、C連桿,而曲軸及控制軸則為各氣缸共用(圖4和圖5)。

2.2 可變壓縮比工作原理

圖3 可變壓縮比渦輪增壓發(fā)動機(jī)采用的主要技術(shù)

圖4 多連桿式曲軸旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的構(gòu)成

假設(shè)控制軸的旋轉(zhuǎn)姿態(tài)相對于發(fā)動機(jī)缸體按順時針方向進(jìn)行調(diào)整。偏心軸,即C連桿的擺動中心(或擺動點(diǎn))向下方移動(C 連桿的擺動中心是可變的),而L連桿以曲軸銷為中心按順時針方向旋轉(zhuǎn),U 連桿與L連桿上止點(diǎn)的夾角變大,U 連桿與活塞向上方移動,為此能有效提高壓縮比。與此相反,假如使控制軸的旋轉(zhuǎn)姿態(tài)按逆時針方向進(jìn)行調(diào)整,則能降低壓縮比。在采用直列多氣缸發(fā)動機(jī)的情況下,由于各氣缸共用控制軸,所以通過相對于氣缸體調(diào)整1根控制軸的旋轉(zhuǎn)姿態(tài),即可同時切換全部氣缸的壓縮比(圖5)。

2.3 壓縮比控制執(zhí)行器

圖5 可變壓縮比的原理

如圖6與表2所示,根據(jù)發(fā)動機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)條件,通過被安裝在曲軸箱外部的壓縮比控制執(zhí)行器來保持或調(diào)整控制軸的旋轉(zhuǎn)姿態(tài)。壓縮比控制執(zhí)行器在電機(jī)基礎(chǔ)上組合了減速器,在油盤的側(cè)壁設(shè)有開口部,在該開口部通過杠桿與控制連桿進(jìn)行連接。壓縮比控制用執(zhí)行器則通過A 連桿與控制軸相連接,使通過發(fā)動機(jī)控制單元(ECU)控制的電機(jī)實(shí)現(xiàn)減速,并對控制軸進(jìn)行調(diào)整。減速器采用了諧波傳動公司設(shè)計(jì)的波動齒輪傳動裝置(SWG)減速器,以此能在緊湊的空間內(nèi)布置高減速比齒輪裝置,并且僅有極小的輪齒嚙合間隙。

圖6 可變壓縮比電機(jī)執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)

表2 VCR 執(zhí)行器技術(shù)參數(shù)

2.4 獨(dú)特的活塞行程

該多連桿式曲軸旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)具有傳統(tǒng)的曲柄-連桿旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)所不具備的特征。通常,傳統(tǒng)型機(jī)構(gòu)的活塞運(yùn)動在上止點(diǎn)附近會呈現(xiàn)陡峭狀的變化趨勢,而在下止點(diǎn)附近,活塞運(yùn)動變化緩慢,由于在上止點(diǎn)與下止點(diǎn)的活塞加速度存在差異,由此會導(dǎo)致二次振動。該款多連桿式曲軸旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的連桿布置需使活塞的上、下運(yùn)動(指行程特性)大致接近于簡諧振動,因此會大幅降低各氣缸中的2次激振力(活塞的側(cè)壓力也有所降低)。據(jù)此情況,其加速度的絕對值差相比傳統(tǒng)型機(jī)構(gòu)得以大幅減小(僅為該公司具有同等活塞行程的傳統(tǒng)機(jī)構(gòu)加速度絕對值的1/10),為此可取消傳統(tǒng)直列4缸發(fā)動機(jī)所使用的2次平衡器機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)是改善車內(nèi)噪聲的有效對策(圖7)。

圖7 可變壓縮比渦輪增壓發(fā)動機(jī)與傳統(tǒng)型發(fā)動機(jī)的活塞運(yùn)動特性比較

2.5 摩擦特性

該多連桿式曲軸旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)還有另一項(xiàng)重要特征。傳統(tǒng)型機(jī)構(gòu)中由于連桿傾斜布置從而會出現(xiàn)朝向活塞的側(cè)向推力負(fù)荷,多連桿式曲軸機(jī)構(gòu)上的U 連桿在活塞下行時以近乎垂直的姿態(tài)一同下行,其側(cè)向推力負(fù)荷得以大幅減輕,因此大幅降低了活塞側(cè)壁與氣缸孔內(nèi)圓面間發(fā)生的摩擦。由于軸承滑動部位增加而使摩擦相應(yīng)增大,其與這種側(cè)面推力負(fù)荷降低的效果相抵消,隨著平衡器機(jī)構(gòu)的取消,成功實(shí)現(xiàn)了與傳統(tǒng)機(jī)構(gòu)相同或更低的摩擦特性(圖8)。

3 提高可變壓縮比渦輪增壓發(fā)動機(jī)性能的技術(shù)

3.1 改善燃油耗

圖8 可變壓縮比渦輪增壓機(jī)型與原機(jī)型的活塞側(cè)向推力負(fù)荷比較

傳統(tǒng)型的定壓縮比發(fā)動機(jī),為追求最大熱效率而逐漸提高壓縮比。然而在高壓縮比、高負(fù)荷的工況下,由于受到爆燃的限制,良好的燃油耗范圍將被限制在低負(fù)荷工況區(qū)。因此,傳統(tǒng)的定壓縮比發(fā)動機(jī)在設(shè)計(jì)時需采用這種平衡關(guān)系的折中,而可變壓縮比發(fā)動機(jī)能打破這種平衡關(guān)系。一方面在非增壓區(qū)域采用高壓縮比,將最大熱效率提高到相當(dāng)于高壓縮比自然吸氣發(fā)動機(jī)的水平；另一方面在高負(fù)荷增壓區(qū)域逐漸降低壓縮比,以謀求最高熱效率,而且能獲得寬廣的低燃油耗區(qū)域(圖9)。

3.1.1 壓縮比的設(shè)定

如圖10所示,在分析實(shí)體發(fā)動機(jī)驗(yàn)證的基礎(chǔ)上,將壓縮比圖譜曲線的著眼點(diǎn)主要放在以下區(qū)域并據(jù)此進(jìn)行壓縮比設(shè)定：

(1)處于低速、低負(fù)荷的工況下,在普通的行駛過程中處于使用頻度較高的區(qū)域時,可采用高壓縮比,以便獲得最佳熱效率；

(2)由非增壓狀態(tài)調(diào)整至增壓狀態(tài)的過渡區(qū)域時,選定能夠最大限度地確保非增壓工況下扭矩的壓縮比；

(3)在高負(fù)荷工況區(qū),則可采用低壓縮比,以便在增壓條件下獲得最佳熱效率；

圖9 利用VCR 提高有效燃油消耗率

圖10 壓縮比設(shè)定圖譜曲線與使用區(qū)域

(4)在高速和中低負(fù)荷的工況區(qū)域,如需在該區(qū)域進(jìn)行穩(wěn)定運(yùn)行,需采用具有優(yōu)異扭矩響應(yīng)性的中、低壓縮比。

3.1.2 VTC機(jī)構(gòu)的應(yīng)用

本機(jī)型的低負(fù)荷區(qū),由于使用了可變壓縮比機(jī)構(gòu),最大限度地運(yùn)用高達(dá)14的機(jī)械壓縮比。設(shè)定瞄準(zhǔn)阿特金森循環(huán)目標(biāo)的下止點(diǎn)后110°CA 的進(jìn)氣門關(guān)閉時刻(IVC)以推遲配氣正時,這是混合動力車用發(fā)動機(jī)的常用策略,可以通過降低泵氣損失及采用高膨脹比以改善熱效率。相比原機(jī)型,其配氣正時的變換范圍相應(yīng)變大。此外,車輛為加速需具備足夠的扭矩。因此,IVC的響應(yīng)速度成為重要的影響因素。通過采用相比傳統(tǒng)的油壓式VTC響應(yīng)速度更快的e-iVTC,能兼顧最佳的燃油耗與較好的扭矩響應(yīng)性(圖11和圖12)。

圖11 組合應(yīng)用VCR 與電動VTC的效果

圖12 加速時電動VTC的高響應(yīng)性

3.2 兼顧高功率與高響應(yīng)性的寬調(diào)節(jié)范圍渦輪增壓器

在渦輪增壓器的設(shè)計(jì)過程中,需要考慮兼顧升功率100 k W 的高負(fù)荷區(qū)及低速區(qū)的扭矩響應(yīng)性。在高速區(qū),由于采用了低壓縮比,能放寬點(diǎn)火正時及排氣溫度的限制,并且可充分提高填充效率。可變壓縮比渦輪增壓器機(jī)型設(shè)定采用260 k Pa的高增壓壓力,具有200 k W 的高功率。

但在通常情況下,如果設(shè)定了高流量特性,渦輪機(jī)尺寸得以大型化,進(jìn)而會出現(xiàn)響應(yīng)性惡化的情形。因此,由于渦輪采用斜流型,使低流量區(qū)的速度比(U/C0)特性得以最佳化,并且逐步提高了低速區(qū)的渦輪效率。同時,渦輪實(shí)現(xiàn)了低慣性化,并使低速區(qū)的增壓響應(yīng)性得到了提高(U 為渦輪入口處圓周速度；C0為渦輪轉(zhuǎn)子入口處絕熱理論流速)。

關(guān)于壓氣機(jī)葉輪,為了兼顧最大功率與低流量區(qū)的扭矩響應(yīng)性,從而促成了在寬調(diào)節(jié)范圍的新設(shè)計(jì)方案。新方案一方面考慮到發(fā)動機(jī)的最大功率點(diǎn),可使壓氣機(jī)絕熱效率達(dá)到65%；另一方面調(diào)整壓氣機(jī)的平衡調(diào)整尺寸(葉輪入口直徑與出口直徑的比),將增壓器喘振線向低流量側(cè)進(jìn)行擴(kuò)展。同時,按空氣動力學(xué)原理對渦輪殼體形狀進(jìn)行了優(yōu)化。結(jié)果表明,與2.0 L的渦輪增壓發(fā)動機(jī)的壓氣機(jī)效率圖譜曲線相比,從壓氣機(jī)壓力比πC=2.0的增壓器喘振線到65%的絕熱效率的修正質(zhì)量流量曲線內(nèi),效率改善了約20%,實(shí)現(xiàn)了寬調(diào)節(jié)范圍的壓氣機(jī)特性優(yōu)化(圖13)。

圖13 可變壓縮比渦輪增壓發(fā)動機(jī)與原機(jī)型的壓氣機(jī)效率比較

通過對渦輪機(jī)及壓氣機(jī)特性的最佳化設(shè)計(jì),相比增壓控制起始轉(zhuǎn)速已達(dá)到基準(zhǔn)測試水平(圖14),兼顧了最大輸出功率與起步響應(yīng)性。

圖14 基于輸出功率的增壓控制及起始轉(zhuǎn)速分布

4 可變壓縮比渦輪增壓發(fā)動機(jī)對整車性能的改善

新型可變壓縮比渦輪增壓發(fā)動機(jī)通過VCR 機(jī)構(gòu)與上文所述的相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)了如圖15所示的功率特性。此外,配裝有該款發(fā)動機(jī)的新型Infiniti QX50車型的燃油耗性能及動力性能都已達(dá)到了領(lǐng)先水平(圖16)。

圖15 可變壓縮比渦輪增壓發(fā)動機(jī)性能曲線

圖16 車輛燃油耗性能與動力性能

5 結(jié)語

綜上所述,新型可變壓縮比渦輪增壓發(fā)動機(jī)是世界首款量產(chǎn)型可變壓縮比發(fā)動機(jī)。由于組合了可變壓縮比機(jī)構(gòu)及多種新型技術(shù),一方面可使小型化渦輪增壓發(fā)動機(jī)動力性能提高到比傳統(tǒng)型發(fā)動機(jī)更優(yōu)越的水平,另一方面顯著改善了燃油耗性能。隨著機(jī)型及其相關(guān)技術(shù)得以廣泛應(yīng)用,需要進(jìn)一步構(gòu)建提高熱效率的發(fā)動機(jī)技術(shù)平臺,同時繼續(xù)發(fā)展該車型所應(yīng)具備的駕駛愉悅性。