日产汽车公司新型VR30DDTT汽油机的先进技术

2018-10-26

汽车与新动力 2018年5期

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0 前言

为了使汽车作为推动社会可持续发展的一种交通工具得以延续，需要努力降低对环境产生的负荷。因此，各汽车制造商正在加速开展可再生能源汽车技术的开发，例如电动汽车、燃料电池汽车等。不过，要完全达到电动汽车及燃料电池汽车的广泛普及，不仅需要解决技术上的难题，同时应该解决基础设施的整备与完善等课题。当前，内燃机仍然是汽车的主要动力源。另一方面，汽车不仅是一种出行方式，而且也应具备卓越的动力性能，尤其是能为用户带来驾驶愉悦感。该款发动机在动力性能方面毫不逊色，而且有利于环保，具有能跻身于全球市场的优异性能，有望成为新一代高性能发动机。

1 开发目标

VR30DDTT发动机是一款V6 3.0 L缸内直喷涡轮增压汽油机，并定于2007年投放市场。本机型是作为采用了可变气门正时与升程系统(CVVEL)的V6 3.7 L自然吸气发动机VQ37VHR的后续机型而研制的。VQ系列发动机自1994年投放市场以来，凭借其轻快的起动与良好的加速响应性能获得一致好评。2002年，日产将VQ35DE发动机配装于Infiniti G35车上，在该车型的发售过程中，因其卓越的动力性能享誉全球。之后，针对轻松愉悦的驾驶体验、优异的燃油经济性能、低排放等目标，对其主要参数进行了重新评价。对发动机整体改良后，该机型于2006年重新向市场投放，并在2007年升级为VQ37VHR机型。但是，考虑到市场需求的变化，以及排放性能、燃油经济性能的要求，日产公司做出了以下决策：将VQ37VHR发动机改款为兼顾动力性能与环保性能的3.0 L V6缸内直喷涡轮增压发动机。

2 发动机概况与主要技术参数

图1 VR30DDTT发动机外观

表1列出了VR30DDTT发动机与原有VQ37VHR发动机的对比。新型VR30DDTT发动机的缸径和行程采用了86 mm×86 mm的矩形结构。不过，机体顶板及气缸等基本构成部件沿用了原VQ37VHR发动机。图1示出了VR30DDTT发动机的整体外观。

表1 日产VR30DDTT及VQ37VHR发动机主要技术规格

为了实现其动力性、燃油经济性的大幅提高，VR30DDTT发动机相比于原机型VQ37VHR，将排量设定为3.0 L，除了使用涡轮增压器、缸内直喷等主要技术外，还采用了多种最新技术(表2)[1]。该机型的最大功率为298 kW，最大扭矩为475 N·m，实现了在原机型VQ37VHR基础上的性能大幅提高(图2)[1]。这些参数值即便与其他欧洲汽车公司的对标机型相比，也具备绝对优势。同时，VR30DDTT发动机燃油耗性能也比原机型VQ37VHR改善了7%左右，实现了动力性能与燃油经济性能大幅提升的预期目标。

图2 VR30DDTT发动机与VQ37VHR发动机的功率与扭矩的比较

项目技术工艺功率扭矩响应性燃油耗排放轻量化主运动系统缸内镜面喷镀工艺○○○高导热性活塞第一道活塞环○○无氢类金刚石碳(DLC)涂覆活塞环○活塞顶面内侧铝阳极化处理○○活塞冷却途径最佳化,以及提高活塞冷却用喷油嘴流量○○活塞裙部复合涂层○活塞环槽的电解析出铝阳极化处理○○高强度材料应用(活塞、曲轴)○○缸盖系统集成排气歧管的气缸盖○○○尾气冷却○○缸盖薄壁化○○气门系统电动可变气门正时机构○○○排气门充钠的密封阀○○气门弹簧最佳化+蜂窝状弹簧的应用○链条背面追加圆角尺○涡轮增压系统小型涡轮及涡轮速度传感器○○电子控制废气阀门(WG)○○○水冷式中冷器○○润滑系统电子控制可变容量机油泵○○轻量化树脂材质的油盘○使用机油○燃油系统DIG(20 MPa)○○○○冷却系统多方向控制阀(MCV)○○进气系统树脂材质的进气歧管○

3 采用的先进技术

3.1 缸内燃油直喷系统

燃油缸内直喷系统采用壁面引导方式。在喷油压力为3～20 MPa的条件下，根据发动机的转速与负荷，每一个工作循环最多进行3次喷射(图3)[1]。日产公司的缸内直喷技术理念为一方面避免燃油附着于活塞及缸套，一方面通过形成均匀的混合气以提高热效率，同时通过在暖机运转中延迟点火定时以实现降低排放的目标[2]。因此，为了更好地利用滚流以获得充分的缸内流动并提升各项指标，需要对进气道、燃烧室、喷油器、活塞的设计进行优化。

图3 喷射次数示意图

设计缸内直喷发动机的重要因素之一是混合气形成，因此对混合气均匀性与壁面附着问题进行了研究。

出于对油雾颗粒化与设计自由度的考虑，采用了最大喷油压力为20 MPa的6孔喷油器，便于燃油喷束与滚流相结合，以改善均质混合气的均匀度，并提高燃烧速率，可以有效改善热效率。

VR30DDTT发动机为促进均质混合气形成，在各种负荷的工况下对燃油喷射进行控制(图4)[3]。

图4 发动机各运转工况与燃油喷射定时

在起动后的低、中等负荷工况下，为了抑制作为碳烟发生源的燃烧室壁面液膜，同时避免燃油附着于活塞顶端的燃烧室壁面，在进气行程后半期向宽广空间内喷射燃油。

完成暖机后，出于改善中、低等负荷工况热效率的目的，应着力提高燃烧效率，在进气行程前半段喷射燃油，促进混合气的均匀混合。在低速高负荷的工况下，为改善混合气均匀性，同时避免燃油液滴附着于气缸壁导致机油稀释现象增多，因此采用多次喷射。

与气缸壁发生碰撞的燃油液滴会导致机油飞溅，同时形成易于引起异常燃烧的热源。所以，为避免这类现象，设定了喷射定时。

VR30DDTT发动机以冷机起动后的催化暖机为目的，采用了点火定时延缓燃烧，同时为抑制燃烧变动，采用了分层喷射的混合气形成方式。

为了优化着火性能，有必要在火花塞周边聚集稳定的浓混合气，因此在活塞顶面设置了燃烧室凹坑。燃油喷射分为两次进行，第一次喷射，是在进气行程中喷射，第二次喷射则在压缩行程中喷射，而在设计上需要燃烧室凹坑汇集第二次的燃油喷雾，使得火花塞周边的混合气便于着火。

3.2 进气电动可变气门正时(VVT)系统

VR30DDTT发动机在进气侧凸轮上采用了VVT机构(图5)[4]。这种配气机构由E-电动机(E-Motor)与VVT驱动链轮构成。如果E-Motor以高于凸轮轴的速度旋转，则凸轮轴的相位等于提前角。假如E-Motor以低于凸轮轴的速度进行旋转，则凸轮轴的相位等于气门正时延迟角。电动VVT的转换速度比普通的液压方式快3倍左右，对其进行调整使其不丧失加速响应，并能够采用较大的转换角，图6[1]示出了各运转条件下的气门正时。蓝色区域为进气门的动作角，红色区域为排气门的动作角。在城市道路上行驶时，在低转速和低负荷工况下，运用较大的转换角，同时采用了延迟关闭进气门的米勒循环，能有效降低泵气损失。在加速时，提前打开进气门，形成较大的气门重叠期，进而能产生更大的扭矩。电动VVT系统能同时实现良好的燃油经济性与优异的加速性能。

图5 电动VVT的结构零件

图6 气门正时

电动VVT系统自起动后即可迅速投入运作，使进气凸轮变换为最佳的气门正时，确保较大的气门重叠期，利用废气再循环(EGR)以降低碳氢化合物(HC)排放。

3.3 涡轮增压系统

VR30DDTT发动机的涡轮增压系统采用了电子控制废气阀与涡轮转速传感器(图7)。通常，为实现高功率的目标，需要大直径的涡轮与压气机以达到较高的增压压力。但是，大直径的涡轮与压气机的惯量较大，容易出现响应延迟，产生涡轮滞后问题。另一方面，如采用小直径的涡轮和压气机以实现高增压压力，则会有超过转速极限，导致破损的风险。因此，VR30DDTT发动机通常采用小直径的涡轮与压气机，一方面确保响应性，另一方面利用转速传感器监视装置的转速。由于利用WG可以有效控制增压压力，能使涡轮系统的潜力发挥到最大限度。

图7 电子控制WG与带转速传感器的涡轮增压器

由于涡轮增压器具有较大的热容量，所以，从排气中吸收热量，延缓催化剂升温，是阻止催化剂活化的重要措施。不过，WG在催化剂升温时，由于加大开度使排气分流，减缓排气温度的降低，将导致催化剂活化的负面影响控制在最小限度。此外，在低负荷和无增压的工况下，由于WG全开，能有效降低排气侧的泵气损失。而在增压区域则使节流阀全开，利用WG的开度控制增压压力，进而能对扭矩进行控制。通过降低进气侧的泵气损失，能有效改善燃油经济性。WG响应速度快，能有效改善发动机节流阀的响应灵敏性。

3.4 气缸孔的镜面涂覆

出于对抗爆燃性能的考虑，采用无缸套的气缸表面是一项有效的技术。日产公司于2007年对配装于GT-R车上的VR38DETT发动机首次采用了等离子喷镀技术。由于将2～6 mm厚的铸铁气缸套置换为厚度0.2 mm的喷镀覆膜，相比普通的机体提高了热传递性能。因此，气缸整体的温度相比铸铁缸套降低了约40 ℃，由于提高了抗爆燃极限，热效率也随之提高。

2014年，日产在1.6 L 4缸MR16DDT发动机上采用了电弧喷镀的气缸孔镜面涂覆技术(MBC)(图8)，并在VR30DDTT发动机上也采用了该技术。MBC技术使用电弧喷射工艺替代等离子喷镀工艺。电弧喷镀工艺可在气缸工作表面上形成许多小的气孔。即使没有进行珩磨网纹槽加工，这些气孔也会储有润滑油(图9)[3]。其结果表明，采用表面粗糙度为Ra 0.05级的镜面精加工，除了能提高抗爆燃性能之外，对于降低气缸孔与活塞间的摩擦也有着良好效果。

图8 电弧喷镀工艺

图9 电弧(离子)喷镀与气缸缸套的性质

3.5 集成排气歧管的气缸盖

本机型的气缸盖将排气歧管与原气缸盖集成为一体(图10)。由此，能在气缸盖的排气出口处布置涡轮增压器，使得催化器可布置在气缸盖附近。其结果表明，该举措能大幅提升起动后催化器入口的排气温度，使催化剂活性时间减少50%左右。另一方面，在排气温度较高的条件下，利用气缸盖内的散热能有效降低排气温度。

图10 集成排气歧管的气缸盖

3.6 电子控制可变容量机油泵

本机型采用了可依据发动机转速调整出油率的可变容量型机油泵。该油泵可按油压进行两级电子控制，以降低低负荷工况下的油泵驱动扭矩。图11示出了各种发动机转速下机油泵的油压控制。发动机冷却水温度在-10 ℃以下，或者油温在120 ℃以上时，可以维持稳定的高油压。另一方面，在其他工况条件下，可根据发动机转速与扭矩有效控制油压，同时力求降低起动扭矩。

图11 各运转条件下机油泵的油压切换(控制)

3.7 多方向控制阀

发动机低温起动后的暖机，不仅有利于改善燃油经济性，而且对改善其排放性能也是卓有成效的。在各大汽车制造商采用多种机构与技术的同时，VR30DDTT发动机上采用了可切换冷却水路径的MCV(图12)。根据发动机的暖机状态，MCV可以自由切换冷却水通道。而在发动机没有充分暖机的状态下，则停止向散热器、加热器等部件的通水，由于水循环只在发动机本体内部进行，因此可以有效促进暖机。VR30DDTT发动机相比原VR37VHR发动机，虽然排量小，排气热量少，但通过MCV与集成排气歧管气缸盖的废热回收，能够实现大致相同的升温速度(图13)[3]。