05年日产天籁v6评测（首创可变压缩比发动机深度解密）

接上文：技术日产：首创可变压缩比发动机深度解密（天籁/QX50）上

3 VC-TURBO发动机规格与硬件技术

如前所述，该发动机开发的目标是替代日产已有的V6，全面搭载日产旗下中型SUV和中高端轿车，在保证与V6相接近的发动机性能前提下，提高了燃油经济性。表1列出了其主要的硬件规格。图8显示了VC-TURBO发动机的外观和主要技术。VCR系统可以让压缩比在8:1到14:1的范围内连续变化。发动机孔径为84mm，与当前的2L直列4缸MR20发动机相同，因此可以沿用MR20的部分硬件设计。活塞行程不完全恒定，在压缩比伟8:1前提下，最大行程为90.1mm，在压缩比伟14:1前提下，最小行程为88.9mm。因此，由于活塞行程的不同，排量略有变化，最大值为1997 cc（8:1），最小值为1970 cc（14:1）。涡轮增压是通过一个中冷器进行冷却。其最大功率和扭矩分别为200kW和390Nm。

除了多连杆VCR系统外，发动机还采用了各种其他主流技术：

1 双喷射系统（Direct Port Fuel Injection）——提高了发动机响应性、加速性、燃油经济性、降低了排放。

2 电动可变进气门（Electric int VTC ）——提高了响应性、加速性、燃油经济性、降低了排放。

3 可变排量机油泵（Variable Displacement Oil Pump）——提高加速性、燃油经济性、降低排放。

4 电控涡轮泄压阀（Electric controlled Waste Gate）——提高了燃油经济性、降低排放。

5 宽域涡轮系统——提高响应性和加速性。

6 缸盖集成排气歧管（Cyl. Head Integrated Exhaust Manifold）——提高燃油经济性、降低排放、减少重量。

7 多流量控制阀（Multi Flow Control Valve）——提高燃油经济性。

8 镜面熔射缸孔技术（Mirror Bore coating）——提高燃油经济性、减少重量。

详细变化如图9所示，本节先谈谈可变压缩比之外的相关技术。

表1 KR20DDET 硬件规格

图8 KR20DDET 外观图

图9 KR20DDET 发动机主要技术

3.1 双喷射系统

与大众和丰田类似，该发动机也应用了一套双喷射系统（直喷 岐管喷射），如图10所示，高压直喷采用了6孔喷射，歧管喷射采用了10孔喷射。目前这个系统由于成本较高且标定难度较大，市场上应用的机型屈指可数。那么为什么要用这套系统呢？如图11，为该发动机在2000rpm下的喷射策略，在低负荷时，采用混合喷射，且喷射时间为进气上半程，给混合气充分混合和气化时间，提高燃油经济性，降低排放性能（特别是PN）；在中负荷时，采用两次直喷，形成分层混合；在高负荷采用三次直喷，形成强分层混合，局部浓混合气促进火焰传播速度，提高性能。

图10 双喷射系统喷油嘴

图11 日产VC-TURBO喷射策略

3.2 电动可变进气门（双循环切换）

双循环指的是奥拓循环 阿特金森循环。和市面上所有阿特金森循环发动机一样，VC-TURBO 2.0T依靠电动可变进气门的调整，采用大幅度进气门晚关的方式来模拟阿特金森循环，在活塞上行压缩阶段将部分混合气压入进气歧管中，来实现膨胀比大于压缩比，它的好处是能够大幅度提高燃油经济性。在高负荷下，为了保证足够的进气量，采用奥拓循环发挥发动机的最高性能。

PS：奥托循环和阿特金森循环介绍，懂的人可以略过。

奥托循环，又称四冲程循环。内燃机热力循环的一种，为定容加热的理想热力循环。奥托循环的一个周期是由吸气过程、压缩过程、膨胀做功过程和排气过程这四个冲程构成，首先活塞向下运动使燃料与空气的混合体通过一个或者多个气门进入气缸，关闭进气门，活塞向上运动压缩混合气体，然后在接近压缩冲程顶点时由火花塞点燃混合气体，燃烧空气爆炸所产生的推力迫使活塞向下运动，完成做功冲程，最后将燃烧过的气体通过排气门排出气缸。这种发动机具有转动平稳、噪声小等优良性能，对工业影响很大，故把这种循环命名为奥托循环。（下图是做功图）

阿特金森循环是在奥托循坏的基础上利用一套复杂的连杆机构发明出来的，也改变了奥托循坏压缩比和膨胀比的设计，但由于连杆结构体积比较大所以并不适合汽车使用，所以阿特金森循环大多用于大型船舶发动机上。我们今天所用的阿特金森循环发动机并没有用复杂的连杆，而是靠改变进气门关闭时间来达到缩短压缩行程的目的，这个方法是米勒在1940年对阿特金森循环进行了改进，放弃原来的连杆结构，改用进气气门关闭时间来代替连杆，这样就可以像奥托循环那样用于汽车上了，又称米勒循环。（已下是阿特金森循环做功图）

3.3 多流量控制阀（可变多路水冷系统）

日产为该发动机装配一个多流量控制阀，通过可变多路水冷系统来实现智能可变的热管理。在理想情况下，缸盖需要在较低的温度下工作，这样进气温度可以降低，进气量可以提高，气缸顶面也不容易发生爆震早燃，但是由于排气门的存在高温的尾气流经排气歧管导致气缸盖温度较高，不利于发挥发动机性能；另一方面，气缸体需要尽可能降低磨耗，因此气缸体温度较高下机油粘度低，但是汽缸壁冷却回路较多，现实中往往能够被充分冷却。

因此针对不同工况，该发动机的智能热平衡管理系统能够为各个部件提供合适的冷却水流量以此控制温度。

图12 多流量控制阀和智能热管理系统

3.4 镜面缸体熔射技术

VC-TURBO 2.0T采用全铝发动机，即缸体缸盖均采用铝合金结构。气缸体还采用了先进的镜面缸体熔射技术，取代传统铸铁缸套。熔射膜层只有0.2毫米厚，热传导性能比厚重的铸铁缸套优秀，并且耐磨性能更好，如图13所示，通过验证，该设计减少了44%活塞摩擦，并消除部分泵气损失。

图13镜面缸体熔射技术

当然，该发动机还应用了可变机油泵、非等宽面凸轮轴、缸盖集成排气歧管等等主流技术，在此略过。有兴趣的知友可以看我专栏的其他文章，效果基本一致。

4 日产VCR结构

4.1 VCR概念

传统的发动机都是定压缩比发动机，发动机的特性绝大程度上由压缩比的选择来决定，比如高压缩比发动机必然省油但是升功率较低，低压缩比发动机往往匹配涡轮增压，性能强劲，热效率较低，如图14所示，以原型机3.5L NA为基础，横轴为MAX功率 5倍MAX扭矩，纵轴为燃油经济性改善率，在不同压缩比下，曲线范围是不同的，高压缩比能够做到高燃油经济性，低压缩比能够做到高性能。

4.2.多连杆式曲轴旋转机构

在这台VCR发动机中，传统的活塞曲柄连杆机构被日产独特的多连杆式曲轴旋转机构取代（图15）。与传统的活塞-曲柄连杆系统类似，这种独特的机构由活塞和曲轴组成，但它们通过两个连杆串联在一起，即上连杆（U-link）和下连杆（L-link）。为了防止两个连杆的夹角变化无规则，它们的运动受到控制连杆（C-link）和控制轴（control shaft）的限制。控制轴具有由发动机机体支撑的主轴和相对于主轴偏移的偏心轴。控制连杆的一端与偏心轴相连，另一端与下连杆相连。当曲轴转动时，下连杆跟随曲柄销的轨道运动，并在横向移动时垂直旋转，这使上连杆和与其相连的活塞位置能够在垂直方向上改变（图16）。具体的工作image如图17所示。

图14 开发可变压缩发动机的理论

图15 多连杆曲轴转动机构

图16 可变压缩比的原理

图17 工作image 示意图

当然，这个概念并不是一蹴而就的，而是经过了多轮验证优化。早在2002年，日产就已经将其雏形设计出来，但是，省油效果并不突出，且存在大量可靠性风险。在后续的十几年里，为了使其能够满足量产要求，日产做了多轮优化与验证。

如图18，日产对其结构作出的最重要的改进，就是进行多连杆机构的小型化优化。由于机构过于复杂，在早期关键零部件L-link强度不足且容易发生振动，因此，日产对其进行缩短，通过小型化，不仅提升了强度，抑制了连杆整体的变型量，而且通过调整结构，使L型连杆的重心向旋转原点附近移动。在正常工况下，其惯性力更小，减少了发动机振动。

图18 多连杆机构小型化

同时，连杆机构的控制轴被移到了曲轴正下方，减少了安装时螺栓的数量，并且为内置于油底壳的机油泵让出空间。另外，随着驱动电机技术的进步，超薄型高减速比Harmonic Drive谐波减速机得到了应用，大大减少了电机占用的空间，并且降低了电机运转时的噪音。

图19 驱动器的小型化

4.3 多连杆VCR机构的工作原理

当控制轴向下移动时，下连杆围绕曲柄销顺时针转动。活塞与上连杆一起上升，从而增加压缩比。相反，当控制轴的旋转方向顺时针方向改变时，下连杆围绕曲柄销逆时针方向转动，活塞与上连杆一起下降，使压缩比降低成为可能。对于直列多缸发动机，所有气缸共用一个控制轴。因此，所有气缸中的压缩比可以通过改变单个控制轴相对于发动机缸体的旋转方向来同时切换（图20）。

图20 VCR 机构

4.4 压缩比控制单元

控制轴连接到压缩比控制单元，执行单元的旋转方向根据发动机工况来改变。在系统中，用于控制压缩比的执行机构将电动机和减速齿轮结合在一起。它连接到发动机油底壳侧壁（图21）。电机/减速齿轮和控制轴通过穿过油底壳壁的执行器连杆（A-link）连接。控制轴的角度由ECU通过电机的旋转角度来确定（图22）。

图21 多连杆与控制单元的连接

控制单元的设计要求相当高，必须符合以下的设计要求：

1 压缩比切换响应性（用于避免爆震和燃油经济性）

2 旋转角度保持能力（合理的电机功耗）

3 OBD故障安全

4 电动机功率损失小

为了满足这些苛刻的要求，采用了新设计的谐波减速机（Harmonic Drive Reduction Gear），在紧凑的空间内实现了高减速比，并且齿隙非常小（图22）。

图22 VCR电动执行器配置

4.5 多连杆VCR NVH改进

与活塞通过连杆连接到曲轴的传统曲柄连杆机构中的活塞运动不同，连杆以一种类似于简谐振动的方式运动（正弦曲线）。因此，在对应的L4发动机中，由于曲柄销的布置，重叠的二阶垂直激振可以大幅减小。与传统的活塞-曲柄连杆相比，多连杆式曲轴旋转机构使活塞垂直加速度的上下限显著减小。（垂直惯性力减小到约为同等活塞行程的传统活塞曲柄连杆机构的十分之一。）因此，无需再对二阶振动的平衡进行设计（图23）。

图23 活塞运动特性对比图

图24显示了在全发动机转速范围内没有使用平衡轴的KR20发动机的振动测试结果。即使没有平衡轴，KR20发动机在每一个转速范围内的振动水平都与有平衡轴的同等发动机类似。

图24 发动机振动对比

4.6 多连杆VCR的机械损失降低

在传统发动机中，由于活塞是往复运动，而曲轴是旋转运动，因此膨胀行程中活塞下行时，由于连杆的倾斜产生侧压力，从而对气缸壁与活塞环造成摩擦损耗。该发动机由于结构的优势，活塞下行时连杆几乎保持直立，大大减小了传统连杆倾斜产生的活塞侧应力（如图25蓝色线）。因此，活塞裙部和缸壁之间的摩擦显著减小。即使增加这么多连杆，机械结构复杂了，VCR机构也能使发动机总成的机械损失低于原型V6发动机（图26）。

图25 活塞下行侧应力对比图

图26发动机机械损失对比图

接下文：技术日产：首创可变压缩比发动机深度解密（天籁/QX50）下

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