日產汽車公司新型VR30DDTT汽油機的先進技術

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0 前言

為了使汽車作為推動社會可持續發展的一種交通工具得以延續，需要努力降低對環境產生的負荷。因此，各汽車制造商正在加速開展可再生能源汽車技術的開發，例如電動汽車、燃料電池汽車等。不過，要完全達到電動汽車及燃料電池汽車的廣泛普及，不僅需要解決技術上的難題，同時應該解決基礎設施的整備與完善等課題。當前，內燃機仍然是汽車的主要動力源。另一方面，汽車不僅是一種出行方式，而且也應具備卓越的動力性能，尤其是能為用戶帶來駕駛愉悅感。該款發動機在動力性能方面毫不遜色，而且有利于環保，具有能躋身于全球市場的優異性能，有望成為新一代高性能發動機。

1 開發目標

VR30DDTT發動機是一款V6 3.0 L缸內直噴渦輪增壓汽油機，并定于2007年投放市場。本機型是作為采用了可變氣門正時與升程系統(CVVEL)的V6 3.7 L自然吸氣發動機VQ37VHR的后續機型而研制的。VQ系列發動機自1994年投放市場以來，憑借其輕快的起動與良好的加速響應性能獲得一致好評。2002年，日產將VQ35DE發動機配裝于Infiniti G35車上，在該車型的發售過程中，因其卓越的動力性能享譽全球。之后，針對輕松愉悅的駕駛體驗、優異的燃油經濟性能、低排放等目標，對其主要參數進行了重新評價。對發動機整體改良后，該機型于2006年重新向市場投放，并在2007年升級為VQ37VHR機型。但是，考慮到市場需求的變化，以及排放性能、燃油經濟性能的要求，日產公司做出了以下決策：將VQ37VHR發動機改款為兼顧動力性能與環保性能的3.0 L V6缸內直噴渦輪增壓發動機。

2 發動機概況與主要技術參數

圖1 VR30DDTT發動機外觀

表1列出了VR30DDTT發動機與原有VQ37VHR發動機的對比。新型VR30DDTT發動機的缸徑和行程采用了86 mm×86 mm的矩形結構。不過，機體頂板及氣缸等基本構成部件沿用了原VQ37VHR發動機。圖1示出了VR30DDTT發動機的整體外觀。

表1 日產VR30DDTT及VQ37VHR發動機主要技術規格

為了實現其動力性、燃油經濟性的大幅提高，VR30DDTT發動機相比于原機型VQ37VHR，將排量設定為3.0 L，除了使用渦輪增壓器、缸內直噴等主要技術外，還采用了多種最新技術(表2)[1]。該機型的最大功率為298 kW，最大扭矩為475 N·m，實現了在原機型VQ37VHR基礎上的性能大幅提高(圖2)[1]。這些參數值即便與其他歐洲汽車公司的對標機型相比，也具備絕對優勢。同時，VR30DDTT發動機燃油耗性能也比原機型VQ37VHR改善了7%左右，實現了動力性能與燃油經濟性能大幅提升的預期目標。

圖2 VR30DDTT發動機與VQ37VHR發動機的 功率與扭矩的比較

項目技術工藝功率扭矩響應性燃油耗排放輕量化主運動系統缸內鏡面噴鍍工藝○○○高導熱性活塞第一道活塞環○○無氫類金剛石碳(DLC)涂覆活塞環○活塞頂面內側鋁陽極化處理○○活塞冷卻途徑最佳化,以及提高活塞冷卻用噴油嘴流量○○活塞裙部復合涂層○活塞環槽的電解析出鋁陽極化處理○○高強度材料應用(活塞、曲軸)○○缸蓋系統集成排氣歧管的氣缸蓋○○○尾氣冷卻○○缸蓋薄壁化○○氣門系統電動可變氣門正時機構○○○排氣門充鈉的密封閥○○氣門彈簧最佳化+蜂窩狀彈簧的應用○鏈條背面追加圓角尺○渦輪增壓系統小型渦輪及渦輪速度傳感器○○電子控制廢氣閥門(WG)○○○水冷式中冷器○○潤滑系統電子控制可變容量機油泵○○輕量化樹脂材質的油盤○使用機油○燃油系統DIG(20 MPa)○○○○冷卻系統多方向控制閥(MCV)○○進氣系統樹脂材質的進氣歧管○

3 采用的先進技術

3.1 缸內燃油直噴系統

燃油缸內直噴系統采用壁面引導方式。在噴油壓力為3～20 MPa的條件下，根據發動機的轉速與負荷，每一個工作循環最多進行3次噴射(圖3)[1]。日產公司的缸內直噴技術理念為一方面避免燃油附著于活塞及缸套，一方面通過形成均勻的混合氣以提高熱效率，同時通過在暖機運轉中延遲點火定時以實現降低排放的目標[2]。因此，為了更好地利用滾流以獲得充分的缸內流動并提升各項指標，需要對進氣道、燃燒室、噴油器、活塞的設計進行優化。

圖3 噴射次數示意圖

設計缸內直噴發動機的重要因素之一是混合氣形成，因此對混合氣均勻性與壁面附著問題進行了研究。

出于對油霧顆粒化與設計自由度的考慮，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合，以改善均質混合氣的均勻度，并提高燃燒速率，可以有效改善熱效率。

VR30DDTT發動機為促進均質混合氣形成，在各種負荷的工況下對燃油噴射進行控制(圖4)[3]。

圖4 發動機各運轉工況與燃油噴射定時

在起動后的低、中等負荷工況下，為了抑制作為碳煙發生源的燃燒室壁面液膜，同時避免燃油附著于活塞頂端的燃燒室壁面，在進氣行程后半期向寬廣空間內噴射燃油。

完成暖機后，出于改善中、低等負荷工況熱效率的目的，應著力提高燃燒效率，在進氣行程前半段噴射燃油，促進混合氣的均勻混合。在低速高負荷的工況下，為改善混合氣均勻性，同時避免燃油液滴附著于氣缸壁導致機油稀釋現象增多，因此采用多次噴射。

與氣缸壁發生碰撞的燃油液滴會導致機油飛濺，同時形成易于引起異常燃燒的熱源。所以，為避免這類現象，設定了噴射定時。

VR30DDTT發動機以冷機起動后的催化暖機為目的，采用了點火定時延緩燃燒，同時為抑制燃燒變動，采用了分層噴射的混合氣形成方式。

為了優化著火性能，有必要在火花塞周邊聚集穩定的濃混合氣，因此在活塞頂面設置了燃燒室凹坑。燃油噴射分為兩次進行，第一次噴射，是在進氣行程中噴射，第二次噴射則在壓縮行程中噴射，而在設計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 進氣電動可變氣門正時(VVT)系統

VR30DDTT發動機在進氣側凸輪上采用了VVT機構(圖5)[4]。這種配氣機構由E-電動機(E-Motor)與VVT驅動鏈輪構成。如果E-Motor以高于凸輪軸的速度旋轉，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行旋轉，則凸輪軸的相位等于氣門正時延遲角。電動VVT的轉換速度比普通的液壓方式快3倍左右，對其進行調整使其不喪失加速響應，并能夠采用較大的轉換角，圖6[1]示出了各運轉條件下的氣門正時。藍色區域為進氣門的動作角，紅色區域為排氣門的動作角。在城市道路上行駛時，在低轉速和低負荷工況下，運用較大的轉換角，同時采用了延遲關閉進氣門的米勒循環，能有效降低泵氣損失。在加速時，提前打開進氣門，形成較大的氣門重疊期，進而能產生更大的扭矩。電動VVT系統能同時實現良好的燃油經濟性與優異的加速性能。

圖5 電動VVT的結構零件

圖6 氣門正時

電動VVT系統自起動后即可迅速投入運作，使進氣凸輪變換為最佳的氣門正時，確保較大的氣門重疊期，利用廢氣再循環(EGR)以降低碳氫化合物(HC)排放。

3.3 渦輪增壓系統

VR30DDTT發動機的渦輪增壓系統采用了電子控制廢氣閥與渦輪轉速傳感器(圖7)。通常，為實現高功率的目標，需要大直徑的渦輪與壓氣機以達到較高的增壓壓力。但是，大直徑的渦輪與壓氣機的慣量較大，容易出現響應延遲，產生渦輪滯后問題。另一方面，如采用小直徑的渦輪和壓氣機以實現高增壓壓力，則會有超過轉速極限，導致破損的風險。因此，VR30DDTT發動機通常采用小直徑的渦輪與壓氣機，一方面確保響應性，另一方面利用轉速傳感器監視裝置的轉速。由于利用WG可以有效控制增壓壓力，能使渦輪系統的潛力發揮到最大限度。

圖7 電子控制WG與帶轉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，WG在催化劑升溫時，由于加大開度使排氣分流，減緩排氣溫度的降低，將導致催化劑活化的負面影響控制在最小限度。此外，在低負荷和無增壓的工況下，由于WG全開，能有效降低排氣側的泵氣損失。而在增壓區域則使節流閥全開，利用WG的開度控制增壓壓力，進而能對扭矩進行控制。通過降低進氣側的泵氣損失，能有效改善燃油經濟性。WG響應速度快，能有效改善發動機節流閥的響應靈敏性。

3.4 氣缸孔的鏡面涂覆

出于對抗爆燃性能的考慮，采用無缸套的氣缸表面是一項有效的技術。日產公司于2007年對配裝于GT-R車上的VR38DETT發動機首次采用了等離子噴鍍技術。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，日產在1.6 L 4缸MR16DDT發動機上采用了電弧噴鍍的氣缸孔鏡面涂覆技術(MBC)(圖8)，并在VR30DDTT發動機上也采用了該技術。MBC技術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。即使沒有進行珩磨網紋槽加工，這些氣孔也會儲有潤滑油(圖9)[3]。其結果表明，采用表面粗糙度為Ra 0.05級的鏡面精加工，除了能提高抗爆燃性能之外，對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

3.5 集成排氣歧管的氣缸蓋

本機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。其結果表明，該舉措能大幅提升起動后催化器入口的排氣溫度，使催化劑活性時間減少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 電子控制可變容量機油泵

本機型采用了可依據發動機轉速調整出油率的可變容量型機油泵。該油泵可按油壓進行兩級電子控制，以降低低負荷工況下的油泵驅動扭矩。圖11示出了各種發動機轉速下機油泵的油壓控制。發動機冷卻水溫度在-10 ℃以下，或者油溫在120 ℃以上時，可以維持穩定的高油壓。另一方面，在其他工況條件下，可根據發動機轉速與扭矩有效控制油壓，同時力求降低起動扭矩。

圖11 各運轉條件下機油泵的油壓切換(控制)

3.7 多方向控制閥

發動機低溫起動后的暖機，不僅有利于改善燃油經濟性，而且對改善其排放性能也是卓有成效的。在各大汽車制造商采用多種機構與技術的同時，VR30DDTT發動機上采用了可切換冷卻水路徑的MCV(圖12)。根據發動機的暖機狀態，MCV可以自由切換冷卻水通道。而在發動機沒有充分暖機的狀態下，則停止向散熱器、加熱器等部件的通水，由于水循環只在發動機本體內部進行，因此可以有效促進暖機。VR30DDTT發動機相比原VR37VHR發動機，雖然排量小，排氣熱量少，但通過MCV與集成排氣歧管氣缸蓋的廢熱回收，能夠實現大致相同的升溫速度(圖13)[3]。

圖12 MCV示意圖

圖13 發動機的升溫

4 結語

新款VR30DDTT發動機具備卓越的動力性能與優異的環保性能。相比原機型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)燃油經濟性能提升了7%左右；(3)催化劑活化時間縮短約50%，HC排放量降低約65%。