【日】 A.Kobayashi T.Satou H.Isaji S.Takahashi T.Miyamoto

新型直列3缸1.2 L機(jī)械增壓汽油機(jī)

【日】 A.Kobayashi T.Satou H.Isaji S.Takahashi T.Miyamoto

介紹新型1.2 L 3缸HR12DDR型汽油機(jī)，其開發(fā)目標(biāo)是達(dá)到歐洲B級(jí)車市場(chǎng)最低的二氧化碳排放，并通過優(yōu)異的動(dòng)力輸出性能來滿足用戶的駕駛樂趣。同時(shí)，該汽油機(jī)的開發(fā)目的也是為了滿足日趨收緊的法規(guī)要求，以及將來取代轎車柴油機(jī)。2011年，該汽油機(jī)已被應(yīng)用在日產(chǎn)汽車歐洲市場(chǎng)的Micra車型上，達(dá)到了新歐洲行駛循環(huán)的二氧化碳排放限值95 g/km。為了降低燃油消耗率，通過提高壓縮比，最大限度地提高熱效率，并盡可能降低機(jī)械摩擦損失。通過汽油直接噴射系統(tǒng)優(yōu)化燃燒。選擇帶有旁通閥和電磁離合器的機(jī)械增壓系統(tǒng)，在不棲牲動(dòng)力性的前提下實(shí)現(xiàn)更好的燃油經(jīng)濟(jì)性。詳細(xì)介紹了HR12DDR型汽油機(jī)及其應(yīng)用的技術(shù)亮點(diǎn)。

小排量汽油機(jī) 機(jī)械增壓 低二氧化碳排放 高動(dòng)力輸出 電磁離合器 旁通閥

0 前言

自20世紀(jì)80年代后期為Micra車開發(fā)的MA10E型汽油機(jī)投放市場(chǎng)以來，日產(chǎn)汽車公司針對(duì)B級(jí)車開發(fā)了0.9～1.4 L的一系列小排量發(fā)動(dòng)機(jī)。1988年，為了能夠讓小型車在汽車運(yùn)動(dòng)領(lǐng)域迸發(fā)出追求駕駛樂趣的熱情，日產(chǎn)汽車公司在MA10E機(jī)型基礎(chǔ)上開發(fā)了采用渦輪增壓和機(jī)械增壓的MA09ERT型汽油機(jī)。20世紀(jì)90年代，為了滿足用戶對(duì)燃油經(jīng)濟(jì)性、駕駛樂趣，以及全球市場(chǎng)范圍內(nèi)可接受的低成本要求，開發(fā)了排量分別為1.0 L、1.2 L和1.4 L的CR10DE、CR12DE和CR14DE型汽油機(jī)。2010年，繼CR10DE型之后又開發(fā)了新型HR12DE型汽油機(jī)，通過采用3缸技術(shù)，進(jìn)一步提高燃油經(jīng)濟(jì)性，并降低了成本。

另一方面，駕駛樂趣始終是用戶最基本的要求之一，即使在經(jīng)濟(jì)模式下行駛也不例外。

作為最新開發(fā)的機(jī)型，HR12DDR型汽油機(jī)進(jìn)一步提高了燃油經(jīng)濟(jì)性，成為同級(jí)別發(fā)動(dòng)機(jī)中二氧化碳（CO2）排放水平的標(biāo)桿，達(dá)到與柴油機(jī)相同的水平。同時(shí)，駕駛樂趣得到進(jìn)一步提升，超越了HR12DE機(jī)型，成為CR14DE機(jī)型小型化的變型產(chǎn)品。新型汽油機(jī)以HR12DE機(jī)型為基礎(chǔ)，采用汽油直接噴射系統(tǒng)和米勒循環(huán)，實(shí)現(xiàn)了高壓縮比。在提高駕駛樂趣方面，新增了機(jī)械增壓系統(tǒng)，同時(shí)應(yīng)用了MA09ERT機(jī)型的機(jī)械增壓系統(tǒng)匹配技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)。

新機(jī)型的開發(fā)目標(biāo)如下：（1）歐洲B級(jí)車中最低的CO2排放水平（95 g/km）；（2）實(shí)現(xiàn)高動(dòng)力輸出，駕駛樂趣超過同級(jí)別車型；（3）滿足歐5排放法規(guī)的要求。

為實(shí)現(xiàn)上述開發(fā)目標(biāo)，新機(jī)型主要采用以下4項(xiàng)核心技術(shù)：（1）壓縮比提高至13.0，最大限度地提高指示熱效率；（2）采用高廢氣再循環(huán)（EGR）率和延遲進(jìn)氣門關(guān)閉的米勒循環(huán)，使泵氣損失最??；（3）增加部分附件，如雙可變氣門正時(shí)控制（VTC）和增壓系統(tǒng)，減少發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械摩擦損失；（4）應(yīng)用米勒循環(huán)優(yōu)化小排量發(fā)動(dòng)機(jī)的增壓系統(tǒng)。

其中，實(shí)現(xiàn)上述開發(fā)目標(biāo)的最關(guān)鍵技術(shù)是汽油直接噴射系統(tǒng)和機(jī)械增壓系統(tǒng)。

1 發(fā)動(dòng)機(jī)的主要技術(shù)規(guī)格和性能

圖1 HR12DDR型汽油機(jī)外形圖

圖1是HR12DDR型汽油機(jī)的外形圖。機(jī)械增壓器被布置在發(fā)動(dòng)機(jī)排氣歧管正上方的氣缸蓋罩上。

HR12DDR型汽油機(jī)是在HR12DE機(jī)型基礎(chǔ)上開發(fā)的，HR12DE機(jī)型是直列3缸1.2 L自然吸氣汽油機(jī)。直列3缸的布置方式具有結(jié)構(gòu)緊湊、機(jī)械摩擦損失小的優(yōu)勢(shì)，但對(duì)整車振動(dòng)平順性不利。HR12DE型汽油機(jī)通過應(yīng)用外置平衡塊，成功地達(dá)到了4缸機(jī)的振動(dòng)水平。表1列出了HR12DDR型汽油機(jī)與MA09ERT、CR14DE及HR12DE機(jī)型的主要技術(shù)規(guī)格對(duì)比。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)的主要技術(shù)規(guī)格

圖2為HR12DDR型汽油機(jī)與基本型及上一代機(jī)型的扭矩和功率曲線對(duì)比圖。HR12DDR型汽油機(jī)的最大功率為72 k W，最大扭矩為142 N·m。高動(dòng)力輸出和高壓縮比的實(shí)現(xiàn)主要?dú)w功于汽油直接噴射燃燒和燃燒室周邊冷卻部件的優(yōu)化，這些措施改善了爆燃狀況。圖3示出HR12DDR型汽油機(jī)在燃油經(jīng)濟(jì)性散點(diǎn)圖中的位置。通過采用起動(dòng)-停車系統(tǒng)，搭載HR12DDR型汽油機(jī)的Micra車達(dá)到95 g/km的CO2排放水平，在散點(diǎn)圖中處于最佳水平。

圖2 扭矩和功率曲線的對(duì)比

2 獨(dú)特技術(shù)

提高壓縮比后，熱效率得到進(jìn)一步提升，在很大

圖3 HR12DDR型汽油機(jī)的CO2排放量

程度上導(dǎo)致了壓縮行程末期缸內(nèi)溫度上升，爆燃傾向增強(qiáng)。此外，增壓系統(tǒng)與高壓縮比的結(jié)合使避免因爆燃傾向增強(qiáng)引起的性能退化變得更困難。為了解決這一難題，應(yīng)用了汽油直接噴射系統(tǒng)，并對(duì)一些部件采取冷卻措施，如活塞機(jī)油噴射冷卻和高導(dǎo)熱性活塞環(huán)等（表2）。

表2 HR12DDR型汽油機(jī)的主要結(jié)構(gòu)特征

雖然，更高的壓縮比在理論上可獲得更高的熱效率，但較大的壓縮余隙面容比會(huì)導(dǎo)致燃燒室冷卻損失增加。研究表明，汽油機(jī)壓縮比范圍應(yīng)在13.0～14.0之間，這樣熱效率才能達(dá)到最大值。

嘗試設(shè)計(jì)低面容比活塞，以充分利用增壓優(yōu)勢(shì)。常規(guī)發(fā)動(dòng)機(jī)需要在活塞頂面加工出氣門凹坑。通常，在高負(fù)荷條件下，通過調(diào)整進(jìn)、排氣門相位和升程，提高活塞表面頂部凹坑的掃氣效率，在新機(jī)型中，這些功能由機(jī)械增壓系統(tǒng)來完成。通過優(yōu)化進(jìn)、排氣門升程和相位，活塞頂部凹坑達(dá)到最小，實(shí)現(xiàn)了活塞面容比的最小化?；钊螤钜妶D4。

圖4 活塞形狀

由于活塞的低面容比和高壓縮比（13.0），在部分負(fù)荷工況下能獲得更高的熱效率。如圖5所示，對(duì)于直接噴射汽油機(jī)而言，這種活塞的熱效率可達(dá)到壓縮比約為14.0的常規(guī)活塞的水平。

圖5 在2 000 r/min及0.2 MPa工況下，熱效率與壓縮比的關(guān)系

汽油直接噴射提供了一種抑制爆燃、提高熱效率的途徑。在進(jìn)氣行程中，燃油被直接噴入氣缸，利用噴入燃油的汽化潛熱吸收熱量，降低壓縮終點(diǎn)的溫度。圖6為日產(chǎn)汽車公司汽油直接噴射燃燒的設(shè)計(jì)理念。在進(jìn)氣和壓縮行程中，通過將強(qiáng)氣流運(yùn)動(dòng)與燃油直接噴射相結(jié)合，促進(jìn)空氣與燃油更有效地混合，使均質(zhì)燃燒的穩(wěn)定性更好。

圖7為HR12DDR型汽油機(jī)噴嘴噴油霧化模擬的側(cè)視圖。為了獲得汽油直接噴射的最佳效果，采用了6孔噴嘴，考慮到小缸徑汽油機(jī)的機(jī)油稀釋問題，通過計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）對(duì)霧化效果進(jìn)行了模擬。結(jié)合高壓燃油噴射系統(tǒng)，對(duì)燃油的蒸發(fā)和貫穿距進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。

圖6 日產(chǎn)汽車公司汽油直接噴射燃燒的設(shè)計(jì)理念

圖7 噴油霧化模擬

汽油直接噴射雖然能夠獲得上述所期望的收益，但是，會(huì)在氣缸內(nèi)形成非均勻的混合氣分布，這使混合氣的燃燒效率較低，并生成碳?xì)浠衔铮a(chǎn)生爆燃現(xiàn)象。作為對(duì)策，通常通過優(yōu)化進(jìn)氣道設(shè)計(jì)，在進(jìn)氣和壓縮行程中采用強(qiáng)氣流來提高混合氣分布的均勻性。

通常，進(jìn)氣道的設(shè)計(jì)要點(diǎn)是保持進(jìn)氣阻力與空氣流量系數(shù)的平衡。HR12DDR型汽油機(jī)采用的是機(jī)械增壓系統(tǒng)，所以，可以根據(jù)增壓器的增壓功能匹配，對(duì)進(jìn)氣道進(jìn)行特殊的滾流設(shè)計(jì)。

圖8 進(jìn)氣道氣流的流線圖

圖8顯示了進(jìn)氣道和進(jìn)氣流線。圖中顯示，截面陡變的邊緣使進(jìn)氣道下側(cè)的進(jìn)氣流量降低，增強(qiáng)了滾流效果。

圖9示出了HR12DDR型汽油機(jī)的滾流比和空氣流量系數(shù)在散點(diǎn)圖中所處的位置。由于精心設(shè)計(jì)了進(jìn)氣道，盡可能提高了滾流強(qiáng)度，滾流比處于最佳位置。因此，能夠獲得良好的空-燃混合氣，其均質(zhì)水平達(dá)到了多點(diǎn)進(jìn)氣道燃油噴射汽油機(jī)的同等水平（CFD模擬計(jì)算值）。

圖9 滾流比散點(diǎn)圖

3 泵氣損失最小化

減少泵氣損失的主要設(shè)計(jì)理念是運(yùn)用高壓縮比的進(jìn)氣門晚關(guān)米勒循環(huán)。甚至在進(jìn)氣門晚關(guān)狀態(tài)下，也可以形成高膨脹比，在燃燒穩(wěn)定的前提下帶來提高燃油經(jīng)濟(jì)性的效果。新型汽油機(jī)的進(jìn)氣門關(guān)閉正時(shí)被推遲到100°CA ABDC，相應(yīng)的有效壓縮比為7.0。為了在無增壓的部分負(fù)荷工況區(qū)域徹底減少剩余的泵氣損失，采用了機(jī)內(nèi)EGR與排氣正時(shí)連續(xù)可變控制（CVTC）及機(jī)外EGR相結(jié)合的方式。

上述設(shè)計(jì)理念會(huì)因延緩混合氣的燃燒和降低有效壓縮比而引起嚴(yán)重的燃燒問題，因此要求在燃燒行程中增強(qiáng)混合氣的湍流。另外，米勒循環(huán)和高壓縮比設(shè)計(jì)的結(jié)合會(huì)造成混合氣動(dòng)能降低。這主要有2個(gè)方面的原因造成：（1）高壓縮比會(huì)導(dǎo)致滾流因上止點(diǎn)壓縮余隙較小而衰竭；（2）當(dāng)米勒循環(huán)在進(jìn)氣門關(guān)閉正時(shí)延遲時(shí)，氣缸內(nèi)的混合氣會(huì)在壓縮行程中返回進(jìn)氣道，對(duì)混合氣湍流強(qiáng)度造成不良影響。

圖10顯示了進(jìn)氣門晚關(guān)米勒循環(huán)與常規(guī)進(jìn)氣門關(guān)閉正時(shí)的滾流比較。因?yàn)榛旌蠚庠趬嚎s行程后半期回流進(jìn)入進(jìn)氣道，所以米勒循環(huán)的滾流比沒有增加。

為了加強(qiáng)點(diǎn)火定時(shí)的混合氣湍流，在進(jìn)氣道中設(shè)置一種新型渦流控制閥。從壓縮行程開始到點(diǎn)火定時(shí)，特別在高壓縮比的情況下，該閥能夠使缸內(nèi)混合氣渦流從壓縮行程一直保持到點(diǎn)火定時(shí)。甚至在高EGR的狀態(tài)下，該渦流也有利于保持燃燒的穩(wěn)定性。

機(jī)內(nèi)EGR米勒循環(huán)是依靠進(jìn)氣和排氣CVTC來實(shí)現(xiàn)的。如圖11所示，進(jìn)氣和排氣VTC的正時(shí)可以延遲，以優(yōu)化氣門重疊。這是日產(chǎn)汽車公司首次采用進(jìn)氣延遲的CVTC系統(tǒng)。選擇該系統(tǒng)的原因是它既可以滿足發(fā)動(dòng)機(jī)良好的起動(dòng)性能要求，又具備進(jìn)氣門晚關(guān)米勒循環(huán)的優(yōu)異燃油經(jīng)濟(jì)性。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)處于高動(dòng)力輸出工況時(shí)，機(jī)械增壓取代進(jìn)氣延遲的CVTC系統(tǒng)，對(duì)進(jìn)氣充量起著主導(dǎo)作用。因此，進(jìn)氣和排氣CVTC系統(tǒng)的參數(shù)可以完全按照部分負(fù)荷的工況條件進(jìn)行設(shè)計(jì)。

圖10 采用米勒循環(huán)與不采用米勒循環(huán)的滾流比比較

圖11 進(jìn)氣和排氣VTC的設(shè)計(jì)理念

4 減小發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械摩擦

為了改善燃油經(jīng)濟(jì)性，在HR12DDR型汽油機(jī)上采用了各種先進(jìn)的減摩技術(shù)，包括全球首次采用的無氫DLC涂層活塞環(huán)（圖12）。

HR12DDR型汽油機(jī)提高了活塞環(huán)張力，以抑制高動(dòng)力輸出增壓發(fā)動(dòng)機(jī)因熱負(fù)荷增大而引起的發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油耗升高傾向。由于采用了DLC涂層活塞環(huán)，活塞的摩擦與HR12DE型汽油機(jī)的相同。

如上所述，新型發(fā)動(dòng)機(jī)采用了進(jìn)氣和排氣CVTC、基于機(jī)油壓力的活塞機(jī)油噴射冷卻等部件，以改善燃油經(jīng)濟(jì)性。由于需要額外增加機(jī)油供給量，提高了機(jī)油泵功率消耗。為了減少機(jī)油泵功率損失，裝用了新型可變?nèi)萘繖C(jī)油泵。結(jié)果，在滿足機(jī)油壓力要求的前提下，機(jī)油泵的功率消耗保持與常規(guī)發(fā)動(dòng)機(jī)相同的水平。

圖13為發(fā)動(dòng)機(jī)的前視圖，示出了為降低摩擦而采取的一些技術(shù)措施。在傳動(dòng)系統(tǒng)外圍，安裝了可脫開式新型減振器皮帶輪和機(jī)械增壓電磁離合器，以及自動(dòng)張緊器。這些措施降低了3缸增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的皮帶張力，與傳統(tǒng)機(jī)型相比，皮帶輪傳動(dòng)系統(tǒng)的摩擦降低了20％。

圖12 實(shí)施的減摩技術(shù)

圖13 附件所采用的減摩技術(shù)

圖14顯示了HR12DDR型汽油機(jī)與HR12DE型汽油機(jī)的摩擦損失對(duì)比。若不考慮采用機(jī)械增壓系統(tǒng)、汽油直接噴射高壓燃油系統(tǒng)和機(jī)油供給部件（如排氣VTC），與HR12DE型汽油機(jī)相比，新型發(fā)動(dòng)機(jī)的摩擦損失降低約10％。

5 增壓系統(tǒng)的優(yōu)化

為了同時(shí)獲得良好的燃油經(jīng)濟(jì)性和駕駛樂趣，開發(fā)了最佳的增壓系統(tǒng)。由于該發(fā)動(dòng)機(jī)排量小且采用米勒循環(huán)，發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣排放量和余熱較少，因此考慮到瞬態(tài)響應(yīng)性，此類發(fā)動(dòng)機(jī)無法依靠廢氣熱量來優(yōu)化增壓系統(tǒng)。圖15為計(jì)算所得的車輛加速度對(duì)比。由圖可見，與有渦輪滯后效應(yīng)的渦輪增壓系統(tǒng)相比，機(jī)械增壓系統(tǒng)具有更好的加速性能。

新型汽油機(jī)采用Eaton公司雙4葉轉(zhuǎn)子羅茨泵機(jī)械增壓器，以獲得更高的進(jìn)氣增壓效率和更好的聲品質(zhì)。在B級(jí)車中，增壓器與發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速比確定為2.4：1，以保持B級(jí)車燃油經(jīng)濟(jì)性與動(dòng)力性之間的平衡。

圖14 2 000 r/min時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦損失對(duì)比

圖15 發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)響應(yīng)性的對(duì)比

盡管在非增壓工況下，該機(jī)械增壓器的運(yùn)轉(zhuǎn)摩擦損失已經(jīng)較低，但還是采用電磁離合器，以進(jìn)一步減少摩擦損失。機(jī)械增壓器由電磁離合器和二級(jí)皮帶驅(qū)動(dòng)，而電磁離合器由發(fā)動(dòng)機(jī)電控單元直接控制（圖16）。

圖16 機(jī)械增壓器

圖17為機(jī)械增壓電磁離合器的運(yùn)行圖。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)以低燃油耗模式運(yùn)行時(shí)，離合器處于關(guān)閉狀態(tài)，以切斷增壓系統(tǒng)的無效運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)處于高速運(yùn)行工況時(shí)，則離合器介入，以響應(yīng)駕駛者的瞬態(tài)指令。

圖17 機(jī)械增壓電磁離合器的運(yùn)行圖

為了控制增壓壓力，HR12DDR型汽油機(jī)在節(jié)氣門上游設(shè)置1個(gè)旁通閥。在電磁離合器關(guān)閉狀態(tài)下，進(jìn)氣通過旁通閥由進(jìn)氣道直接進(jìn)入節(jié)氣門，因此，旁通閥的設(shè)計(jì)是常開的。該狀態(tài)下的進(jìn)氣流量由節(jié)氣門控制。在電磁離合器接合狀態(tài)，通過調(diào)整旁通閥的開度，由旁通閥和進(jìn)氣再循環(huán)來協(xié)同控制增壓壓力（圖18）。

圖18 旁通控制系統(tǒng)

旁通閥系統(tǒng)既能提供發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩的線性控制，以滿足駕駛舒適性，又能在增壓狀態(tài)下獲得更好的燃油經(jīng)濟(jì)性。圖19顯示了這種扭矩控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，即可以讓機(jī)械增壓器持續(xù)工作在最低負(fù)荷條件下，因此相對(duì)于常規(guī)節(jié)氣門控制，其功率損失較小。

圖20顯示了節(jié)氣門和旁通閥與發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷對(duì)應(yīng)的動(dòng)作。由于2個(gè)閥門的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了進(jìn)氣線性控制，其中包括節(jié)氣門和旁通閥的進(jìn)氣延遲誤差。

上述控制閥動(dòng)作同樣有利于改善噪聲-振動(dòng)-平順性性能。在控制閥重疊開啟期間，防止氣流通過截面區(qū)域過大。因此，進(jìn)氣噪聲得到抑制，無需額外配裝消聲器。

圖19 旁通閥的控制效果

圖20 節(jié)氣門和旁通閥的動(dòng)作

如圖18所示，在機(jī)械增壓器下游增加了1個(gè)空冷中冷器。在各種行駛工況下，中冷器出口溫度始終保持在50℃以下。在采用米勒循環(huán)的增壓條件下，這對(duì)抑制發(fā)動(dòng)機(jī)爆燃是非常重要的。同時(shí)，該中冷器也有利于控制增壓進(jìn)氣充量和部分增壓工況下的EGR。

6 結(jié)語

為了在最低CO2排放量的前提下確保駕駛樂趣，日產(chǎn)汽車公司對(duì)HR12DDR型汽油機(jī)進(jìn)行了全新設(shè)計(jì)。在這款1.2 L汽油直接噴射機(jī)械增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)中，采用了高壓縮比增壓系統(tǒng)，低面容比活塞和高滾流進(jìn)氣門優(yōu)化了缸內(nèi)直接噴射燃燒。采用帶電磁離合器的機(jī)械增壓器，成功抵消了米勒循環(huán)燃燒方式應(yīng)用于小排量發(fā)動(dòng)機(jī)后對(duì)燃油經(jīng)濟(jì)性產(chǎn)生的不利影響。在新歐洲行駛循環(huán)工況下，新型汽油機(jī)的CO2排放達(dá)到95 g/km，并滿足歐5排放法規(guī)的要求。同時(shí)，相比HR12DE型發(fā)動(dòng)機(jī)，其動(dòng)力輸出有了進(jìn)一步的提高。

虞 展 譯自 SAE Paper 2012-01-0415

顧如龍 校

虞 展 編輯

2013-01-08）