文：謝婉茹

中型轎車市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)從來(lái)不會(huì)手軟，各廠家也將更多的精力放在了該級(jí)別的車型上，其中，東風(fēng)日產(chǎn)的代表車型就是天籟了。新天籟搭載的2.0 L VC-TURBO可變壓縮比渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)（日產(chǎn)內(nèi)部代號(hào)KR20DDET）無(wú)疑是一大亮點(diǎn)，其最大功率為185 kW，最大扭矩為380 N.m，工信部油耗為6.6 L/100 km。此外，該發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率已經(jīng)到達(dá)39%，與競(jìng)品混動(dòng)車型相比也是不分上下。本文將為讀者朋友們?cè)敿?xì)解讀東風(fēng)日產(chǎn)KR20DDET發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)細(xì)節(jié)。

1.發(fā)動(dòng)機(jī)基本概括

東風(fēng)日產(chǎn)新天籟車型共搭載了2款發(fā)動(dòng)機(jī)，分別為2.0 L自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)和2.0T可變壓縮比（VCR）渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)。2.0T可變壓縮比（VCR）渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)為KR20DDET，是全球第一款量產(chǎn)可變壓縮比（VCR）發(fā)動(dòng)機(jī)，壓縮比可在8.0∶1～14.0∶1之間進(jìn)行變化（圖1）。該款發(fā)動(dòng)機(jī)采用了最新的減振技術(shù)，無(wú)需平衡軸的介入便可實(shí)現(xiàn)良好的平衡性，同時(shí)使用了電動(dòng)主動(dòng)扭矩桿（ATR），來(lái)幫助減少發(fā)動(dòng)機(jī)的其余振動(dòng)。

該款發(fā)動(dòng)機(jī)采用直列式排布方式，在5 600 r/min時(shí)最大輸出功率為185 kW，在4 000 r/min時(shí)可輸出380 N.m的最大扭矩。采用了電子進(jìn)氣門和液壓排氣門的正時(shí)控制單元，并通過(guò)電子廢氣旁通閥來(lái)減少泵送時(shí)的損失。同時(shí)，MCV多路控制閥可在冷起動(dòng)和運(yùn)行冷卻期間提供更高效的部件加熱。該款發(fā)動(dòng)機(jī)所需機(jī)油量為4.7 L，所需發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液為8.3 L。

圖1 KR20DDET發(fā)動(dòng)機(jī)

2.進(jìn)氣系統(tǒng)

新鮮空氣經(jīng)過(guò)空氣濾清器后進(jìn)入到增壓器中，由增壓器負(fù)責(zé)將空氣進(jìn)行壓縮，熱壓縮后空氣經(jīng)過(guò)增強(qiáng)軟管總成（圖2），流過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)頂部的復(fù)合噪聲抑制器（圖3）。該噪聲抑制器利用擋板將進(jìn)氣噪聲和共振進(jìn)行衰減，從而保證駕乘者的乘坐舒適性。經(jīng)過(guò)降噪的壓縮空氣向下流入下散熱器支架右側(cè)附近的增壓空氣冷卻器（中冷器）進(jìn)口。該中冷器是一種熱交換器，利用面積大、散熱好的原理，在壓縮空氣進(jìn)入燃燒室之前，釋放其中的熱量。

3.渦輪增壓系統(tǒng)

新天籟的渦輪增壓器由整體式缸蓋（排氣歧管）、三元催化器、渦輪側(cè)、增壓壓力側(cè)、電控增壓壓力旁通閥及殼體等部件組成（圖4）。排氣歧管被集成在了缸蓋中（圖5），是因?yàn)榕艢馄绻艿臏囟雀?，在冷起?dòng)或冷車運(yùn)行時(shí)，可以通過(guò)歧管的溫度對(duì)冷卻液進(jìn)行加熱，這就相當(dāng)于為汽車?yán)鋮s系統(tǒng)增加了一個(gè)熱源，可大大縮短熱車時(shí)間，讓水溫迅速達(dá)到工作溫度。所以當(dāng)VCR系統(tǒng)處于較低的壓縮位置時(shí)，渦輪增壓器也可以正常運(yùn)行。

圖2 增強(qiáng)軟管總成

圖3 復(fù)合噪聲抑制器

圖4 渦輪增壓器

圖5 排氣歧管集成在缸蓋中

渦輪增壓器的殼體包括用于軸承潤(rùn)滑的機(jī)油油道和用于冷卻的冷卻液通道。渦輪增壓系統(tǒng)同樣配備有廢氣旁通閥（圖6），可以快速關(guān)閉以產(chǎn)生增壓壓力；也可以調(diào)節(jié)打開，以防止過(guò)度增壓的出現(xiàn)，從而提高燃油經(jīng)濟(jì)性、快速預(yù)熱催化劑或者在發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元（ECM）確定不需要增壓壓力的其他條件下打開。

圖6 廢氣旁通閥

如果節(jié)氣門執(zhí)行器出現(xiàn)快速關(guān)閉，那么電控增壓壓力旁通閥就會(huì)打開，從而避免在節(jié)氣門體上游形成壓力。當(dāng)電控增壓壓力旁通閥打開時(shí)，空氣被重新引導(dǎo)到增壓壓力葉輪的進(jìn)氣側(cè)，以降低增壓壓力出口與節(jié)氣門體之間的氣壓。渦輪增壓轉(zhuǎn)速傳感器是利用磁場(chǎng)感應(yīng)工作的，其作用是識(shí)別渦輪增壓器的轉(zhuǎn)速信號(hào)。如果渦輪增壓器總成出現(xiàn)故障，需要進(jìn)行總成的更換，不得單獨(dú)更換渦輪增壓器轉(zhuǎn)速傳感器或電子增壓壓力旁通閥。

ECM會(huì)根據(jù)實(shí)際駕駛情況，通過(guò)步進(jìn)電機(jī)（圖7）控制廢氣旁通閥的開度。連接到電動(dòng)廢氣旁通閥控制執(zhí)行器的連桿來(lái)控制渦輪增壓器的增壓。ECM根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、加速踏板位置和節(jié)氣門位置確定目標(biāo)增壓壓力，然后根據(jù)進(jìn)氣量和進(jìn)氣壓力計(jì)算渦輪進(jìn)口附近的進(jìn)氣壓力。基于這些信息，ECM確定廢氣旁通閥角度來(lái)滿足目標(biāo)增壓壓力。電控廢氣旁通閥控制執(zhí)行器可以調(diào)整廢氣旁通閥角度，提高對(duì)驅(qū)動(dòng)條件的響應(yīng)和實(shí)現(xiàn)高精度的增壓控制。

圖7 步進(jìn)電機(jī)

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)處于冷態(tài)時(shí)，廢氣旁通閥開啟，渦輪增壓器引起的熱損失最小化，加速催化劑的預(yù)熱。點(diǎn)火鑰匙處于ON位置時(shí)，ECM執(zhí)行廢氣旁通閥執(zhí)行器位置校準(zhǔn)（根據(jù)使用車輛的環(huán)境，增壓壓力會(huì)有所不同）。

4.可變壓縮比（VCR）

所謂的壓縮比是指下止點(diǎn)（BDC）和上止點(diǎn)（TDC）的燃燒室容積之間的關(guān)系。在常見(jiàn)的自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)中，更高的壓縮比可提高燃燒效率，特別是直噴式發(fā)動(dòng)機(jī)，它可從給定量的油氣混合物中獲得更多的能量。汽油機(jī)的壓縮比不能超過(guò)一定水平，否則可能會(huì)出現(xiàn)爆震。

增壓發(fā)動(dòng)機(jī)常用較低的壓縮比，這是因?yàn)樵鰤浩髟谶M(jìn)氣行程中，會(huì)將額外的空氣壓入燃燒室中。如渦輪增壓與高壓縮比結(jié)合使用，則可能直接損壞發(fā)動(dòng)機(jī)。因此渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)使用較低壓縮比和渦輪增壓器的組合，獲得額外的燃燒功率，同時(shí)保持發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命。

傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)中，活塞在缸徑中上下移動(dòng)的行程是保持不變的。而新天籟使用的KR20DDET發(fā)動(dòng)機(jī)是第一款采用可變壓縮燃燒技術(shù)的量產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)（圖8）。所謂可變壓縮比（VCR），就是在往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)上增加多連桿系統(tǒng)，通過(guò)主動(dòng)改變氣缸內(nèi)活塞行程的上限和下限，使壓縮比在8.0∶1～14.0∶1之間進(jìn)行變化（圖9）。

圖8 可變壓縮比結(jié)構(gòu)

圖9 可變壓縮比發(fā)動(dòng)機(jī)的工作原理

圖10 不同壓縮比時(shí)活塞高度的差別

壓縮比的變化是通過(guò)VCR電機(jī)實(shí)現(xiàn)的，具體運(yùn)動(dòng)過(guò)程如下。

(1)當(dāng)需要改變壓縮比時(shí)，電機(jī)會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)并移動(dòng)執(zhí)行器連桿。

(2)執(zhí)行器連桿旋轉(zhuǎn)控制軸。

(3)當(dāng)控制軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，會(huì)通過(guò)控制連桿改變下連桿的角度。

(4)下連桿調(diào)節(jié)活塞在氣缸內(nèi)的高度，從而改變壓縮比。

使用14.0∶1的壓縮比時(shí)，控制軸臂是完全伸展的，將下連桿向上推入氣缸中。而使用8.0∶1的壓縮比時(shí)，控制軸臂是收縮的，所以下連桿不會(huì)進(jìn)入氣缸中（圖10）。

使用VCR可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)強(qiáng)勁動(dòng)力和良好的燃油經(jīng)濟(jì)性。當(dāng)需要更高發(fā)動(dòng)機(jī)輸出時(shí)，VCR可降低壓縮比，使渦輪增壓器提供更高的增壓壓力而不爆震。當(dāng)要求燃油經(jīng)濟(jì)性、降低排放或巡航速度不需要最大功率時(shí)，VCR可提高壓縮比。除了功率可以按照需求改變外，VCR發(fā)動(dòng)機(jī)的幾何設(shè)計(jì)也有助于減少活塞在缸徑中的側(cè)向推力（推力角），降低摩擦、氣缸磨損、噪聲、振動(dòng)和不平順性（圖11）。

圖11 可變壓縮比活塞與普通活塞對(duì)比圖

VCR執(zhí)行器在連桿臂的末端有保持器和連桿銷，連桿臂與發(fā)動(dòng)機(jī)底部的控制軸配合，當(dāng)VCR執(zhí)行器伸出或縮回連桿時(shí)，連桿銷沿著保持器連桿滑動(dòng)，以樞轉(zhuǎn)控制軸，改變支點(diǎn)角度。VCR執(zhí)行器是由VCR控制單元控制的12 V三相電機(jī)，VCR執(zhí)行器總成位于發(fā)動(dòng)機(jī)底部，安裝在機(jī)油濾清器殼體上。VCR執(zhí)行器是車輛可變壓縮比系統(tǒng)的唯一可維修機(jī)械部件（圖12）。

圖12 VCR執(zhí)行器組成部件

VCR執(zhí)行器總成包括VCR電機(jī)傳感器和VCR執(zhí)行器傳感器2個(gè)傳感器，分別用于監(jiān)控VCR電機(jī)和VCR執(zhí)行器連桿的位置。VCR 執(zhí)行器傳感器可以使用CONSULT和數(shù)據(jù)監(jiān)視器進(jìn)行監(jiān)控，也可以在VCR系統(tǒng)的主動(dòng)測(cè)試期間進(jìn)行監(jiān)控。

VCR系統(tǒng)在車輛的儀表板上也增加了新的屏幕顯示，駕駛員可以觀察增壓壓力表以及從經(jīng)濟(jì)（高壓縮）到動(dòng)力（低壓縮）的近似壓縮比值變化（圖13）。

圖13 新增的屏幕顯示功能

5.主動(dòng)扭矩桿（ATR）系統(tǒng)

KR20DDET發(fā)動(dòng)機(jī)配備有主動(dòng)扭矩桿（ATR）系統(tǒng)（圖14）。ATR是一種主動(dòng)式發(fā)動(dòng)機(jī)支架，在支架內(nèi)包括一個(gè)往復(fù)式執(zhí)行器電機(jī)，通過(guò)抵消作用來(lái)隔離和抑制發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)。ATR總成中還包括一個(gè)加速度傳感器，可檢測(cè)減振的有效性，并在必要時(shí)提供反饋以修正電機(jī)動(dòng)作。

圖14 ATR系統(tǒng)

ATR由主動(dòng)扭矩桿控制單元，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和來(lái)自ECM的負(fù)載信息進(jìn)行控制。ATR能將發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲降低約6 dB。如果當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)? 000 r/min降到2 500 r/min時(shí)（松開加速踏板），ATR處于關(guān)閉的狀態(tài)；而當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)? 500 r/min增加到3 000 r/min時(shí)，ATR處于接通的工作狀態(tài)。

6.燃油系統(tǒng)

新天籟的燃油系統(tǒng)有多個(gè)零部件組成，具體如圖15所示。低壓燃油泵位于燃油箱中，主要工作就是將低壓燃油輸送到低壓和高壓燃油系統(tǒng)中，其由燃油泵控制單元（FPCM）進(jìn)行控制。低壓燃油被輸送到發(fā)動(dòng)機(jī)頂部的高壓燃油泵進(jìn)口附近的一個(gè)接頭，該接頭可將低壓燃油輸送至高壓燃油泵和低壓多點(diǎn)噴射噴油器油軌的進(jìn)口。

該款發(fā)動(dòng)機(jī)同時(shí)使用了低壓多點(diǎn)噴射噴油器和高壓直接噴射噴油器（圖16）。其中高壓直接噴射噴油器可在所有操作條件下運(yùn)行，因?yàn)橹苯訃娚湓试S在高壓縮操作下進(jìn)行適當(dāng)?shù)娜加挽F化，并通過(guò)快速加熱催化轉(zhuǎn)換器來(lái)減少排放。而低壓多點(diǎn)噴射噴油器只能在增壓條件下運(yùn)行，因?yàn)槎帱c(diǎn)噴射可以優(yōu)化負(fù)載情況下的燃油噴射。

圖15 燃油系統(tǒng)流動(dòng)圖

圖16 燃油噴射系統(tǒng)