东风日产天籁可变压缩比发动机技术解读

2019-05-05谢婉茹

汽车与驾驶维修(维修版) 2019年1期

文：谢婉茹

中型轿车市场的竞争从来不会手软，各厂家也将更多的精力放在了该级别的车型上，其中，东风日产的代表车型就是天籁了。新天籁搭载的2.0 L VC-TURBO可变压缩比涡轮增压发动机（日产内部代号KR20DDET）无疑是一大亮点，其最大功率为185 kW，最大扭矩为380 N.m，工信部油耗为6.6 L/100 km。此外，该发动机的热效率已经到达39%，与竞品混动车型相比也是不分上下。本文将为读者朋友们详细解读东风日产KR20DDET发动机的技术细节。

1.发动机基本概括

东风日产新天籁车型共搭载了2款发动机，分别为2.0 L自然吸气发动机和2.0T可变压缩比（VCR）涡轮增压发动机。2.0T可变压缩比（VCR）涡轮增压发动机型号为KR20DDET，是全球第一款量产可变压缩比（VCR）发动机，压缩比可在8.0∶1～14.0∶1之间进行变化（图1）。该款发动机采用了最新的减振技术，无需平衡轴的介入便可实现良好的平衡性，同时使用了电动主动扭矩杆（ATR），来帮助减少发动机的其余振动。

该款发动机采用直列式排布方式，在5 600 r/min时最大输出功率为185 kW，在4 000 r/min时可输出380 N.m的最大扭矩。采用了电子进气门和液压排气门的正时控制单元，并通过电子废气旁通阀来减少泵送时的损失。同时，MCV多路控制阀可在冷起动和运行冷却期间提供更高效的部件加热。该款发动机所需机油量为4.7 L，所需发动机冷却液为8.3 L。

图1 KR20DDET发动机

2.进气系统

新鲜空气经过空气滤清器后进入到增压器中，由增压器负责将空气进行压缩，热压缩后空气经过增强软管总成（图2），流过发动机顶部的复合噪声抑制器（图3）。该噪声抑制器利用挡板将进气噪声和共振进行衰减，从而保证驾乘者的乘坐舒适性。经过降噪的压缩空气向下流入下散热器支架右侧附近的增压空气冷却器（中冷器）进口。该中冷器是一种热交换器，利用面积大、散热好的原理，在压缩空气进入燃烧室之前，释放其中的热量。

3.涡轮增压系统

新天籁的涡轮增压器由整体式缸盖（排气歧管）、三元催化器、涡轮侧、增压压力侧、电控增压压力旁通阀及壳体等部件组成（图4）。排气歧管被集成在了缸盖中（图5），是因为排气歧管的温度高，在冷起动或冷车运行时，可以通过歧管的温度对冷却液进行加热，这就相当于为汽车冷却系统增加了一个热源，可大大缩短热车时间，让水温迅速达到工作温度。所以当VCR系统处于较低的压缩位置时，涡轮增压器也可以正常运行。

图2 增强软管总成

图3 复合噪声抑制器

图4 涡轮增压器

图5 排气歧管集成在缸盖中

涡轮增压器的壳体包括用于轴承润滑的机油油道和用于冷却的冷却液通道。涡轮增压系统同样配备有废气旁通阀（图6），可以快速关闭以产生增压压力；也可以调节打开，以防止过度增压的出现，从而提高燃油经济性、快速预热催化剂或者在发动机控制单元（ECM）确定不需要增压压力的其他条件下打开。

图6 废气旁通阀

如果节气门执行器出现快速关闭，那么电控增压压力旁通阀就会打开，从而避免在节气门体上游形成压力。当电控增压压力旁通阀打开时，空气被重新引导到增压压力叶轮的进气侧，以降低增压压力出口与节气门体之间的气压。涡轮增压转速传感器是利用磁场感应工作的，其作用是识别涡轮增压器的转速信号。如果涡轮增压器总成出现故障，需要进行总成的更换，不得单独更换涡轮增压器转速传感器或电子增压压力旁通阀。

ECM会根据实际驾驶情况，通过步进电机（图7）控制废气旁通阀的开度。连接到电动废气旁通阀控制执行器的连杆来控制涡轮增压器的增压。ECM根据发动机转速、加速踏板位置和节气门位置确定目标增压压力，然后根据进气量和进气压力计算涡轮进口附近的进气压力。基于这些信息，ECM确定废气旁通阀角度来满足目标增压压力。电控废气旁通阀控制执行器可以调整废气旁通阀角度，提高对驱动条件的响应和实现高精度的增压控制。

图7 步进电机

当发动机处于冷态时，废气旁通阀开启，涡轮增压器引起的热损失最小化，加速催化剂的预热。点火钥匙处于ON位置时，ECM执行废气旁通阀执行器位置校准（根据使用车辆的环境，增压压力会有所不同）。

4.可变压缩比（VCR）

所谓的压缩比是指下止点（BDC）和上止点（TDC）的燃烧室容积之间的关系。在常见的自然吸气发动机中，更高的压缩比可提高燃烧效率，特别是直喷式发动机，它可从给定量的油气混合物中获得更多的能量。汽油机的压缩比不能超过一定水平，否则可能会出现爆震。

增压发动机常用较低的压缩比，这是因为增压器在进气行程中，会将额外的空气压入燃烧室中。如涡轮增压与高压缩比结合使用，则可能直接损坏发动机。因此涡轮增压发动机会使用较低压缩比和涡轮增压器的组合，获得额外的燃烧功率，同时保持发动机的使用寿命。

传统发动机中，活塞在缸径中上下移动的行程是保持不变的。而新天籁使用的KR20DDET发动机是第一款采用可变压缩燃烧技术的量产发动机（图8）。所谓可变压缩比（VCR），就是在往复式发动机上增加多连杆系统，通过主动改变气缸内活塞行程的上限和下限，使压缩比在8.0∶1～14.0∶1之间进行变化（图9）。

图8 可变压缩比结构

图9 可变压缩比发动机的工作原理

图10 不同压缩比时活塞高度的差别

压缩比的变化是通过VCR电机实现的，具体运动过程如下。

(1)当需要改变压缩比时，电机会转动并移动执行器连杆。

(2)执行器连杆旋转控制轴。

(3)当控制轴旋转时，会通过控制连杆改变下连杆的角度。

(4)下连杆调节活塞在气缸内的高度，从而改变压缩比。

使用14.0∶1的压缩比时，控制轴臂是完全伸展的，将下连杆向上推入气缸中。而使用8.0∶1的压缩比时，控制轴臂是收缩的，所以下连杆不会进入气缸中（图10）。

使用VCR可以同时实现强劲动力和良好的燃油经济性。当需要更高发动机输出时，VCR可降低压缩比，使涡轮增压器提供更高的增压压力而不爆震。当要求燃油经济性、降低排放或巡航速度不需要最大功率时，VCR可提高压缩比。除了功率可以按照需求改变外，VCR发动机的几何设计也有助于减少活塞在缸径中的侧向推力（推力角），降低摩擦、气缸磨损、噪声、振动和不平顺性（图11）。

图11 可变压缩比活塞与普通活塞对比图

VCR执行器在连杆臂的末端有保持器和连杆销，连杆臂与发动机底部的控制轴配合，当VCR执行器伸出或缩回连杆时，连杆销沿着保持器连杆滑动，以枢转控制轴，改变支点角度。VCR执行器是由VCR控制单元控制的12 V三相电机，VCR执行器总成位于发动机底部，安装在机油滤清器壳体上。VCR执行器是车辆可变压缩比系统的唯一可维修机械部件（图12）。

图12 VCR执行器组成部件

VCR执行器总成包括VCR电机传感器和VCR执行器传感器2个传感器，分别用于监控VCR电机和VCR执行器连杆的位置。VCR 执行器传感器可以使用CONSULT和数据监视器进行监控，也可以在VCR系统的主动测试期间进行监控。

VCR系统在车辆的仪表板上也增加了新的屏幕显示，驾驶员可以观察增压压力表以及从经济（高压缩）到动力（低压缩）的近似压缩比值变化（图13）。

图13 新增的屏幕显示功能

5.主动扭矩杆（ATR）系统

KR20DDET发动机配备有主动扭矩杆（ATR）系统（图14）。ATR是一种主动式发动机支架，在支架内包括一个往复式执行器电机，通过抵消作用来隔离和抑制发动机振动。ATR总成中还包括一个加速度传感器，可检测减振的有效性，并在必要时提供反馈以修正电机动作。

图14 ATR系统

ATR由主动扭矩杆控制单元，根据发动机转速和来自ECM的负载信息进行控制。ATR能将发动机噪声降低约6 dB。如果当发动机转速从3 000 r/min降到2 500 r/min时（松开加速踏板），ATR处于关闭的状态；而当发动机转速从2 500 r/min增加到3 000 r/min时，ATR处于接通的工作状态。