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天马行空：[技术日产]世界首创VC-TURBO可变压缩比涡轮增压发动机开发深度解密（3）
5.KR20发动机性能改善

由于上述VCR机构能够无极可调的改变压缩比，因此可以满足各种运行工况的要求，从而在提高发动机热效率的同时也增强发动机输出功率。此外，通在低温冷车启动期间设置比较低的压缩比，可以降低发动机尾气排放，本节将介绍这些内容并概述其效果。

PS：请注意，此发动机设计定位还是高性能发动机，只是兼顾油耗。

5.1 燃油经济性改善

近年来，为了获得更高的峰值热效率，常规定压比发动机的压缩比不断提高，从十年前的10演化到现在的13。然而，随着压缩比的增大，在高负荷运行时，点火正时往往受到爆震的限制无法有效提前，从而只能将燃油经济性比较好的区域限制在低负荷，高负荷热效率与极限性能会明显恶化。尤其对于小排量发动机而言，较高的压缩比不一定会改善燃油经济性，因为它们设计目标就是建立在宽域涡轮增压的基础上，考虑到这种平衡，小排量涡轮增压发动机的压缩比接近于10:1（大量工程应用下的经验值）。对于日产这款发动机，通过在非涡轮增压区域设置高压缩比以获得与高压缩比NA发动机相当的高热效率，而在高负荷涡轮增压区域逐渐降低压缩比，确保涡轮增压区域在内的全负荷内实现了高热效率和高性能。如图27所示，在部分涡轮增压区域，压缩比降低到10:1甚至8:1，这相当于固定压缩比涡轮增压发动机的压缩比，减轻了爆震的限制，从而提高了燃油经济性和扭矩。从而实现一个随心所欲的驾驶体验，将低速高扭和良好的燃油经济性统一起来（图27）。
图27 VCR的热效率（BSFC）图
5.1.1 压缩比云图

本节给出了为该发动机压缩比云图以及其设计的逻辑。根据仿真和实验验证的结果，图28所示的压缩比图主要强调以下工况。
图28 压缩比map
?压缩比设置在高侧，用于低速、低负荷区域的普通驾驶，以获得最佳热效率。 

?确定非涡轮增压工况的压缩比，以确保涡轮增压发动机在涡轮不工作时的扭矩。

?高负荷工况降低压缩比，从而减轻爆震，并获得涡轮增压期间的最佳热效率。

?考虑到涡轮迟滞、VCR响应速度和驾驶员使用该工况的一般意图，在高转速的中/低负荷区域设置中/低压缩比，从而实现快速的扭矩响应。

5.1.2 采用电动VTC系统

依托于VCR机构，KR20发动机在低负荷区可以采用14:1的物理压缩比。如图29所示，红色为没有可变压缩比机构，没有电动气门正时的气缸压力图，绿色为提高压缩比后的气缸压力图，黄色为气门晚关，实现阿特金森循环下的气缸压力图。为了再度发挥压缩比的最大优势，进气门关闭（IVC）正时会像混合动力汽车的NA发动机一样大范围延迟，从而通过降低泵气损失和增大实际膨胀行程来提高热效率。气门正时变化的范围比传统发动机更大，而且这种高增压发动机具有更宽的负荷范围。由于这些原因，从延迟IVC的低负荷到高负荷工况的标准IVC，响应速度与扭矩响应有直接相关，因此，采用了电动VTC系统，其响应速度比之前的液压VTC系统快。这使得能够确保足够快的扭矩响应，即使IVC推迟的阿特金森循环循切换至奥托循环的过程中（图30）。
图29 可变压缩比与e-VTC配合效果图图30 加速时的气门正时变化
5.1.3 VCR燃烧策略

在采用VCR燃烧的概念中，在中低负荷下，由于燃烧室形状的变小，燃烧室内部气体流动的设计也发生了变化。与传统发动机相比，燃烧室变小了，因此，对带有内部废气再循环（EGR）气缸中的湍流强度要求比传统发动机更小（图31）。结果表明，在常规的发动机中，需要使用涡流控制阀（Swirl Control Valve）来满足湍流要求的，而该发动机，只依靠滚流控制阀（Tumble Control Valve）就能够满足湍流要求。因此，以往发动机涡流控制阀壳体中，由于冷却损失的增加，EGR效果打了折扣，但在该发动机中，EGR的燃油经济性效果能够充分发挥（图32）。
图31 通过VCR运动降低要求的湍流强度图32 通过VCR运动降低要求的湍流强度
5.2 提高动态性能

在传统涡轮增压发动机中，为了防止爆震，在高负荷运转时增压受到限制，在自然吸气发动机中，为了防止爆震，采用了点火延迟和燃油增浓的方法，降低热效率和燃烧稳定性，也提高排气温度（对催化器不利）。此外，由于气缸压力较高，可能会影响到机械结构的耐久性。对于VC-TURBO发动机，在高负荷工况内设置比较低的压缩比可以将扭矩提高10%甚至更多，并且可以实现超过3.5L V6 NA发动机的扭矩水平（图33）。此外，通过与涡轮增压器、VTC和压缩比控制以及与CVT的协调，可以获得高水平的动力性能。
图33 KR20DDET 扭矩功率曲线图
5.2.1 高性能和快速响应宽域涡轮器

涡轮增压器在设计时考虑到在低速工况获得100kW/L的高升功率输出和快速涡轮响应。在高速工况，VCR控制将压缩比调节至比较低的水平，从而抑制点火正时推迟，并为控制废气温度留出空间。这样就可以相应地提高充填效率（进气量），从而使高增压压力提高至260k Pa，并使KR20发动机实现200kW的峰值功率。

设计具有高流量特点的涡轮通常会导致较大的涡轮惯性，从而降低响应（涡轮迟滞）。采用混流式涡轮实现了高性能和快速响应。同时，优化了低速下的涡轮响应，也减少了低速状态的涡轮迟滞。

压缩机叶轮的设计还考虑到压缩机绝热效率范围（图34），以便在低流量区域获得高输出与高响应。
图34 压缩机效率图
5.2.2 直感CVT（Direct Feeling）

发动机与变速器的匹配是提高汽车动态性能的关键方法。日产将VC-TURBO发动机与CVT进行驾驶性优化，让发动机的高扭矩能够在比较低的发动机转速范围内充分利用，从而使驾驶感更强。CVT变速箱特点是换挡平稳，无任何冲击，并且可以灵活设置传动比，从而更容易让发动机处于高效、充裕的性能区间。

由于该发动机在低速工况下具有足够的扭矩，因此与AT/DTC等自动变速器相比，可以减少加速情况下的换挡量。因此，明显改善了加速感，提供了一类型似于大型V6/V8发动机的感觉。此外，传动比无级可调是CVT的显著优势，它使保持发动机转速成为可能，从而始终能够实现快速响应与加速度。这样，驾驶员在加速过程中有随踩随有，油门跟脚的感觉.如图35所示，与竞争对手的2.0T 加8自动变速箱相比，日产CVT的油门深度和加速性高度匹配，不存在扭矩中断的风险GAP，而自动变速箱下由于换挡冲击，部分工况下加速响应性存在问题。
图35 直感CVT
5.3 排放优化

5.3.1 HC排放原理及影响

虽然VCR机构可以降低燃油磨损并显著改善发动机的性能，但也必须对其进行调节以满足每个国家的排放法规。与传统发动机一样，低温冷车启动运行工况下的发动机基础排放量更高，催化器暖机前无净化能力，排气管排放量也更高。但是，由于VCR允许比较低的压缩比，并且在保持传统发动机相同扭矩水平下，点火正时可以提前，因此允许的膨胀冲程时间更长。可以提高气缸内温度（图36），以促进氧化反应，从而将碳氢化合物（HC）排放量减少一半。此外，日产工程师通过试验发现，低温期间未燃烧的HC排放受到燃烧室S/V比的影响，通过降低压缩比，比较低的活塞上止点位置会降低S/V比，从而有进一步改善HC排放的空间（图37）。
图36 燃烧后缸内温度对比图37 VCR 对HC排放的改善
5.3.2 降低PN排放的作用

此外，与直喷系统相结合，冷车启动期间，采用低压缩策略，让活塞端面远离直喷喷油器，从而减少附着到活塞端面的燃料。因此，传统发动机为了满足PN排放需要对直喷系统进行优化，比如高压化，比如喷孔形状优化等等，以减少燃料的附着。而该发动机通过改变活塞面位置就能降低燃料附着，有助于减少各种行驶条件下的微粒数（PN）排放（图38、39）。
图38 在差异压缩比下活塞端面残留燃油对比图39 VCR对PN的改善
5.4 VCR的气缸压力控制逻辑

带涡轮增压器系统的VCR最典型的问题就是这两套系统的协同工作。例如，当涡轮增压器的固有特点，随着发动机转速的增加而加速时，电动VCR的响应速度就相对发动机转速变慢了。而零部件的变化、驾驶环境的时刻不确定性、换挡的操作或其他一些因素都会影响VCR系统响应时间，所以要保证任何工况，任何操作模式下，VCR都能可靠的工作，即使VCR发生意外故障，也必须避免出现高压缩比和高增压压力这种极端工况。

5.1.1中描述中，发动机高转速低负荷工况中设计中低压缩比有助于壁面极端工况，但这种主动设置还是不够的。为了能够检测实际压缩比的传感器（VCR位置），并控制增压压力让压缩比限制在可接受范围，为此，采用了可靠性高、精度高的机械式角度监测型传感器。对控制逻辑进行修正，增压压力控制中不使用目标压缩比，而使用监测到的实际压缩比，从而防止在任何环境条件下甚至在意外故障时出现高压缩比和高增压压力的极端工况。图40（左）显示了车辆加速试验中，当VCR响应速度强制延迟到其正常响应时间的1/4左右时，压缩比和增压压力的时间与变化的关系，增压压力也显示为与压缩比（右）的相关性。这个例子表明，即使VCR响应异常延迟，也避免了出现高压缩比和高增压压力的极端工况。这种控制策略使得在发动机稳态条件下尽可能地提高压缩比，并保证了该发动机的量产可靠性。
图40 VCR和涡轮增压器之间的协同工作
5.5 性能

如图41所示，新的KR20DDET发动机在性能和燃油经济性上获得了两立，燃油经济性比肩1.6L自然吸气发动机，功率质量比比肩3.5L大排量发动机。这要归功于VCR和相关配套技术。
图41 卓越的动力和燃油经济性
6 结论

这款发动机率先搭载在英菲尼迪的QX50，但是并没有获得非常好的市场销量。现在日产将其下放至它的核心产品天籁身上。如图42所示，在众多竞争对手中，天籁在保证发动机性能第一梯队的同时，油耗为最低。技术日产，实至名归。
图42 主流2.0T高功率发动机性能参数对比图（不考虑性能车）
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