日产直喷发动机燃效与混合动力车相当

文章来源:弗戈汽车网 发布时间:2010-09-06
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日产汽车开发出了燃效与混合动力车相当的小型车用汽油发动机“HR12DDR”。该发动机以新款“March”配备的1.2L排量直列3缸发动机“HR12DE”为基础,通过改成向气缸内直接喷射(直喷)汽油的方式实现米勒循环,还追加了可在必要时利用增压来提高输出功率的机械增压器。HR12DDR就是这种“直喷机械增压发动机”。

该发动机将欧洲模式下的二氧化碳(CO2)排放量降低到了95gkm。本田的“Insight”为101gkm,丰田的“普锐斯”为89gkm,因此配备新型发动机的汽车的燃效与现行混合动力车相当。日产汽车表示,将以计划2011年在欧洲上市的“Micra”为开端,将该发动机广泛配备在小型车上。

冷却后可防止异常燃烧

由于采用直喷方式,因此吸气行程中只向气缸内吸入空气,压缩行程后会以高压方式向燃烧室内直接喷射燃料。由于只需按照燃烧所需要的量供应燃料,因此可减少燃料的多余消耗。这种方式与利用进气口来喷射燃料并向气缸内供应混合气(空气和燃料)的气门喷射方式不同,不会因部分燃料粘附在进气口壁或吸气阀上而产生燃料损耗。采用气门喷射方式时,粘附燃料的残渣会变成碳积存起来,因此还有可能导致泵吸损失。

原来的直喷方式通过稀薄燃烧(Lean Burn)来减少燃料的消耗,只在火花塞周围形成浓稠的混合气,整个燃烧室则会形成稀薄的混合气。但这种方式会导致氮氧化物(NOX)增加,存在为应对这一问题而导致催化剂成本上升的课题。为了达到理论空燃比*1,新型直喷发动机会控制燃料的喷射和燃烧,因此不存在这方面的顾虑。

燃烧室的温度也会下降。将燃料直接喷入燃烧室后,燃烧室会在气化热的作用下冷却。这样,便可控制混合气温度上升,以减少会在火花塞点火之前燃烧燃料的爆震(异常燃烧)现象的发生。由此,便可减少热损失,从而使燃效获得提高。

为了冷却混合气体,日产汽车还采用了其他两项技术。其中之一是为活塞设置冷却通道“活塞冷却通道(Piston Cooling Channel)”。在活塞背面加工出外径约为70mm、内径约为60mm的环状孔,并打开两处直径为8mm的贯通孔*2。其工作原理是,将机油从一个贯通孔注入环状孔,使其吸收蓄积在活塞中的热量,然后使机油从另一贯通孔流出,通过这种方式来散发热量。

另一项技术则是采用向中空轴充入空气和钠(Na)的排气阀。熔点较低的钠会在发动机旋转时受热变成液体。随后,液体钠会随着排气阀的上下运动而上下移动。排气阀下行进入燃烧室内时,液体钠会在惯性作用下移动至中空轴的底侧,吸收燃烧室的热量。接下来,排气阀会上行返回燃烧室顶部,此时液体钠会上移至中空轴顶部。这样,溢出燃烧室外的液体钠便会将热量散发出去,防止燃烧室温度上升。

这种充钠排气阀是对轴进行中空加工,放入Na之后焊装上盖子制造而成的。据日产介绍,尽管需要花费工时,但成本已降低到可在小型车上采用的水平。其背景是,部件厂商通过开发相关技术降低了成本,而且因这种阀门在欧洲的采用量增加而产生了量产效果。

实际压缩比约为10,膨胀比为13

米勒循环方式通过延迟或提前关闭吸气阀的时间,来降低进气填充率。可在保持膨胀比不变的同时减小压缩比,从而将更多的热能量作为运动能量取出。通过这种方法,HR12DDR将排量从1.2L实质性地减小到了0.9L(Downsizing),从而降低了燃料消耗。

具体而言,HR12DDR是通过所示的方法实现米勒循环的。采用普通的奥托循环(Otto Cycle)方式时,活塞一到达下死点,就会关闭吸气阀并进入压缩行程,而在HR12DDR中,即使活塞越过下死点向上移动,吸气阀也会依然处于开启状态。采用了所谓的“迟关闭”米勒循环方式。吸入气缸内的空气,会在活塞上移的同时释放到吸气阀端。片刻后,当活塞达到某一点时,吸气阀便会关闭,开始进行压缩。这样,便会将压缩比(实际压缩比)减小至10左右,而膨胀比仍会保持在13的水平。另外,为了控制该阀门,HR12DDR还配备了连续可变阀门正时机构“C-VTC”*3。

因排量减小而降低的输出功率,可利用以发动机的旋转力为动力的机械增压器增压来补充。通过增加吸气量,使更多的燃料燃烧。由此,可将输出功率提高至相当于1.5L排量发动机的水平。

机械增压器可利用电磁开关进行开闭。因此,配备HR12DDR的车辆可根据行驶情况,在低燃耗行驶模式与高动力性能模式之间切换。

 

*1理论空燃比:混合气完全燃烧时所需要的氧气与燃料的质量之比。一份汽油燃烧时需要14.7份空气,因此理论空燃比为14.7。空燃比超过14.7时称为“稀薄(Lean)”,低于该值时称为“浓稠(Rich)”。

*2活塞冷却通道是按照每个活塞,利用以盐制成的中模来铸造,然后用水洗去中模而成。

*3通过采用米勒循环方式使实际排量减小到了0.9L左右,因此具有泵吸损失小于1.2L发动机的优点。

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