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关于日产楼兰混合动力系统分析介绍

汽车与新动力 来源:djl 作者:汽车与新动力 2019-08-19 16:44 次阅读

在2015年8月,东风日产全新楼兰正式上市。那时起,楼兰车型上便开始搭载由2.5L机械增压发动机及单电动机组成的混合动力系统。该系统是目前市场上少有的,采用机械增压发动机的混合动力系统。究竟该混合动力系统上的机械增压发动机有何特点?为什么会采用机械增压发动机与电动机组合来做混合动力系统呢?下面由小编来为各位揭示其中的原因。

1基本参数、开发背景、竞品分析

日产楼兰混合动力系统中的2.5L机械增压发动机代号为“QR25DER”,最大功率为245Ps/5600rpm,峰值扭矩为330N·m/3600rpm。相比普通版楼兰上搭载的2.5L自然吸气发动机(代号为“QR25DE”),在动力输出参数上全面占优,这是机械增压器的功劳。这套混合动力系统的电动机最大马力为20.4Ps(15kW),最大扭矩为160N·m。

从楼兰混合动力车型的发动机舱可以看到,相比传统动力车型,混合动力车型新增了电机驱动模块,能够对混合动力系统中的电动机进行控制,利用电动机对外输出动力,或者利用电动机回收动能,并把回收到的电能储存到锂电池之中。

图为日产楼兰混合动力系统总成,这套混合动力系统采用单电机方案,在体积上比丰田THS混合动力系统的双电机方案更有优势,为横置发动机平台上布置四驱系统所需的取力器留出更多空间。

关于日产楼兰混合动力系统分析介绍

日产开发这套混合动力系统的目的是为了取代旗下的3.5L VQ35DE自然吸气发动机(上一代楼兰采用的动力系统),通过小排量化来提升发动机工作效率。然而,采用2.5L自然吸气发动机搭载单电动机的混合动力系统,要想达到3.5L自然吸气发动机的性能就需要一个大功率电机,电机功率大了,动力电池容量也要跟上,这使得制造成本大大增加,产品的价格竞争力被大大削弱。为解决制造成本和动力输出性能的矛盾,最终日产选择了采用机械增压发动机与小功率电动机的组合,最终实现了动力输出媲美3.5L自然吸气发动机,燃油经济性更好的混合动力系统。

关于日产楼兰混合动力系统分析介绍

本田和丰田这两家日本厂商在发动机小型化上,走的是较为主流的路线,即采用涡轮增压和缸内直喷技术来实现大排量自然吸气发动机的动力输出。

和日产不同,本田和丰田的小型化方案较为主流,通过采用涡轮增压、缸内直喷技术,并把发动机排量设定在2L,制造出动力输出性能与3.5L自然吸气发动机相若的新型小型化发动机。在动力性能上,楼兰的混合动力系统相比主流2.0L涡轮增压缸内直喷发动机并没有优势,但在燃油经济性方面优势明显。

关于日产楼兰混合动力系统分析介绍

显然,如果你是一个注重动力性能的消费者,楼兰并不是你的菜,因为市场上动力更强的中型SUV车型不在少数。但如果你想花差不多的价钱买一台更省油的中型SUV,或许你可以关注下楼兰的混合动力车型。

2结构特点和工作逻辑

日产楼兰混合动力系统带有一个电动机,该电动机位于发动机输出轴和变速箱输入轴之间。该混合动力系统中有两个离合器,一个是干式离合器,一个是湿式离合器。干式离合器结合时可以把发动机动力传递至变速箱,湿式离合器结合时可以把电动机动力传递至变速箱。由于混合动力系统在起步时会采用电动机驱动车辆,发动机在车速起来后才介入,所以变速箱部分不再配置传统CVT变速箱中的液力变矩器。

这套混合动力系统的锂电池容量为0.6kWh。较小的锂电池容量及电动机功率使得这套系统只在起步或者松油滑行时才会单独采用电动机驱动车辆,车辆正常行驶的时候无法切换成纯电动行驶模式。电动机和锂电池在这套混合动力系统中的作用就是在合适的时候实施动力辅助,让发动机能够尽可能地在经济油耗区工作,从而降低油耗;同时,在车辆全力加速时,电动机也能起到增强动力的作用。

变速箱方面,楼兰这套混合动力系统采用了来自加特可(JATCO)的CVT变速箱,代号为“REOF02H”。这套混合动力系统相比2.5L自然吸气发动机,输出的扭矩峰值更大,所以该CVT变速箱内主动、从动锥盘之间采用了能够承受更大扭矩的链条进行传动(与2.5L自然吸气发动机搭配的CVT变速箱采用的是钢带传动。

3采用机械增压发动机成为必然

目前,不少厂商都采用涡轮增压技术来进行发动机小型化,以替代过去的大排量自然吸气产品或填补产品线空白。例如:马自达采用2.5L涡轮增压发动机来取代过去的3.7L自然吸气发动机;本田采用2.0L涡轮增压发动机来取代3.0L自然吸气发动机;丰田采用2.0L涡轮增压发动机来填补2.5L和3.5L自然吸气发动机之间的产品空白。前文也提到,在中国市场,日产的小排量化之路与其他日系厂商有所不同,采用的是2.5L机械增压发动机+电动机组成的混合动力系统来取代其3.5L自然吸气发动机。这与日产这套混合动力系统的开发目标有很大的关系。

涡轮增压器的壳体部分有较大的热容量,发动机冷启动时,涡轮壳体会吸收大量废气热量,使得位于涡轮之后的三元催化器无法快速达到最适工作温度,尾气排放比较严重。采用机械增压技术使得排放控制变得更加容易。

日产2.5L QR25DER机械增压发动机的排气系统与2.5L QR25DE自然吸气发动机完全一致,没有了涡轮的阻隔,三元催化器能够布置在更靠近排气孔的位置,充分利用废气热能来让三元催化器快速升温至最适工作温度,从而降低尾气排放。此外,更高的排气系统零部件通用化率对降低发动机生产成本有利。

当然,机械增压发动机相比同排量的涡轮增压发动机,在最大动力输出性能上是有所不及的。这也是日产为这套动力系统加入电动机的原因。电动机的加入除了能在全力输出时弥补机械增压发动机动力上的不足,还可以在一般工况下实现动力辅助,让发动机尽量工作在经济油耗区,从而降低发动机油耗。

关于日产楼兰混合动力系统分析介绍

机械增压发动机相比同排量的涡轮增压发动机,虽然在最大动力输出性能上有所不及,但由曲轴通过皮带带动的机械增压器相比由废气驱动的涡轮增压器,在车辆起步时能更快建立足够高的增压压力,从而获得更好的起步加速响应。

从成本角度来看,采用涡轮增压技术的发动机要比采用机械增压技术的发动机稍高。涡轮增压系统更多、更长的空气管路是其成本偏高的主要原因。除此以外,由于机械增压器由曲轴通过皮带带动,相对于必须安装于排气口附近的涡轮增压器,在布置上更为灵活。

为降低机械增压器工作时产生的噪音,工程师采用了吸隔音材料对增压器进行了包裹。类似的措施在一些缸内直喷发动机的高压油轨和直喷喷嘴附件也能看到。

日产工程师在调研时发现,用户在实际驾驶时,发动机处于低转速、高负载的工况较多,这是涡轮增压系统最不擅长的工况,而恰恰是机械增压系统所擅长的地方。假设车辆低速滑行时发动机转速为1000rpm,驾驶员突然全油门想要提速变线超车,在不降挡的情况下,发动机处于低转速、高负载工况,机械增压发动机此时相比同排量涡轮增压发动机,能够提供更快的加速响应。此外,楼兰这套混合动力系统的电动机在上述工况下,可以通过其快速的动力输出响应来进一步优化车辆提速性能。

4为什么没有采用缸内直喷技术?

实际上,缸内直喷技术与涡轮增压技术是相伴而生的。上面也提到了,涡轮增压发动机在暖机工况时,由于涡轮对废气热量的吸收,使得三元催化器升温较慢,降低了其尾气净化效率。为了提升三元催化器升温速度以满足严格的排放法规,缸内直喷系统被配置到发动机之上。缸内直喷系统通过改变燃油喷射的时间,使未燃烧的碳氢化合物(HC)随着尾气到达三元催化器并燃烧,从而促进三元催化器升温,最终使暖机工况尾气排放达标。

2.5L QR25DER机械增压发动机采用的是多点电喷技术,燃油喷嘴把汽油喷射到进气歧管内与增压空气混合,混合气随后进入气缸燃烧。QR25DER发动机采用了可变压力燃油泵。随着转速和负载的提高,燃油泵产生的燃油压力也随之提高,增强汽油雾化水平,提升混合气燃烧效率,从而在增强动力输出的同时降低油耗。

关于日产楼兰混合动力系统分析介绍

既然日产选择的机械增压技术方案本身就能够满足排放指标,自然就无必要采用结构更复杂、成本更高的缸内直喷技术了。结合我们此前拆解的日产HR16DE发动机来看(点击查看文章),日产在动力总成设计上,并不热衷于采用业内最流行的技术,反而对如何降低动力系统复杂性、降低制造成本、提升可靠性及耐用性更为看重。这就是日产动力系统设计理念与其他厂商有所不同的地方。

5日产楼兰混合动力系统更多细节

日产楼兰混合动力系统锂电池容量仅为0.6kWh,小于混合动力凯美瑞的1.6kWh和混合动力雅阁的1.3kWh。这样的电池配置也反映了在日产这套混合动力系统中,电动机仅仅起到动力辅助作用,纯电动行驶并非其主要职责。

关于日产楼兰混合动力系统分析介绍

上图中我们可以看出,采用水冷式中冷器的发动机,进气温度波动比较小。车辆低速行驶时,由于迎面气流较弱,风冷式中冷器冷却效果较差,进气温度明显高于水冷式中冷器,只有车速提升以后,风冷式中冷器的冷却效果才会显现。水冷式中冷器在城市走走停停的环境下,可以有效降低进气温度,提升进气密度,保证发动机的动力输出。

关于日产楼兰混合动力系统分析介绍

楼兰混合动力车型除了带有一般发动机必须的水冷系统之外,还带有电动水泵的副冷却系统,为逆变器和水冷式中冷器实施冷却。

日产2.5L QR25DER发动机进排气侧都带有气门正时调节机构(简称“VVT”),可以调整进、排气开闭的时机。与一般的双VVT发动机不同,这款发动机的进气侧VVT多了一个中间位置锁止功能。在冷机启动时,发动机ECU会把进气侧VVT机构锁止在特定的中间位置,相当于进气侧VVT与凸轮轴硬连接,正时链条作用在进气侧VT齿轮上的力直接转换为凸轮轴转动的扭矩,从而让进气门关闭更加迅速,可以有效降低尾气中碳氢化合物HC的排放量。

当进气侧VVT机构解除锁止时,正时链条作用在进气侧VVT齿轮上的力会通过VVT内部油腔的机油进行传递,然后转化为凸轮轴转动的扭矩,传动效率比硬连接低,进气门关闭时不够“干脆”,从而导致更多油气混合气进入气缸。在发动机冷启动时,燃油雾化质量较差,更多混合不佳的油气混合气进入气缸燃烧便会导致尾气中碳氢化合物(HC)排放量的上升。

6全文总结

日产楼兰上的这套搭载2.5L机械增压发动机和单电动机的混合动力系统主要是用于取代旗下3.5L自然吸气发动机的,在保持动力表现持平的前提下进一步提升燃油经济性和排放水平。这套混合动力系统较好地融合了机械增压发动机和电动机的各自优势,低转速、高负载工况提速性能以及全工况的燃油经济性上相较旗下3.5L自然吸气发动机均有所改善。

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