《Nissan Sentra》仙草科技回顧(02)鏡面熔射汽缸壁、單汽缸雙噴油嘴

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關於上一篇Sentra新1.6升NA引擎科技報導,簡述Nissan特殊技術「鏡面熔射汽缸壁」有效提升燃燒室散熱效果,提升引擎壓縮比之後也不容易發生爆震現象。因台灣機車引擎很早就開始採用「陶瓷汽缸」,引擎汽缸壁鍍膜早已不是新鮮事稱不上是新科技,在此先說明二者之差異。

▲Nissan Sentra的1.6升引擎看似沒有渦輪或缸內直噴科技加持,但內部其實暗藏玄機!

機車的陶瓷汽缸乃是在汽缸壁鍍上一層碳化矽及鎳的高硬度複合鍍層,同樣可以取代傳統鑄鐵汽缸套,陶瓷汽缸鍍膜厚度通常在0.04~0.08mm之間,最高約可達0.12mm。但陶瓷汽缸鍍膜絕對不是越厚越耐用,相反的,陶瓷鍍膜太厚反而會出現鍍層剝落失去效用之問題,因此機車界的陶瓷汽缸能否完勝傳統缸套引擎,目前仍爭論不休,顯然陶瓷汽缸並沒有很厲害。

Nissan的鏡面熔射汽缸壁既非使用一般的陶瓷材料,也非應用機車界的鍍膜加工科技,其技術層次與「高階金屬3D列印」有關,厚度可達0.2mm,是陶瓷汽缸鍍膜厚度的2.5~5倍之多,強度與耐用度並非陶瓷汽缸科技所能比擬,所以二輪的陶瓷汽缸並沒有應用在汽車引擎。

Nissan的鏡面熔射技術率先應用在GT-R跑車的高增壓渦輪引擎,改裝界甚至將這具引擎調校至2000hp以上的馬力!因此各車廠都不敢輕忽Nissan的「鏡面熔射技術」,畢竟直線加速賽當中,顯少車輛能贏過GT-R!該引擎的性能極限亦是玩家津津樂道之事,因此罕有人質疑鏡面熔射汽缸壁的強度與耐用度。

為了讓讀者吸收更多新知,在此透露「鏡面熔射汽缸壁」之奧秘,技術層面乃是以等離子加熱方式(等離子即電漿),將氧化鈦、氧化鉻均勻堆積在汽缸壁上,再以金鋼石研磨成鏡面般的光滑程度。因相關設備越來越便宜,未來可望應用在渦輪增壓器、排氣管、進氣系統(厚度當然不需要達到汽缸壁的程度),強化工作效率與耐用度。

▲因相關設備價格越來越親民,體積也跟著縮減,未來會有更多引擎採用「鏡面熔射」科技,還可以應用在渦輪本體、排氣管、進氣系統,增進效能與耐用度。

仙草1.6引擎進氣結構與豐田Dynamic Force引擎相似

進入正題,有效提升引擎馬力與燃油經濟性最好的方法,就是提高壓縮比;提高壓縮比又要克服爆震問題有二帖良藥,處方一:強化引擎散熱性,也就是上一篇提到的「採用無汽缸套的鏡面熔射汽缸壁技術」。處方二:加速燃燒室內部的燃氣滾流效應,相關應用科技就是本篇的主角~雙噴油嘴。

討論雙噴油嘴系統之前必須先說明一個有趣的事情,那就是Nissan仙草所使用的「HR16DE Gen III引擎」的汽缸頭進氣系統設計,與Toyota的Dynamic Force引擎有某種程度的相似性,即RAV4與Corolla Sport所使用的引擎,同樣將進氣端拉直,皆具備順時針的燃氣滾流方向,改變了昔日「順時針+逆時針」衝突性的雙向設計,而且都具備加大尺寸的進氣汽門。

這究竟是萬流歸宗還是相互借鏡?這顯然不好說!但確定的是二者對於「加速燃氣滾流」同樣執著,顯然這也是提昇馬力+燃油經濟性的必經途徑,戲法人人會變、巧妙真的不同嗎?

▲仙草HR16DE Gen III直四引擎汽缸頭解剖圖,左邊進氣端又長又直,明顯與右邊的排氣端不同,而且可以明顯看到平行雙噴油嘴的結構。

▲此為豐田Dynamic Force引擎結構圖,左為舊引擎之設計,氣流方向較為紊亂,右為新引擎高速滾流設計,能強化燃燒效率,並且降低爆震發生機率。對照上下圖片之後,不難發現日產與豐田的進氣端設計思維非常類似。

雖然說HR16DE引擎和Dynamic Force引擎都有「雙噴射系統」,但結構、原理、設計、成本大不相同。Toyota的Dynamic Force引擎採用的是「缸內直噴+多點噴射」雙供油系統,HR16DE引擎則是以傳統多點噴射為基礎,將原有的「一個汽缸一隻噴油嘴」的設計,改變成「一個汽缸二隻平行噴油嘴」,完全沒有應用到缸內直噴科技。

既然都是在燃燒室外進行燃油噴射,為何要使用雙平行噴油嘴?是否有脫褲子放屁的感覺?其實不然!從單改為雙噴油嘴,每隻噴油嘴所需要的供油量大約減半,舒緩供油效率上的困難點,原廠可以設計出更細緻的噴油嘴造型,明顯增進燃油霧化效果,藉此提升燃燒效率。

此外,採用雙噴油嘴設計之後,燃油注入孔位置可以向進氣汽門方向挺進,與燃燒室距離更為接近,能進一步強化燃氣滾流速度,與Dynamic Force引擎的汽缸內部噴油嘴之功能有點類似,都是藉由燃油噴射之推力,加速燃氣滾流效應,此時又回到了戲法人人會變、巧妙各有不同之境界!

國產中型房車

排氣量

供油方式

缸徑×衝程

壓縮比

最大馬力

最大扭力

經濟部能源局平均油耗

大改款Nissan Sentra

1598c.c.

多點噴射

78.0×83.6mm

10.8:1

138hp/6300rpm

17.2kgm/4000rpm

17.7km/L

Hyundai Elantra

1591c.c.

多點噴射

77.0×85.4mm

10.5:1

128hp/6300rpm

15.8kgm/4850rpm

14.9km/L

Toyota Altis

1798c.c.

多點噴射

80.5×88.3mm

10.0:1

140hp/6400rpm

17.5kgm/4000rpm

15.6km/L

舊款Nissan Sentra

1798c.c.

多點噴射

79.7×90.1mm

9.9:1

131hp/6000rpm

17.8kgm/3600rpm

15.5km/L

Mitsubishi Grand Lancer

1798c.c.

多點噴射

86.2×77.4mm

10.7:1

140hp/6000rpm

17.9kgm/4200rpm

15.5km/L

科技歸科技、性能看實際!Sentra的改良版HR16DE Gen III引擎有有比自家小老弟Tiida更好嗎?看樣子是有的!不只是動力輸出更出色,油耗表現也更為出色,更何況Sentra 1.6的車重一定超過Tiida 1.6,但平均油耗成績依然出色,雖然說二者間最大的改變就是「提升壓縮比」,但整體燃燒效率則是有明顯的進步。

然而Nissan已經用盡全力了嗎?其實沒有!在不藉助缸內直噴科技的情況下,Nissan可以將引擎壓縮比提升至11.0:1以上的境界,只是在NOx排放標準越來越嚴苛的情況下,兼考量引擎耐用度、研發與製造成本、運轉噪音與平順性、全球各國汽油品質參差不齊等諸多情況,目前Nissan依然維持保守態勢,並沒有像Mazda、Toyota一樣,將一般市售引擎推向13:1~14:1超高壓縮比的境界發展。整體來看,日產的科技應用在一般引擎上,依然偏向保守態勢,能細數的家珍不如Mazda與Toyota那般豐富,但高端引擎就不是這樣!比如說液態鈉輔助散熱汽門、米勒循環設計、可變壓縮比引擎,後續將會有更豐富的報導。

▲左方為HR16DE引擎所使用的雙噴射系統,右方為傳統的噴射系統,燃油霧化效果有很大的差異。

▲左方為雙噴射系統的燃油實際霧化效果,明顯比右方傳統設計更為優異。

▲日產HR16DE Gen III具備可變進氣歧管,效能近似於圖中左方之設計,此圖為Audi引擎的結構設計,圖片來源為Audi官方網站。

【相關報導】 《Nissan Sentra》仙草科技回顧(02)鏡面熔射汽缸壁、單汽缸雙噴油嘴

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