凱美瑞轎車發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)解讀

文：翁武泉

凱美瑞轎車發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)解讀

文：翁武泉

2015年1月上市的廣汽豐田凱美瑞轎車，搭載了6AR-FSE發(fā)動(dòng)機(jī)。該款發(fā)動(dòng)機(jī)的噴油系統(tǒng)采用了缸內(nèi)直噴+進(jìn)氣口噴射的形式，進(jìn)氣系統(tǒng)配備了廣角相位調(diào)整機(jī)構(gòu)。由于這2項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用，發(fā)動(dòng)機(jī)在未增加排氣量的情況下，動(dòng)力性能有了大幅度提升（圖1）。下面就針對(duì)這款發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行簡(jiǎn)要的介紹，希望讀者能夠借此對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的前沿技術(shù)有所了解。

1.噴油系統(tǒng)

豐田公司將缸內(nèi)直噴+進(jìn)氣口噴射的組合方式稱為D-4S 系統(tǒng)。 在該系統(tǒng)中，發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元通過(guò)測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣量，確定基本噴油量，然后再根據(jù)其他傳感器的信號(hào)，確定發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)。對(duì)于不同的工作狀態(tài)，2種噴油器的噴油相位和噴油量均不相同。噴油控制的目標(biāo)是，最大限度地優(yōu)化混合氣的燃燒。

（1）分層燃燒

混合氣的分層燃燒可以加速其燃燒過(guò)程，提高燃燒效率。發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)后，為了盡快實(shí)現(xiàn)分層燃燒，在排氣行程即將結(jié)束、進(jìn)氣門(mén)尚未開(kāi)啟時(shí)，便將燃油噴入進(jìn)氣口。這樣，當(dāng)進(jìn)氣門(mén)打開(kāi)時(shí)，已初步揮發(fā)的燃油便立即被吸入氣缸。此外，在壓縮行程將要結(jié)束時(shí)，缸內(nèi)噴油器還要噴射一部分燃油，這樣形成的分層混合氣，在火花塞附近區(qū)域比其他區(qū)域濃（圖2）。這可使點(diǎn)火提前角減小，從而提高廢氣溫度。廢氣溫度提高后，可快速加熱催化劑，并明顯改善尾氣排放性能。

（2）均質(zhì)燃燒

為了優(yōu)化混合氣的燃燒，在做功、排氣和進(jìn)氣行程中，發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元都會(huì)精確控制進(jìn)氣口噴油器的噴油量和噴油相位。此外，發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元也會(huì)在進(jìn)氣行程前期，控制缸內(nèi)噴油器的噴油量和噴油相位（圖3）。在車輛行駛中，發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元會(huì)結(jié)合或單獨(dú)使用2 種不同類型的噴油器，來(lái)產(chǎn)生最佳的均質(zhì)混合氣。這種噴油系統(tǒng)避免了單一缸內(nèi)直噴系統(tǒng)常見(jiàn)的顆粒物排放問(wèn)題。在車輛行駛中，噴油系統(tǒng)可利用噴射燃油的蒸發(fā)效應(yīng)，冷卻壓縮空氣，從而同時(shí)提高進(jìn)氣效率和輸出功率。

（3）怠速噴油

發(fā)動(dòng)機(jī)暖機(jī)后，怠速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，缸內(nèi)噴油器停止工作。在這種情況下，采用進(jìn)氣口噴油方式，保證混合氣的穩(wěn)定燃燒，從而使發(fā)動(dòng)機(jī)能夠非常安靜地運(yùn)轉(zhuǎn)。

（4）噴油扇面的優(yōu)化

D-4S廢止了老式缸內(nèi)直噴系統(tǒng)中所采用的渦流形成方式，進(jìn)氣端口改進(jìn)為高流量型（圖4），這種系統(tǒng)更能體現(xiàn)直噴的優(yōu)點(diǎn)。D-4S燃油噴射系統(tǒng)采用高壓?jiǎn)慰p噴嘴型噴油器，這種噴油器可使燃油更好地霧化，并使其擴(kuò)散至更廣的扇形區(qū)域內(nèi)。控制系統(tǒng)在最佳時(shí)刻將燃油噴入燃燒室，從而使燃油最大程度地與空氣混合。由于提高了燃油噴射的擴(kuò)散性，所以實(shí)現(xiàn)了均質(zhì)混合氣、高性能和高動(dòng)力輸出。

（5）噴油器的特點(diǎn)

缸內(nèi)噴油器的密封件采用了特氟隆材料，與缸蓋接觸部位使用隔振墊，以降低噴油器噪聲，并提高密封性能。進(jìn)氣口噴油器總成采用 O 形圈+擋圈方式，降低工作噪聲、提高靜音性能并確保緊固件的氣密性。此外，進(jìn)氣口噴油器還采用高霧化的12孔長(zhǎng)噴嘴。這樣，既優(yōu)化了進(jìn)氣口內(nèi)的氣流，又降低了燃油粘附量，從而提高了燃效并減少排放。

2種噴油器都對(duì)移動(dòng)部件和電磁線圈進(jìn)行了優(yōu)化（圖5），以實(shí)現(xiàn)燃油噴射量動(dòng)態(tài)范圍的擴(kuò)展和零件優(yōu)良的高溫性能，從而提高燃效并減少排放。

（6）高壓油軌

高壓油軌使用鑄鐵制成（圖6），油壓傳感器安裝在油軌總成上。噴油器和油壓傳感器與油軌的連接，采用金屬對(duì)金屬的密封連接，以確保行車安全。安裝缸內(nèi)噴油器的每個(gè)位置上都裝有卡箍，它們向噴油器施加恒定的彈簧力，可在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)期間油壓較低的狀態(tài)下，防止燃燒室氣壓施加在噴油器上的沖擊力使其移動(dòng)。這些卡箍在降低振動(dòng)和噪聲的同時(shí)，還提高了噴油器的密封性能。

（7）密封圈的安裝

在安裝缸內(nèi)噴油器的密封圈時(shí)，必須使用專用工具 SST。首先將帶有密封圈的護(hù)套裝在噴油器的噴頭上，然后用手指將密封圈向下推入噴油器的凹槽內(nèi)（圖7）。然后將 SST緩慢地滑到密封圈位置，并保持5 s以上，使已經(jīng)被撐大的密封圈恢復(fù)到原有的尺寸。最后檢查并確認(rèn)密封圈未劃傷、變形或從噴油器凹槽中凸出。

2.廣角可變氣門(mén)正時(shí)

新款發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣部分采用了智能廣角可變氣門(mén)正時(shí)系統(tǒng)，稱作VVT-iW；排氣部分仍然沿用傳統(tǒng)的可變正時(shí)系統(tǒng)VVT-i。采用這種搭配后，發(fā)動(dòng)機(jī)從低轉(zhuǎn)速至高轉(zhuǎn)速區(qū)域內(nèi)均實(shí)現(xiàn)了大扭矩輸出。

VVT-iW的執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用了中間相位鎖止技術(shù)，即在相位無(wú)需調(diào)整時(shí)，將進(jìn)氣凸輪軸保持在相位調(diào)整的0°位置。進(jìn)氣采用VVT-iW后，發(fā)動(dòng)機(jī)能夠在奧托和阿特金森循環(huán)之間靈活轉(zhuǎn)換。在低負(fù)荷時(shí)，進(jìn)氣門(mén)開(kāi)啟相位由0°～27°擴(kuò)大到-30°～50°（圖8），從而真正實(shí)現(xiàn)阿特金森循環(huán)，消除了泵氣損失；在較高的轉(zhuǎn)速下，發(fā)動(dòng)機(jī)可迅速返回到奧托循環(huán)，以增強(qiáng)動(dòng)力輸出。

（1）進(jìn)氣相位執(zhí)行機(jī)構(gòu)

該機(jī)構(gòu)采用了3 葉片式執(zhí)行器（圖9），通過(guò)減少腔室數(shù)量的方式，實(shí)現(xiàn)了廣角相位調(diào)整的目標(biāo)。執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用了2 個(gè)鎖銷，在相位調(diào)整指令為0°時(shí)，將轉(zhuǎn)子與鏈輪鎖定。實(shí)際上，相位執(zhí)行機(jī)構(gòu)在大部分時(shí)間內(nèi)，還是工作在相位調(diào)整的0°位置上的。將相位鎖止，可以減少發(fā)動(dòng)機(jī)的功耗和零件磨損。

執(zhí)行機(jī)構(gòu)使用了螺旋式回位彈簧，它一方面可以對(duì)轉(zhuǎn)子起到減振作用，另一方面，在轉(zhuǎn)子回零時(shí)，可以使2個(gè)鎖銷迅速對(duì)準(zhǔn)孔位。相位執(zhí)行機(jī)構(gòu)在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程中，能主動(dòng)提高進(jìn)氣效率，確保了起動(dòng)的順利。

（2）相位控制閥

相位控制閥安裝在鏈輪固定螺栓的內(nèi)部（圖10），這種方式縮短了控制油道的長(zhǎng)度，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)在低溫下的響應(yīng)特性。相位控制閥由電磁閥來(lái)控制，隨著閥芯在軸線上的位置變化，形成了控制相位執(zhí)行器轉(zhuǎn)子的控制油壓。相位控制閥同時(shí)實(shí)現(xiàn)了鎖銷控制和凸輪軸相位控制的功能。

3.水冷式廢氣再循環(huán)系統(tǒng)

為了提高排放控制的效果，同時(shí)也為了提高發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出扭矩，廢氣再循環(huán)系統(tǒng)采用了水冷方式（圖11）。發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣氣流經(jīng)過(guò)冷卻液的散熱后，回送到進(jìn)氣歧管。這樣一來(lái)，大大提高了氣體密度，從而改善了發(fā)動(dòng)機(jī)的整體性能。

4.發(fā)電機(jī)控制

此控制系統(tǒng)包括蓄電池傳感器、發(fā)電機(jī)總成、各種傳感器、開(kāi)關(guān)和發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元（圖12）。發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元根據(jù)各種傳感器的信號(hào)檢測(cè)車輛的行駛狀態(tài)，并根據(jù)來(lái)自發(fā)電機(jī)總成和蓄電池傳感器的信號(hào)來(lái)控制發(fā)電量。