豐田汽車公司在非混合動力ESTEC發(fā)動機上實現阿特金森循環(huán)

豐田汽車公司開發(fā)了應用阿特金森循環(huán)的非混合動力ESTEC發(fā)動機。具有高壓縮比的阿特金森循環(huán)是混合動力車用發(fā)動機提高熱效率的常用技術。采用高壓縮比的缺點是發(fā)動機的扭矩會降低，在混合動力車中，電動機轉矩補償了發(fā)動機扭矩的降低。然而，低負荷區(qū)的熱效率對傳統(tǒng)發(fā)動機來說更加重要。新型1.3LESTEC直列4缸汽油機（1NR-FKE）具有優(yōu)異的熱效率和燃油經濟性，其輸出功率達到73kW，具有高達38%的熱效率，與混合動力發(fā)動機的水平相當。此外，在低負荷區(qū)，ESTEC發(fā)動機在JC08工況下的燃油耗改善率可達11%。

ESTEC發(fā)動機結合幾何壓縮比為13.5的阿特金森循環(huán)與水冷卻廢氣再循環(huán)（EGR）系統(tǒng)。傳統(tǒng)的1NR-FE發(fā)動機壓縮比為11.5，采用內部EGR。電動可變氣門正時（VVT-iE）系統(tǒng)是實現阿特金森循環(huán)的關鍵因素，VVT-iE系統(tǒng)能快速而精確地控制進氣門相位，并且防止冷起動時機油溫度和壓力出現異常變化。

高效EGR冷卻器采用快速響應的EGR閥。進氣歧管、EGR冷卻器與EGR閥直接連接，以降低來自冷卻器的冷凝影響。具有高滾流效果和高進氣流量的進氣可以提高燃燒效率并有助于減少爆震。為了同時滿足性能和燃油經濟性要求，采用4-2-1排氣歧管設計，以減少剩余排氣燃燒。

發(fā)動機壓縮比提高到13.5，使扭矩從104N·m降至96N·m，為了恢復扭矩，豐田汽車公司改進了排氣歧管形狀，通過減少殘留廢氣，降低因提高壓縮比而導致升高的排氣溫度。采用新型冷卻水套，優(yōu)化氣缸表面溫度及噴油定時，改進后的排氣歧管可以大量回收廢氣熱量，使扭矩提升至105N·m。

在低負荷區(qū)，冷卻EGR系統(tǒng)會增加扭矩波動。為了解決這一問題，在低負荷區(qū)，提前排氣門正時，并采用內部EGR。在中高負荷區(qū)，延遲排氣門正時，并提前開啟EGR閥。

采用附加冷卻隔板的新型水套分隔裝置控制氣缸表面溫度，使缸內溫度上升更加迅速，同時使氣缸頂部和底部保持幾乎相同的溫度。因此，附加冷卻隔板的摩擦損失得以降低，發(fā)動機扭矩得以提升。