豐田汽車公司的高熱效率、低燃油耗發(fā)動機
——1.2 L渦輪增壓直噴汽油機與新型1.5 L自然吸氣汽油機

【日】 山岡丈夫

產(chǎn) 品 介 紹

豐田汽車公司的高熱效率、低燃油耗發(fā)動機
——1.2 L渦輪增壓直噴汽油機與新型1.5 L自然吸氣汽油機

【日】 山岡丈夫

豐田汽車公司為配合車輛的款式更新?lián)Q代而研發(fā)了新一代汽油機，實現(xiàn)了頂級水平的高熱效率。介紹了1.2 L渦輪增壓直噴汽油機，以及新款1.5 L自然吸氣汽油機采用的相關(guān)技術(shù)。除了應(yīng)用其自主研發(fā)的混合動力技術(shù)之外，還應(yīng)用了改善燃燒的技術(shù)與降低各種損失的技術(shù)。

汽油機 燃油經(jīng)濟性 熱效率 降低損失 改善燃燒

0 前言

為配合車輛款式更新?lián)Q代，豐田汽車公司開發(fā)了新一代的汽油機，并開始陸續(xù)配裝于車輛上。新一代發(fā)動機相比傳統(tǒng)機型燃油耗降低10%以上，實現(xiàn)了頂級水平的最高熱效率。這種高熱效率、低燃油耗發(fā)動機系列可以大致劃分為小型增壓式汽油機與普通的自然吸氣式發(fā)動機。重視加速性能的車輛多使用渦輪增壓式發(fā)動機。

1 高熱效率、低燃油耗的通用技術(shù)

要提高汽油機的熱效率與改善燃油經(jīng)濟性，就需要增加有效壓力(如高壓縮比技術(shù))，以及降低各種損失。增加有效壓力可以通過改善燃燒實現(xiàn)，而降低各種損失則通過降低排氣損失、冷卻損失、泵氣損失和機械損失(摩擦損失)實現(xiàn)。增加有效壓力和降低各種損失可通用于汽油機上，同時增壓型發(fā)動機也是通用技術(shù)。

豐田汽車公司新一代發(fā)動機的改進燃燒技術(shù)應(yīng)用了快速燃燒與高壓縮比技術(shù)，在降低損失技術(shù)方面則主要采用降低泵氣損失與降低摩擦損失。

2 1.2 L渦輪增壓直噴汽油機

該汽油機采用直列4缸、雙頂置凸輪軸(DOHC)、渦輪增壓直噴，使用阿特金森循環(huán)，型號為8NR-FTS。圖1示出了新款發(fā)動機的外觀，表1則列出8NR-FTS發(fā)動機的主要技術(shù)規(guī)格，圖2示出了新款發(fā)動機性能曲線。這款汽油機排量為1.196 L，缸徑為71.5 mm，行程為74.5 mm。壓縮比采用作為渦輪增壓發(fā)動機的最高壓縮比10.0。由表1可知，雖然發(fā)動機的排量為1.2 L，但是具備的最大功率并不低于1.5 L自然吸氣式發(fā)動機，最大扭矩不低于1.8 L發(fā)動機。而且，從低轉(zhuǎn)速1 500 r/min到高轉(zhuǎn)速4 000 r/min的寬廣運行范圍內(nèi)可以平穩(wěn)地輸出大扭矩。在普通行駛的低轉(zhuǎn)速區(qū)域，具有相當(dāng)于2.0 L發(fā)動機的動力性能，該發(fā)動機配裝于小型改款的Dris車上，最大熱效率為36%，該車的燃油耗為19.4 km/L(JC08工況的燃油耗)與無級變速器(CVT)組合應(yīng)用，具備怠速起停功能。燃油采用指定的無鉛高級汽油。

圖1 配裝在新型Oris 120T車上的8NR-FTS型汽油機

項目參數(shù)排量/L1.196氣缸數(shù)與布置直列4缸、橫置燃燒室形狀屋脊型燃燒室氣門機構(gòu)雙頂置凸輪軸(DOHC)4氣門、鏈條驅(qū)動連續(xù)可變氣門正時機構(gòu)進氣側(cè):全智能可變氣門正時機構(gòu)(VVT-iW)排氣側(cè):智能可變氣門正時機構(gòu)(VVT-i)缸徑/mm71.5行程/mm74.5壓縮比10.0燃油系統(tǒng)直噴式D-4噴油器最高功率(有效)/(kW)85(5200～5600r/min)最大扭矩(有效)/(N·m)85(1500～4000r/min)

圖2 8NR-FTS型汽油機性能曲線圖

該1.2 L汽油機的渦輪增壓器(TC)為單渦殼式，與水冷并用，中冷器為水冷式(圖3)。廢氣閥直接將排放氣體引入催化轉(zhuǎn)化器中，為提高起動時的催化劑暖機性能，該閥設(shè)計成向下開啟式結(jié)構(gòu)，為防止波動現(xiàn)象，旁通閥采用電動式，內(nèi)置于TC機組中。圖4示出了中冷器結(jié)構(gòu)，冷卻通道內(nèi)增設(shè)內(nèi)部散熱片以提高冷卻效率。

圖3 8NR-FTS型發(fā)動機上采用的渦輪增壓器結(jié)構(gòu)圖

圖4 小型水冷式中間冷卻器結(jié)構(gòu)圖

TC與中間冷卻器用的冷卻系統(tǒng)和發(fā)動機用冷卻系統(tǒng)分別獨立設(shè)置，裝備專用的冷卻器與電動式水泵。為了確保制動加力器與TC廢氣閘門閥動作用的負壓，機械驅(qū)動式的真空泵裝備在氣缸蓋后端，真空泵由排氣側(cè)凸輪軸驅(qū)動。

2.1 改進燃燒技術(shù)

為了促進快速燃燒，增壓系統(tǒng)中追加強烈滾流技術(shù)。強滾流進氣道與活塞頂面形狀的最佳化可維持滾流的燃燒室，圖5示出了在加入了多次燃油噴射的快速燃燒技術(shù)的示意圖。

圖5 為促進快速燃燒的增壓技術(shù)與強滾流技術(shù)

該機型使用阿特金森循環(huán)，設(shè)定壓縮比為10.0。由于直噴技術(shù)的應(yīng)用(D-4T：直接噴射帶渦輪增壓的4行程汽油機)，可利用氣化燃油進行燃燒室的冷卻，利用強化了冷卻性能的水冷式中冷器進行增壓氣體的冷卻。這類技術(shù)也有利于填充效率的提高。

利用活塞噴射(機油噴嘴)對活塞進行強迫油冷，加上發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的高端化以提高燃燒室的冷卻性能(最佳冷卻)，這也是關(guān)鍵技術(shù)點。圖6示出了缸蓋截面與機體的水套結(jié)構(gòu)。由于水套形狀已優(yōu)化，除了降低燃燒室溫度外，可使氣缸間溫度的波動最小化。缸蓋內(nèi)的水套設(shè)計成上、下側(cè)結(jié)構(gòu)，下側(cè)要集中地流過冷卻水，燃燒室的冷卻得以加強。

圖6 耐熱性等優(yōu)異的樹脂制的機體水套隔板

排氣歧管內(nèi)置于缸蓋(一體式缸蓋技術(shù))，用缸蓋內(nèi)的水套冷卻(圖7)。由于冷卻排氣，降低了流入TC中的排氣溫度，在確保排氣系統(tǒng)的可靠性的同時，拓展理論空燃比的運行區(qū)域，當(dāng)然，也有益于發(fā)動機的緊湊化設(shè)計。

圖7 內(nèi)置于缸蓋組件中的排氣歧管

機體的各缸孔之間設(shè)置有銷孔的通道，以增強各缸孔間的冷卻。形狀已優(yōu)化的冷卻水套隔板，由于抑制水套中央部的水流，缸孔上部冷卻水的流速被加快。其結(jié)果表明，機體上部與缸孔間的冷卻效果提高，燃燒室溫度降低。另一方面，由于氣缸孔中央部位附近難以冷卻，所以缸孔壁面溫度上升，氣缸孔壁面溫度的波動變少，熱膨脹形成均勻狀態(tài)，同時，氣缸孔壁面附著的機油的粘度降低，氣缸與活塞間的摩擦阻力也減少。

2.2 降低損失

采用阿特金森循環(huán)降低泵氣損失等技術(shù)。阿特金森循環(huán)使用了設(shè)置于進氣側(cè)的VVT-iw控制器，用于控制進氣門的延遲關(guān)閉。排氣側(cè)則采用了VVT-i控制器，也用于控制排氣門的開啟、關(guān)閉正時。圖8表示進氣門、排氣門的正時控制范圍。排氣門、進氣門的控制器均為液壓葉片式(圖9)，進氣門采用3枚葉片式，排氣門則采用4枚葉片式。

圖8 進氣門、排氣門正時的控制范圍

圖9 VVT-iw控制器的結(jié)構(gòu)圖

機油控制閥(OCV)內(nèi)置于凸輪軸上固定葉片的凸輪軸正時傳動螺桿中，在結(jié)構(gòu)上能夠分別獨立地控制鎖銷的配合及解除，控制OCV閥門正時的提前角和滯后角。用于進行OCV閥正時控制的油路可以縮短，提高動作響應(yīng)性與低溫時的動作性能。

為確保發(fā)動機的起動性能，VVT-iw采用了中間鎖閉機構(gòu)。圖10表示VVT-iw的提前角與滯后角控制時控制器的動作狀態(tài)。根據(jù)發(fā)動機控制用計算機的信號，凸輪正時控制電磁部件動作，一旦OCV朝發(fā)動機前方移動，葉片朝提前角方向旋轉(zhuǎn)，因為葉片被固定在凸輪軸上，所以凸輪軸也同時向前提角方向旋轉(zhuǎn)。而發(fā)生滯后角時，控制用電磁部件與OCV形成與提前角時的動作相反，葉片與凸輪軸朝滯后角方向旋轉(zhuǎn)。而平衡時，OCV控制在中立位置。

圖10 VVT-iw控制器的動作示意圖

在滯后角動狀態(tài)下，當(dāng)發(fā)動機停止后轉(zhuǎn)動曲柄時，由于凸輪軸驅(qū)動時扭矩的變動，按照葉片中立位置，配合鎖銷，可確保起動性。圖11表示鎖銷的結(jié)構(gòu)與動作狀態(tài)。排氣側(cè)的動作也基本上與進氣側(cè)相同。排氣門采用封裝鈉(Na)的氣門，提高耐受高溫排氣的可靠性，TC也有利于降低泵氣損失。

圖11 VVT-iw控制器的鎖銷結(jié)構(gòu)圖

降低摩擦損失的主要技術(shù)內(nèi)容，如活塞裙部表面的改性處理、采用低摩擦鏈條、樹脂涂覆曲軸軸瓦、促進機體暖機系統(tǒng)、水套隔片及活塞(機油)噴射系統(tǒng)。

圖12表示活塞的結(jié)構(gòu)，對活塞裙部實施耐熱膠粘性優(yōu)異的表面處理與樹脂涂覆的工藝，確保降低摩擦阻力與耐受劃傷性(膠粘性)。第一道密封環(huán)槽采用偏置的耐蝕高鎳鑄鐵(C 3%，Ni 14%，Cu 6%，Cr 2%，Si 1.5%)制成的耐磨損環(huán)，縮小壓縮高度。

圖12 8NR-FTS型發(fā)動機的活塞結(jié)構(gòu)圖

低摩擦鏈條采用8 mm節(jié)距的單列滾子鏈條，鏈條張緊裝置滑塊與正時鏈條導(dǎo)承的滑履，采用降低摩擦效果和耐磨損性優(yōu)異的樹脂材料。

樹脂涂覆軸瓦是在軸瓦表面涂覆樹脂，使曲軸軸瓦的起動扭矩降低了約40%，并有在其他車上采用的實例。

機體暖機促進系統(tǒng)的冷卻裝置采用2個恒溫箱，這是提高冷卻性能與暖機性能的冷卻系統(tǒng)(圖13)，除了在進水口布置恒溫箱外，在機體外壁也布置了另一個恒溫箱。前者控制來自散熱器的冷卻水流量；后者則控制暖機中面向機體的冷卻水流量。前者的閥開啟溫度為80～84 ℃，后者為76～80 ℃。

圖13 8NR-FTS型汽油機的冷卻系統(tǒng)圖

后面的恒溫箱由于降低了暖機時流向機體的冷卻水流量，加快缸孔部位的暖機性，降低活塞與活塞環(huán)的滑動阻力。機體側(cè)的恒溫箱關(guān)閉時，要求缸蓋與機體的燃燒室周邊溫度不能過高，設(shè)置向缸蓋與機體直通的水路，優(yōu)化冷卻水的分配。水套隔片如前所述。

發(fā)動機的活塞噴射系統(tǒng)在冷卻水溫度低時，停止活塞的機油噴射，以減輕由于低溫起動時機油引起的燃油稀釋。同時，能加快活塞溫度上升，降低滑動阻力(圖14)。停止活塞噴射系統(tǒng)的機油噴射時，油壓開關(guān)閥(轉(zhuǎn)換閥)開啟，結(jié)果向安全閥背面供給油壓，面向活塞噴射系統(tǒng)的機油供給被切斷。

潤滑系統(tǒng)采用雙重油槽(機油孔)，分別設(shè)置2種系統(tǒng)：在機體內(nèi)設(shè)機油噴射用油道、曲軸軸頸用油道，以及發(fā)動機油位傳感器，一旦測出油位降低，則通過組合儀表的顯示，向用戶提供信息。

圖14 8NR-FTS型汽油機的活塞(機油)噴射控制系統(tǒng)動作圖

3 1.5 L汽油機

1.5 L汽油機為直列4缸DOHC自然吸氣機型，采用阿特金森循環(huán)，型式為2NR-FKE型。圖15示出了2NR-FKE型發(fā)動機的外觀，表2列出該型發(fā)動機的主要技術(shù)規(guī)格。發(fā)動機排量為1.496 L。缸徑為72.5 mm，行程為90.6 mm，壓縮比高達13.5，該汽油機配裝于Caroora車型上，最高熱效率38%，該車的燃油耗為23.4 km/L(JC08工況燃油耗+CVT組合應(yīng)用，帶有怠速起停系統(tǒng))。燃油用指定的無鉛標(biāo)準汽油。

圖15 新款Caroora系列車配裝的2NR-FKE型汽油機

項目參數(shù)排量/L1.496氣缸數(shù)與布置直列4缸、橫置燃燒室形狀屋脊型氣門配氣機構(gòu)DOHC、4氣門鏈條驅(qū)動連續(xù)可變氣門正時機構(gòu)進氣側(cè):VVT-iW;排氣側(cè):VVT-i進、排氣方式橫向氣流缸徑/mm72.5行程/mm90.6壓縮比13.5燃油系統(tǒng)缸內(nèi)直噴最高功率(有效)/kW80(6000r/min)最大扭矩(有效)/(N·m)136(4400r/min)

3.1 燃燒改良技術(shù)

為促進發(fā)動機的快速燃燒，利用產(chǎn)生強滾流的進氣道，以提高滾流比，圖16示出了氣缸蓋的結(jié)構(gòu)。由于進氣疲乏形狀優(yōu)化，在不降低流量系數(shù)前提下，提高滾流比。其結(jié)構(gòu)表明，可在低轉(zhuǎn)速、高負荷工況下實現(xiàn)低燃油耗。采用傾斜擠氣技術(shù)，由于使擠氣區(qū)傾斜，可改善氣門周邊的遮蔽性，力求增加進氣量，以提高燃燒后期的燃燒速度。

圖16 2NR-FKE型汽油機的氣缸蓋結(jié)構(gòu)

可實現(xiàn)高壓縮比的技術(shù)是利用大流量冷卻廢氣再循環(huán)技術(shù)(EGR)，以及改善冷卻系統(tǒng)等。大流量EGR是可以提高滾流比的技術(shù)，圖17示出了EGR系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，采用由高速步進電機驅(qū)動的EGR閥，擴大EGR的直徑，同時并用EGR冷卻器，可實現(xiàn)EGR氣體的大流量化，并將進氣歧管上的EGR引入部分做成階梯狀，促進EGR廢氣平均分配到各氣缸中。

圖17 2NR-FKE型發(fā)動機上采用的EGR閥周邊部件

冷卻系統(tǒng)的改善，首先采用新結(jié)構(gòu)的冷卻水套隔片(圖18)，水套隔片用不銹鋼制成，在缸孔側(cè)粘貼發(fā)泡橡膠。能夠使水套內(nèi)的冷卻水流動優(yōu)化，提高燃燒室的冷卻性能，提高抗爆燃性能，而且，由于利用彈簧使發(fā)泡橡膠貼于缸孔壁面，使缸孔壁面溫度均勻分布，因而能抑制缸孔變形，因此，可降低活塞與氣缸間的摩擦阻力。燃燒室冷卻性能的提高，也有利于確?；鸹ㄈ菁y部與排氣道之間的水套冷卻，這是通過采用加長型火花塞來實現(xiàn)的。

圖18 2NR-FKE型汽油機的水套隔板結(jié)構(gòu)

該機型還提高了各燃燒室容積的精度，降低壓縮比的波動，以及采用4-2-1排氣歧管技術(shù)，由于管道長度均等，也可提高排氣效率，有利于提高壓縮比。

3.2 降低損失

降低泵氣損失主要通過采用阿特金森循環(huán)及大流量EGR技術(shù)來實現(xiàn)。

阿特金森循環(huán)在進氣側(cè)采用雙VVT-i或采用電機驅(qū)動智能可變氣門正時機構(gòu)(VVT-iE)的進氣門延遲關(guān)閉控制技術(shù)，圖19表示利用雙VVT-i以進行氣門正時的動作范圍。

圖19 雙VVT-i的氣門正時機構(gòu)動作范圍

VVT-iE利用電機驅(qū)動式凸輪正時控制電動機部件，通過凸輪軸控制執(zhí)行器(作動器)，使凸輪軸相位可變的方式。不受油壓的影響，從發(fā)動機的超低轉(zhuǎn)速起動即可進行氣門正時控制。由于在部分負荷行駛工況下形成最滯后角，以實現(xiàn)阿特金森循環(huán)。由于利用VVT-iE拓展控制區(qū)域，冷機起動時，在提前角側(cè)控制氣門正時，以提高起動性能。暖機后，由于朝滯后角側(cè)進行控制，防止起動時的提前點火。

圖20表示該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。使控制電動機的旋轉(zhuǎn)減速，使進氣凸輪軸的相位可變的凸輪軸控制執(zhí)行器(凸輪軸正時齒輪部件)設(shè)計成復(fù)式擺線減速機構(gòu)(圖21)。偏收輪相對于凸輪軸偏心設(shè)置，并與圓形的鏈輪配合，該鏈輪比行星齒輪大齒輪齒數(shù)多1個，而行星齒輪小齒輪比凸輪軸齒輪齒數(shù)少1個。因而，行星齒輪借助偏心軸的偏心運動，一邊旋轉(zhuǎn)一邊與鏈輪及凸輪軸齒輪嚙合。如果遵照控制電動機偏心軸旋轉(zhuǎn)1周，則行星齒輪一邊與鏈輪嚙合，一邊只旋轉(zhuǎn)1個齒，因而，利用鏈輪、行星齒輪及凸輪軸齒輪進行減速旋轉(zhuǎn)，可使凸輪軸齒輪工作，使進氣凸輪軸旋轉(zhuǎn)。

圖20 VVT-iE的凸輪軸控制執(zhí)行器(作動器)結(jié)構(gòu)

圖21 VVT-iE的凸輪軸控制執(zhí)行器(作動器)的減速機構(gòu)

圖22表示提前角控制時的動作示意圖。電動機以比凸輪軸快的速度旋轉(zhuǎn)。其結(jié)果表明，通過減速機構(gòu)，凸輪軸齒輪朝提前角方向旋轉(zhuǎn)，固定在該齒輪上的進氣凸輪軸向提前角方向旋轉(zhuǎn)。

圖22 VVT-iE的凸輪軸控制執(zhí)行器提前角時的動作示意圖

滯后角控制時，電動機以比凸輪軸慢的速度旋轉(zhuǎn)。其結(jié)果通過減速機構(gòu)，凸輪軸齒輪向滯后角方向旋轉(zhuǎn)，固定在該齒輪上的進氣凸輪軸朝滯后角側(cè)旋轉(zhuǎn)。

如果電動機采用與凸輪軸相同速度旋轉(zhuǎn)，則既不是提前角狀態(tài)，也不是滯后角狀態(tài)，也就是說規(guī)定在任意的位置保持氣門正時。電動機利用發(fā)動機控制用計算機進行控制，隨著凸輪軸的旋轉(zhuǎn)速度不同，相對于凸輪軸實現(xiàn)正向旋轉(zhuǎn)或反向旋轉(zhuǎn)。排氣側(cè)的VVT-i為4塊葉片型的油壓、葉片結(jié)構(gòu)。

降低摩擦損失的主要技術(shù)內(nèi)容中，包括活塞裙部表面改性處理、低摩擦鏈條的應(yīng)用、曲軸用軸瓦的樹脂涂層技術(shù)、新結(jié)構(gòu)的水套隔片的應(yīng)用，以及降低彎曲損失的輔機皮帶等。

關(guān)于活塞裙部表面改性處理，低摩擦鏈條應(yīng)用，曲軸軸瓦的涂層處理技術(shù)與之前所述的1～2 L渦輪增壓直接發(fā)動機基本上相同。新結(jié)構(gòu)的水套隔板在采用高壓縮比技術(shù)中已做了介紹。

降低彎曲損失輔機用皮帶是通過芯線及橡膠材料與形狀的改善，設(shè)計成容易彎曲的皮帶，以降低動力傳遞時的彎曲損失，在其他車型上也已采用。

彭惠民 譯自 自動車工學(xué)， 2015， 7

何丹妮 編輯

2016-05-05)