基于豐田新全球架構(gòu)TNGA理念開發(fā)的新直列4缸2．0L直噴汽油機

【日】 K．YAMAJI M．TOMIMATSU I．TAKAGI A．HIGUCHI T．YOSHIDA E．MURASE

0 前言

節(jié)能和全球環(huán)境變化對汽車動力總成提出了更高的要求。為了滿足這些要求，動力總成要更加多元化，如實現(xiàn)電動化和采用燃料電池。這些新技術(shù)雖至關(guān)重要，但內(nèi)燃機仍會占據(jù)重要地位。因此，內(nèi)燃機要進一步改善燃油經(jīng)濟性并滿足排放法規(guī)要求。另外，為體現(xiàn)“駕駛樂趣”理念，要在高性能和高熱效率之間找到平衡點。為實現(xiàn)上述兩個相互對立的目標(biāo)，改進了發(fā)動機基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，從而實現(xiàn)了快速燃燒，使這兩個目標(biāo)都達到了較高水平。已經(jīng)開發(fā)的2．5L發(fā)動機是豐田新全球架構(gòu)（TNGA）系列發(fā)動機之一，其搭載在2018款凱美瑞（Camry）車型上。

新2．0L發(fā)動機應(yīng)用了基于TNGA理念的快速燃燒技術(shù)。在開發(fā)過程中，建立了燃燒設(shè)計的方法，從而使不同排量發(fā)動機實現(xiàn)快速燃燒成為可能。同時，噴油器噴孔設(shè)計的改進抑制了排量減小帶來的燃油濕壁惡化。此外，匹配新開發(fā)的無級變速器（CVT），動力性和燃油經(jīng)濟性得以平衡并達到較高水平。

1 發(fā)動機目標(biāo)

圖1示出了C級車的動力性和燃油經(jīng)濟性趨勢。頂級水平的燃油經(jīng)濟性兼具動力性是開發(fā)新車型的重要目標(biāo)。另外，在提高全油門起步加速性能的同時也要兼顧全油門30～50mile／h①為了符合原著本意，本文仍沿用原著中的非法定單位——編注。的加速性能。

圖1 0～60mile·h－1加速時間和綜合油耗的關(guān)系

圖2 示出了熱效率和升功率的未來趨勢。熱效率和升功率之間相互對立，需要權(quán)衡利弊。量產(chǎn)的混合動力車型用發(fā)動機最大熱效率達到40%，升功率約為40kW／L。2017款凱美瑞車型上搭載的基于TNGA理念開發(fā)的2．5L發(fā)動機突破了該平衡點，傳統(tǒng)發(fā)動機熱效率達到40%，升功率超過60kW／L；混合動力發(fā)動機熱效率達到41%，升功率超過52kW／L。熱效率居業(yè)界之首。新開發(fā)的2．0L發(fā)動機也應(yīng)用了TNGA設(shè)計理念。2．0L傳統(tǒng)發(fā)動機的目標(biāo)是熱效率達到40%，升功率超過62kW／L，這一目標(biāo)突破了2．5 L發(fā)動機的平衡點。如此高的升功率滿足了車輛的動力性要求，在業(yè)界處于頂級水平，從而使其他車型也可以搭載此發(fā)動機。

圖2 最大熱效率和最大升功率的關(guān)系及新發(fā)動機的目標(biāo)

2 TNGA模塊化設(shè)計理念

2．1 燃燒理念

如圖3所示，TNGA發(fā)動機的基本理念是豐田公司開發(fā)的快速燃燒?？焖偃紵膽?yīng)用突破了熱效率和升功率的平衡點。在熱效率方面，快速燃燒使廢氣再循環(huán)（EGR）率限值得以擴大，泵氣損失和冷卻損失得以降低，同時也降低了爆燃傾向。對于升功率，快速燃燒抑制了未燃燒燃料的低溫氧化反應(yīng)，解決了爆燃問題，從而提高了發(fā)動機性能。

圖4示出了先前開發(fā)的發(fā)動機系列所采用的不同技術(shù)和基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。每款發(fā)動機的開發(fā)流程不盡相同，對于TNGA系列發(fā)動機，設(shè)計之初就對基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)進行改進，以達到更高目標(biāo)，最終實現(xiàn)高效燃燒。此外，大幅提高不同排量模塊之間共用基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的潛力有助于實現(xiàn)高效開發(fā)。

2．2 燃燒設(shè)計

圖3 TNGA燃燒理念

圖4 豐田汽車的平臺化理念

湍流強度和燃燒速度之間有很強的關(guān)聯(lián)性。為了實現(xiàn)快速燃燒，確定湍流強度至關(guān)重要。對基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)中影響湍流強度這一發(fā)動機物理指標(biāo)的主要發(fā)動機參數(shù)進行改進。首先，研究了湍流強度的影響因素。圖5示出了影響缸內(nèi)瞬時滾流比和湍流強度的燃燒參數(shù)及缸內(nèi)流動特性。

圖6示出了利用滾流比預(yù)測湍流強度的傳統(tǒng)方法和1種新方法。若只考慮滾流比，湍流強度與其密切相關(guān)，預(yù)測精度大約為±0．23m／s。相比之下，使用新預(yù)測方法，利用圖7示出的影響燃燒的發(fā)動機參數(shù)，預(yù)測精度可以提高到±0．06m／s。利用這種新設(shè)計方法，不同排量模塊可以實現(xiàn)相同燃燒。

圖6 湍流強度預(yù)測精度對比

圖7 平臺化設(shè)計的主要基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)

進氣行程中進氣流使瞬時滾流達到峰值A(chǔ)之后，隨著滾流的形成，壓縮行程中瞬時滾流比達到峰值B，隨著活塞繼續(xù)向上止點運動，瞬時滾流比隨之降低。對于湍流強度，在瞬時滾流達到峰值B后，隨著活塞繼續(xù)向上運動，滾流氣流被壓縮、擠壓轉(zhuǎn)化成湍流，隨后達到峰值C。緊接著，在壓縮上止點時降為D。D點的值與A點到C點的值密切相關(guān)?；谇捌诘脑囼?，以及一維和三維計算流體力學(xué)（CFD）分析結(jié)果，A點到C點的值由6個基本發(fā)動機參數(shù)決定（圖7）?；谛谐谈讖奖龋⊿／B）、氣道和活塞形狀等基本發(fā)動機參數(shù)對燃燒的影響，可以推斷A點到C點的值，從而確定影響D點目標(biāo)值的發(fā)動機參數(shù)。

發(fā)動機排量由2．5L變?yōu)?．0L，單缸排量也隨之由625mL變?yōu)?00mL。圖8示出了不同排量發(fā)動機的燃燒特性。X軸表示缸孔直徑與湍流強度比值，其與Y軸表示的燃燒速度密切相關(guān)。為了達到相同的燃燒效果，根據(jù)缸孔直徑重新設(shè)計湍流強度至關(guān)重要。利用上文提及的新設(shè)計方法設(shè)計發(fā)動機，使得缸孔直徑與湍流強度比值與625mL模塊相當(dāng)。發(fā)動機基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，如行程缸徑比和氣門及氣門夾角，與625mL模塊保持一致。目標(biāo)缸孔直徑與湍流強度比值通過設(shè)計燃燒參數(shù)，如滾流比得以實現(xiàn)。

圖8 10%～90%燃燒持續(xù)期和缸孔直徑與湍流強度比值的關(guān)系

除了實現(xiàn)快速燃燒，TNGA系列發(fā)動機也要有更高的動力輸出。為了突破這種平衡，改進了進氣道設(shè)計方法并優(yōu)化了進氣道形狀。圖9示出了進氣道特性和主要參數(shù)之間的關(guān)系。圖9（a）在氣道喉口橫截面積（St）相同的情況下，滾流比隨著喉口高度降低而增加。流量系數(shù)與喉口橫截面積密切相關(guān)，在相同流量系數(shù)下，喉口橫截面積變小，有達到更高滾流比的潛力。通過改進這些進氣道參數(shù)，可以設(shè)計出達到目標(biāo)滾流比和流量系數(shù)的進氣道。如果排量不同、行程缸徑比相同，則氣門直徑應(yīng)與缸孔直徑成比例關(guān)系，當(dāng)進氣門面積（Sv／St），喉口高度（H）和喉口處進氣道角度為定值時，不同排量的滾流比和流量系數(shù)亦相同。利用這些參數(shù)和共軛矩陣方法對進氣道進行優(yōu)化。

圖9 進氣道參數(shù)對滾流比和流量系數(shù)的影響

相較于傳統(tǒng)進氣道，優(yōu)化后的進氣道喉口高度降低，不能采用壓配式氣門座。TNGA系列發(fā)動機采用了新開發(fā)的激光熔覆氣門座。圖10示出了壓配式氣門座和激光熔覆氣門座的對比。

圖10 壓配式氣門座和激光熔覆氣門座的對比

圖11 示出了單缸排量625mL模塊和500mL模塊進氣流的對比。500mL模塊的進氣流直線化和屋脊型燃燒室抑制了逆向滾流的形成。

圖11 單缸排量625mL模塊和500mL模塊進氣流的對比

圖12 示出了應(yīng)用新燃燒方法設(shè)計的發(fā)動機的燃燒速度。新設(shè)計方法使不同排量模塊的放熱率波形基本相同。

圖12 單缸排量625mL和500mL模塊放熱率的對比

3 新2．0L發(fā)動機設(shè)計

3．1 進氣道設(shè)計

對于傳統(tǒng)發(fā)動機，發(fā)動機動力輸出對滿足動力性要求至關(guān)重要?；旌蟿恿Πl(fā)動機在電機輔助下可以輸出強勁動力。另一方面，發(fā)動機可以常在爆燃線附近的高效區(qū)運行。為此，利用外部EGR降低泵氣損失和擴大最佳點火提前角（MBT）可以有效提高動力性。加強湍流對提高EGR率至關(guān)重要。在基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)不變的情況下設(shè)計了兩種進氣道以滿足新2．0L發(fā)動機對進氣道性能的諸多要求。表1示出了新2．0L發(fā)動機的開發(fā)目標(biāo)，圖13示出了進氣道性能。傳統(tǒng)發(fā)動機采用新型激光熔覆氣門座的進氣道，在流量系數(shù)相同的情況下，滾流比是現(xiàn)有進氣道的2．7倍。

表1 新2．0L發(fā)動機開發(fā)目標(biāo)

圖13 進氣道性能

3．2 排氣道設(shè)計

新2．0L發(fā)動機對升功率要求更高，除了通過優(yōu)化進氣道形狀來提高充氣效率和燃燒效率外，對排氣道形狀也進行了優(yōu)化。

圖14 兩種排氣道在不同壓差下的CFD分析結(jié)果

圖14 示出了兩種排氣道的CFD分析結(jié)果，圖15示出了排氣道流量系數(shù)測試結(jié)果。從圖15可以看出，在低壓差（背壓）情況下，兩種排氣道結(jié)果無明顯差異，而在高壓差（背壓）情況下，排氣道B流量系數(shù)高于排氣道A。CFD分析結(jié)果表明排氣道形狀優(yōu)化使得氣流分離得以改善，有效橫截面積得以擴大。如圖16所示，發(fā)動機高速運轉(zhuǎn)時排氣泵損失減小，發(fā)動機性能得以提升。

圖15 排氣道流量系數(shù)的對比

圖16 優(yōu)化排氣道設(shè)計降低排氣泵氣損失

3．3 新2．0L發(fā)動機參數(shù)

圖17 示出了新TNGA 2．0L直列4缸發(fā)動機。表2示出了新2．0L發(fā)動機和現(xiàn)有1．8L發(fā)動機參數(shù)。

圖17 新TNGA 2．0L直列4缸發(fā)動機

3．4 發(fā)動機零部件運行策略

圖18 （a）示出了典型車輛行駛模式下的發(fā)動機運行點以及每個運行區(qū)域應(yīng)對燃油經(jīng)濟性的優(yōu)化策略。傳統(tǒng)發(fā)動機主要在低、中負荷下運行。這些區(qū)域有明顯的節(jié)流，因此降低泵氣損失非常重要。TNGA系列發(fā)動機低負荷時采用增強型阿特金森循環(huán)，中負荷時加大氣門重疊及提高EGR率以降低泵氣損失。同時，高負荷時采用高EGR率以減輕爆燃。圖18（b）示出了各零部件的控制策略。根據(jù)行駛工況控制D－4S噴射、電機驅(qū)動水泵／電動水泵、機油壓力、可變氣門正時（VVT）和EGR率以提高燃油經(jīng)濟性。在TNGA系列發(fā)動機中，不同排量發(fā)動機采用快速燃燒理念要求對運行策略進行標(biāo)準(zhǔn)化控制，同時對運行策略進行優(yōu)化以保證發(fā)動機更加高效地運行。

表2 發(fā)動機參數(shù)對比

圖18 車載發(fā)動機運行區(qū)域及提高燃油經(jīng)濟性的零部件運行策略

3．5 新2．0L發(fā)動機熱效率和外特性性能

圖19 示出了新2．0L發(fā)動機和現(xiàn)有1．8L發(fā)動機的熱效率MAP圖對比。發(fā)動機負荷越高，摩擦比越低，因為爆燃降低了燃燒效率，所以最大熱效率點出現(xiàn)在爆燃線附近。對于直噴發(fā)動機來說，最大熱效率點一般出現(xiàn)在BMEP 0．7～0．8MPa范圍內(nèi)。與現(xiàn)有發(fā)動機相比，隨著發(fā)動機排量增加，輸出相同扭矩時意味著發(fā)動機負荷變低。這就是說離開了發(fā)動機高效率區(qū)域，燃油經(jīng)濟性也隨之變差。然而，新2．0L發(fā)動機采用了快速燃燒，具有較高的燃燒抗爆性，傳統(tǒng)發(fā)動機的最大熱效率得以向部分負荷擴大。如此，傳統(tǒng)發(fā)動機的最大熱效率達到40%。同時，如圖20所示，全轉(zhuǎn)速范圍的外特性扭矩都得以提高，升功率達到62．5kW，高于 TNGA 2．5L發(fā)動機。

圖19 熱效率MAP圖對比

圖20 外特性性能對比

3．6 車輛性能

在新款車型中，通過搭載新開發(fā)的CVT變速器和新2．0L發(fā)動機，速比范圍得以擴大，變速器效率得以提高。如圖21所示，與現(xiàn)有CVT相比，車輛可以在高負荷工況運行，從而提高發(fā)動機高效率區(qū)域的利用率。如圖22所示，在典型車輛行駛模式下平均熱效率有明顯提高。同時，基于更高的發(fā)動機性能輸出和超低速齒輪（超大傳動比）使得0～60mile／h起步加速時間縮短7%以上。

圖21 匹配現(xiàn)有CVT和新開發(fā)CVT的車上發(fā)動機運行線對比

圖22 車上熱效率和0～60mile／h起步加速時間對比

4 降低排放技術(shù)

4．1 優(yōu)化直噴噴霧

如前文所述，基于TNGA燃燒設(shè)計理念，新2．0L發(fā)動機沿用TNGA其他排量（2．5L）的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)和零部件。燃燒系統(tǒng)采用兼具缸內(nèi)直噴和氣道噴射的D－4S系統(tǒng)、多孔錐形布局的直噴噴油器、新型噴孔布局的氣道噴油器，專為TNGA系列發(fā)動機開發(fā)，這是首次應(yīng)用在新2．0L發(fā)動機上。然而，缸孔直徑減小勢必會惡化燃油濕壁，為此優(yōu)化了直噴噴霧狀態(tài)。

圖23示出了2．0L發(fā)動機缸內(nèi)燃油濕壁分析結(jié)果，其噴孔布局與2．5L發(fā)動機噴孔布局相同。Y軸表示基于總噴油量的燃油濕壁率。不管噴油正時如何，燃油濕壁出現(xiàn)惡化現(xiàn)象。如圖24所示，缸孔燃油濕壁惡化是2．0L發(fā)動機的缸孔直徑減小所致。燃油濕壁惡化帶來排放惡化和顆粒物（PM）增加，同時爆燃惡化影響了外特性性能。

圖23 不同排量模塊的噴油時刻－燃油濕壁指數(shù)對比

圖24 不同排量模塊的燃油濕壁CFD分析對比

此外，如圖25所示，幾何學(xué)上噴孔距離缸孔越近，則缸孔濕壁加?。ò磶缀螌W(xué)原理，缸孔直徑減小意味著噴孔距離缸孔越近，從而使缸孔濕壁加?。＿@就需要相應(yīng)降低噴孔的噴霧貫穿距。

圖25 燃油濕壁CFD分析以及噴霧和缸孔的關(guān)系

通常為了降低貫穿距而需減小噴孔直徑，即減小噴孔直徑會使流量降低，從而達到降低貫穿距的效果。然而，為了保證總噴油量不變，需要擴大其他噴孔直徑。圖26示出了噴霧分析結(jié)果。當(dāng)每個噴孔的噴油量都不相同時，大噴油量噴孔的噴霧會影響周圍噴孔的噴霧，從而增加了貫穿距。另外，由于每個噴孔的噴油量都不同，噴孔上積炭的剝落力也隨之改變。因此，控制噴孔老化也是一項極具挑戰(zhàn)性的任務(wù)。

圖26 噴孔直徑的影響

另一方面，錐形多孔直噴噴油器的噴孔是外開錐形的，噴孔入口的分離或?qū)Я鲾U大了與錐形表面緊密相連的流量從而有利于實現(xiàn)霧化。圖27示出了基于噴霧特性和考慮噴孔錐角在內(nèi)的油膜厚度分析結(jié)果的液態(tài)油膜厚度CFD預(yù)測結(jié)果。隨著錐角擴大，油膜厚度減小。因此，霧化效果的改善證實了控制噴霧貫穿度的可行性。在實際噴霧布局中，錐角越大濕壁現(xiàn)象越明顯。

圖27 噴孔錐角對噴霧貫穿度的影響

圖28 示出了相同噴孔布局但噴孔錐角不同的平板噴霧附著結(jié)果。擴大錐角對改善霧化有效，這是由于噴孔錐角擴大導(dǎo)致噴霧相互影響從而改善了霧化。

圖28 噴孔錐角的影響

為了避免噴霧的相互影響，只對噴霧貫穿距有要求的噴孔擴大錐角，同時，優(yōu)化噴孔布局以確保每束噴霧之間有合理的間隙。圖29示出了優(yōu)化前后的噴霧分析結(jié)果。噴霧照片和平板噴霧附著結(jié)果表明，錐角擴大使噴孔噴霧貫穿度變小，同時與優(yōu)化前相比，噴霧附著量有所降低。從圖30示出的CFD分析結(jié)果可以看出，優(yōu)化后的噴霧降低了缸孔濕壁指數(shù)。

圖31 示出了臺架上典型工況下冷起動試驗的顆粒數(shù)（PN）測試結(jié)果。保證噴油時刻相同的情況下，PN減少量最大達到了80%。另外，噴射時刻的靈活性得以擴大。

最后是實車上的PN測試結(jié)果。在典型的冷起動行駛工況下，即PN排放最高的冷起動急加速工況下，PN降低達10%以上。

圖30 燃油濕壁CFD分析對比

圖31 不同噴油時刻的PN排放表現(xiàn)

5 駕駛樂趣

全油門加速時間是評價車輛動力性能的重要指標(biāo)之一。同時，在日常駕駛時，主觀感受如加速感、平順性和直觀感受要滿足駕駛舒適性和駕駛樂趣的要求。這款發(fā)動機可以與手動變速器和新開發(fā)的CVT變速器匹配后搭載在緊湊型轎車上。

新開發(fā)的CVT變速器運行范圍寬廣且效率高，在滿足直觀加速感受和平順性要求的同時，也改善了燃油經(jīng)濟性、加速性和安靜性。新開發(fā)的CVT變速器，不僅沿用了現(xiàn)有帶輪和皮帶的動力傳遞模式，同時增加了用于起步和低速行駛的齒輪傳遞裝置，高效的齒輪傳遞模式運用在低速檔側(cè)，而在起步和全力急加速時切換為皮帶換檔模式。新2．0L發(fā)動機持續(xù)到高轉(zhuǎn)速的大扭矩特性得以最大限度地發(fā)揮，從而實現(xiàn)強勁加速。圖32示出了相對于現(xiàn)款車型和競品車型全油門加速時車輛加速度G的起步加速表現(xiàn)。對于小型化渦輪增壓競品車型，其帶來的直觀加速感受和快速響應(yīng)達到了與自然吸氣發(fā)動機相媲美的水平，起步時采用齒輪驅(qū)動。

圖32 全油門加速時的車輛加速度G表現(xiàn)對比

此外，為了表現(xiàn)出良好的日常駕駛感，開發(fā)過程中重點關(guān)注了“線性”輸出（速度／驅(qū)動力／發(fā)動機聲音與車速變化和油門踏板開度的關(guān)系）。圖33示出了全油門加速時的車輛加速度G，齒輪驅(qū)動切換到皮帶驅(qū)動，以及隨后皮帶驅(qū)動帶來的加速表現(xiàn)。切換到皮帶驅(qū)動模式，與手動換檔類似，換檔更有規(guī)律性。

圖33 全油門加速時齒輪驅(qū)動切換到皮帶驅(qū)動的表現(xiàn)

圖34 示出了在40km／h穩(wěn)態(tài)行駛下急加速時新開發(fā)車型和現(xiàn)款車型的加速度G表現(xiàn)對比。通過優(yōu)化驅(qū)動力特性和換檔控制以及運行區(qū)域，踩下油門踏板后的加速度呈線性上升，同時改善了加速遲滯效應(yīng)。新款車型的直觀感受更明顯。

圖34 急加速時的車輛加速度表現(xiàn)對比

6 結(jié)語

基于TNGA理念和新燃燒設(shè)計方法，開發(fā)出了新2．0L發(fā)動機樣機，并取得了以下研究成果：

（1）采用新燃燒設(shè)計方法對影響湍流強度的基本發(fā)動機參數(shù)進行優(yōu)化，不同排量模塊的缸孔直徑與湍流強度比值得以統(tǒng)一，從而實現(xiàn)了相同燃燒過程。

（2）快速燃燒的開發(fā)和進氣道、排氣道形狀的優(yōu)化實現(xiàn)了傳統(tǒng)發(fā)動機升功率62．5kW和熱效率40%的目標(biāo)。

（3）通過優(yōu)化諸多行駛工況下的發(fā)動機控制策略使高效率區(qū)域擴大到部分負荷工況，以及擴大新開發(fā)的CVT變速器的運行范圍，燃油經(jīng)濟性得以提高。

（4）直噴噴油器不同錐角噴孔的設(shè)計降低了缸孔直徑減小帶來的缸孔濕壁。

（5）高性能新發(fā)動機與具有齒輪／皮帶驅(qū)動切換功能的新開發(fā)的CVT變速器相匹配，搭載整車后，使車輛動力性能和駕駛樂趣兼而有之。