豐田汽車公司的高熱效率、低燃油耗發動機
——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 品 介 紹

豐田汽車公司的高熱效率、低燃油耗發動機
——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換代而研發了新一代汽油機，實現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技術。除了應用其自主研發的混合動力技術之外，還應用了改善燃燒的技術與降低各種損失的技術。

汽油機 燃油經濟性 熱效率 降低損失 改善燃燒

0 前言

為配合車輛款式更新換代，豐田汽車公司開發了新一代的汽油機，并開始陸續配裝于車輛上。新一代發動機相比傳統機型燃油耗降低10%以上，實現了頂級水平的最高熱效率。這種高熱效率、低燃油耗發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動機。重視加速性能的車輛多使用渦輪增壓式發動機。

1 高熱效率、低燃油耗的通用技術

要提高汽油機的熱效率與改善燃油經濟性，就需要增加有效壓力(如高壓縮比技術)，以及降低各種損失。增加有效壓力可以通過改善燃燒實現，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。增加有效壓力和降低各種損失可通用于汽油機上，同時增壓型發動機也是通用技術。

豐田汽車公司新一代發動機的改進燃燒技術應用了快速燃燒與高壓縮比技術，在降低損失技術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，型號為8NR-FTS。圖1示出了新款發動機的外觀，表1則列出8NR-FTS發動機的主要技術規格，圖2示出了新款發動機性能曲線。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動機的最高壓縮比10.0。由表1可知，雖然發動機的排量為1.2 L，但是具備的最大功率并不低于1.5 L自然吸氣式發動機，最大扭矩不低于1.8 L發動機。而且，從低轉速1 500 r/min到高轉速4 000 r/min的寬廣運行范圍內可以平穩地輸出大扭矩。在普通行駛的低轉速區域，具有相當于2.0 L發動機的動力性能，該發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

項目參數排量/L1.196氣缸數與布置直列4缸、橫置燃燒室形狀屋脊型燃燒室氣門機構雙頂置凸輪軸(DOHC)4氣門、鏈條驅動連續可變氣門正時機構進氣側:全智能可變氣門正時機構(VVT-iW)排氣側:智能可變氣門正時機構(VVT-i)缸徑/mm71.5行程/mm74.5壓縮比10.0燃油系統直噴式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化器中，為提高起動時的催化劑暖機性能，該閥設計成向下開啟式結構，為防止波動現象，旁通閥采用電動式，內置于TC機組中。圖4示出了中冷器結構，冷卻通道內增設內部散熱片以提高冷卻效率。

圖3 8NR-FTS型發動機上采用的渦輪增壓器結構圖

圖4 小型水冷式中間冷卻器結構圖

TC與中間冷卻器用的冷卻系統和發動機用冷卻系統分別獨立設置，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，機械驅動式的真空泵裝備在氣缸蓋后端，真空泵由排氣側凸輪軸驅動。

2.1 改進燃燒技術

為了促進快速燃燒，增壓系統中追加強烈滾流技術。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的示意圖。

圖5 為促進快速燃燒的增壓技術與強滾流技術

該機型使用阿特金森循環，設定壓縮比為10.0。由于直噴技術的應用(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，加上發動機冷卻系統的高端化以提高燃燒室的冷卻性能(最佳冷卻)，這也是關鍵技術點。圖6示出了缸蓋截面與機體的水套結構。由于水套形狀已優化，除了降低燃燒室溫度外，可使氣缸間溫度的波動最小化。缸蓋內的水套設計成上、下側結構，下側要集中地流過冷卻水，燃燒室的冷卻得以加強。

圖6 耐熱性等優異的樹脂制的機體水套隔板

排氣歧管內置于缸蓋(一體式缸蓋技術)，用缸蓋內的水套冷卻(圖7)。由于冷卻排氣，降低了流入TC中的排氣溫度，在確保排氣系統的可靠性的同時，拓展理論空燃比的運行區域，當然，也有益于發動機的緊湊化設計。

圖7 內置于缸蓋組件中的排氣歧管

機體的各缸孔之間設置有銷孔的通道，以增強各缸孔間的冷卻。形狀已優化的冷卻水套隔板，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，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

采用阿特金森循環降低泵氣損失等技術。阿特金森循環使用了設置于進氣側的VVT-iw控制器，用于控制進氣門的延遲關閉。排氣側則采用了VVT-i控制器，也用于控制排氣門的開啟、關閉正時。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控制器的結構圖

機油控制閥(OCV)內置于凸輪軸上固定葉片的凸輪軸正時傳動螺桿中，在結構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，提高動作響應性與低溫時的動作性能。

為確保發動機的起動性能，VVT-iw采用了中間鎖閉機構。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。根據發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朝發動機前方移動，葉片朝提前角方向旋轉，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。而發生滯后角時，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。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

在滯后角動狀態下，當發動機停止后轉動曲柄時，由于凸輪軸驅動時扭矩的變動，按照葉片中立位置，配合鎖銷，可確保起動性。圖11表示鎖銷的結構與動作狀態。排氣側的動作也基本上與進氣側相同。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控制器的鎖銷結構圖

降低摩擦損失的主要技術內容，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、水套隔片及活塞(機油)噴射系統。

圖12表示活塞的結構，對活塞裙部實施耐熱膠粘性優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，縮小壓縮高度。

圖12 8NR-FTS型發動機的活塞結構圖

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

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(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，降低活塞與活塞環的滑動阻力。機體側的恒溫箱關閉時，要求缸蓋與機體的燃燒室周邊溫度不能過高，設置向缸蓋與機體直通的水路，優化冷卻水的分配。水套隔片如前所述。

發動機的活塞噴射系統在冷卻水溫度低時，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)。停止活塞噴射系統的機油噴射時，油壓開關閥(轉換閥)開啟，結果向安全閥背面供給油壓，面向活塞噴射系統的機油供給被切斷。

潤滑系統采用雙重油槽(機油孔)，分別設置2種系統：在機體內設機油噴射用油道、曲軸軸頸用油道，以及發動機油位傳感器，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，型式為2NR-FKE型。圖15示出了2NR-FKE型發動機的外觀，表2列出該型發動機的主要技術規格。發動機排量為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組合應用，帶有怠速起停系統)。燃油用指定的無鉛標準汽油。

圖15 新款Caroora系列車配裝的2NR-FKE型汽油機

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

3.1 燃燒改良技術

為促進發動機的快速燃燒，利用產生強滾流的進氣道，以提高滾流比，圖16示出了氣缸蓋的結構。由于進氣疲乏形狀優化，在不降低流量系數前提下，提高滾流比。其結構表明，可在低轉速、高負荷工況下實現低燃油耗。采用傾斜擠氣技術，由于使擠氣區傾斜，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構

可實現高壓縮比的技術是利用大流量冷卻廢氣再循環技術(EGR)，以及改善冷卻系統等。大流量EGR是可以提高滾流比的技術，圖17示出了EGR系統的結構，采用由高速步進電機驅動的EGR閥，擴大EGR的直徑，同時并用EGR冷卻器，可實現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型發動機上采用的EGR閥周邊部件

冷卻系統的改善，首先采用新結構的冷卻水套隔片(圖18)，水套隔片用不銹鋼制成，在缸孔側粘貼發泡橡膠。能夠使水套內的冷卻水流動優化，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，也有利于確保火花塞螺紋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的。

圖18 2NR-FKE型汽油機的水套隔板結構

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，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及大流量EGR技術來實現。

阿特金森循環在進氣側采用雙VVT-i或采用電機驅動智能可變氣門正時機構(VVT-iE)的進氣門延遲關閉控制技術，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的氣門正時機構動作范圍

VVT-iE利用電機驅動式凸輪正時控制電動機部件，通過凸輪軸控制執行器(作動器)，使凸輪軸相位可變的方式。不受油壓的影響，從發動機的超低轉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，以實現阿特金森循環。由于利用VVT-iE拓展控制區域，冷機起動時，在提前角側控制氣門正時，以提高起動性能。暖機后，由于朝滯后角側進行控制，防止起動時的提前點火。

圖20表示該系統結構。使控制電動機的旋轉減速，使進氣凸輪軸的相位可變的凸輪軸控制執行器(凸輪軸正時齒輪部件)設計成復式擺線減速機構(圖21)。偏收輪相對于凸輪軸偏心設置，并與圓形的鏈輪配合，該鏈輪比行星齒輪大齒輪齒數多1個，而行星齒輪小齒輪比凸輪軸齒輪齒數少1個。因而，行星齒輪借助偏心軸的偏心運動，一邊旋轉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1周，則行星齒輪一邊與鏈輪嚙合，一邊只旋轉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，可使凸輪軸齒輪工作，使進氣凸輪軸旋轉。

圖20 VVT-iE的凸輪軸控制執行器(作動器)結構

圖21 VVT-iE的凸輪軸控制執行器(作動器)的減速機構

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。其結果表明，通過減速機構，凸輪軸齒輪朝提前角方向旋轉，固定在該齒輪上的進氣凸輪軸向提前角方向旋轉。

圖22 VVT-iE的凸輪軸控制執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。其結果通過減速機構，凸輪軸齒輪向滯后角方向旋轉，固定在該齒輪上的進氣凸輪軸朝滯后角側旋轉。

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

降低摩擦損失的主要技術內容中，包括活塞裙部表面改性處理、低摩擦鏈條的應用、曲軸用軸瓦的樹脂涂層技術、新結構的水套隔片的應用，以及降低彎曲損失的輔機皮帶等。

關于活塞裙部表面改性處理，低摩擦鏈條應用，曲軸軸瓦的涂層處理技術與之前所述的1～2 L渦輪增壓直接發動機基本上相同。新結構的水套隔板在采用高壓縮比技術中已做了介紹。

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， 2015， 7

何丹妮 編輯

2016-05-05)