豐田新款直列4缸2.5L汽油發(fā)動(dòng)機(jī)

【日】 M.Hakariya T.Toda M.Sakai

0 前言

面對(duì)未來的能源和環(huán)境問題，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展變得越來越重要。目前對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)抑制CO2排放并提高燃油經(jīng)濟(jì)性的措施正在持續(xù)改善和優(yōu)化。另外，未來的發(fā)動(dòng)機(jī)要實(shí)現(xiàn)更加清潔的尾氣排放，不僅要滿足更加嚴(yán)格的本國法規(guī)，同時(shí)還要滿足歐洲的顆粒物數(shù)量（PN）排放法規(guī)。

為了應(yīng)對(duì)這種挑戰(zhàn)，現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)仍需提高與優(yōu)化。因此，有必要重新設(shè)計(jì)基本結(jié)構(gòu)，如行程缸徑比和氣門布局。介紹了基于豐田新全球架構(gòu)（TNGA）開發(fā)的豐田新款直列4缸2.5L汽油發(fā)動(dòng)機(jī)［1－3］。

近年來，通過在提高熱效率方面的不懈努力，混合動(dòng)力汽車（HEV）發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率已經(jīng)達(dá)到了高于世界平均水平的40%。然而，為了實(shí)現(xiàn)更高的熱效率目標(biāo)，重點(diǎn)針對(duì)快速燃燒技術(shù)進(jìn)行開發(fā)，以減少各種損失。最終目的不僅要提高燃油經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)要實(shí)現(xiàn)更高的性能。

圖1示出了發(fā)動(dòng)機(jī)升功率和熱效率的未來發(fā)展趨勢(shì)和新款發(fā)動(dòng)機(jī)的目標(biāo)。混合動(dòng)力汽車的最大熱效率目標(biāo)設(shè)定為41%。對(duì)于傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)而言，目標(biāo)一般設(shè)定為40%。混合動(dòng)力汽車的最大熱效率目標(biāo)與配裝于新款普銳斯［4］上的2ZR-FXE發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率相同，另外其升功率的目標(biāo)至少設(shè)定為60kW，以帶給用戶更良好的駕駛體驗(yàn)。

圖1 升功率和熱效率的未來趨勢(shì)和新發(fā)動(dòng)機(jī)的目標(biāo)

新款自然吸氣直列4缸2.5L汽油發(fā)動(dòng)機(jī)是豐田全球范圍內(nèi)第一款實(shí)現(xiàn)預(yù)設(shè)的熱效率和升功率目標(biāo)的量產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)。

1 發(fā)動(dòng)機(jī)概況

為了達(dá)到40%的最大熱效率和60kW的升功率，開發(fā)了可以提高滾流比和流量系數(shù)的快速燃燒技術(shù)。另外，采用了新的裝置，如阿特金森循環(huán)的電動(dòng)可變氣門正時(shí)（VVT-iE）、新型多孔噴油器的新D-4S直接噴射和氣道噴射系統(tǒng)、冷卻廢氣再循環(huán)（EGR）系統(tǒng)、帶熱管理的冷卻系統(tǒng)、電動(dòng)變量機(jī)油泵和高能點(diǎn)火線圈。表1示出了原2AR-FE發(fā)動(dòng)機(jī)和新款2.5L發(fā)動(dòng)機(jī)主要參數(shù)的對(duì)比。

表1 新款2.5L發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)

2 快速燃燒技術(shù)和發(fā)動(dòng)機(jī)基本結(jié)構(gòu)

2.1 燃燒概念和目標(biāo)

發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)初期就研究了壓縮比和行程缸徑比（S／B）的最佳匹配基本參數(shù)以實(shí)現(xiàn)更高的熱效率和升功率。

圖2示出了在發(fā)動(dòng)機(jī)排量一定的情況下不同S／B的計(jì)算流體力學(xué)（CFD）分析結(jié)果。其示出了S／B比對(duì)燃燒特性和發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)參數(shù)的影響。

圖2 S／B對(duì)燃燒特性和發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)參數(shù)的影響

湍流強(qiáng)度對(duì)于實(shí)現(xiàn)快速燃燒技術(shù)非常重要，其隨著S／B的增大而增大（圖2（a））。其原因是在排量一定的情況下活塞的行程變長，在較高的活塞速度下進(jìn)氣流有更高的速度。但是提高活塞速度，會(huì)導(dǎo)致摩擦惡化，使熱效率降低。另外，對(duì)于提高升功率，容積效率對(duì)自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)有著重要的影響，其隨著S／B增大而惡化，原因是缸徑越小會(huì)導(dǎo)致氣門直徑越小。

基于上述原因，選擇合適的S／B對(duì)于熱效率和升功率的平衡十分關(guān)鍵。

圖3示出了使用1D模型分析S／B和壓縮比對(duì)熱效率和升功率影響的結(jié)果，并已得到了試驗(yàn)數(shù)據(jù)的驗(yàn)證。

圖3 S／B對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響

當(dāng)S／B設(shè)為1時(shí)，最大熱效率出現(xiàn)在壓縮比13.0左右（圖3（b））。這是由于燃燒不穩(wěn)定限制了EGR量，因此，通過提高壓縮比來提高熱效率，但同時(shí)會(huì)引起爆燃。通過增大S／B，增強(qiáng)了燃燒穩(wěn)定性從而拓寬了EGR限制，因此熱效率得以提高，同時(shí)最大熱效率對(duì)應(yīng)的最優(yōu)壓縮比也會(huì)有所改變。每個(gè)壓縮比對(duì)應(yīng)的升功率在升功率和容積效率的共同作用下呈現(xiàn)出不同的趨勢(shì)。如果壓縮比增大，即使S／B更小、氣門更大，功率也會(huì)降低（圖3（a））。

根據(jù)模型分析結(jié)果，S／B為1.2時(shí)效果最優(yōu)，采用壓縮比13.0的預(yù)計(jì)可以達(dá)到40%的最大熱效率目標(biāo)和60kW的升功率目標(biāo)。

圖4示出了達(dá)到40%熱效率需求的湍流強(qiáng)度的計(jì)算結(jié)果。湍流強(qiáng)度的需求是5.6m／s，其可以幫助EGR率提高到25%。

圖4 湍流強(qiáng)度的需求預(yù)測(cè)（CFD預(yù)測(cè)）

2.2 燃燒設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)快速燃燒的基本目標(biāo)，研究了影響缸內(nèi)湍流強(qiáng)度的因素。圖5示出了瞬態(tài)滾流比和湍流強(qiáng)度及CFD時(shí)域分析結(jié)果。

瞬態(tài)滾流比存在峰值A(chǔ)，由進(jìn)氣行程中進(jìn)氣道的進(jìn)氣流所致。在壓縮行程中出現(xiàn)峰值B，同時(shí)形成滾流氣流，最后在上止點(diǎn)前消失。另一方面，在瞬態(tài)滾流達(dá)到峰值B后，湍流強(qiáng)度達(dá)到峰值C，這是由壓縮時(shí)滾流運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成湍流所致，最終在上止點(diǎn)前達(dá)到D。

基于之前的試驗(yàn)和CFD分析結(jié)果，可知A～C值由圖5中給出的發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)所決定。

圖5 缸內(nèi)流動(dòng)特性和相關(guān)的發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)參數(shù)

可以看出單獨(dú)的滾流比和湍流強(qiáng)度有很強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性，但是在同樣的滾流比下，其預(yù)測(cè)精度大致是±0.23m／s（圖6（a））。因此，需要預(yù)估出其精度范圍。

結(jié)合表2中額外的參數(shù)，預(yù)測(cè)精度可大幅提高到±0.06m／s（圖6（b））。

圖6 湍流強(qiáng)度的預(yù)測(cè)精度對(duì)比

表2列出了對(duì)原直列4缸2.5L汽油發(fā)動(dòng)機(jī)使用新技術(shù)方案，包含了為了達(dá)到5.6m／s的湍流強(qiáng)度的每個(gè)參數(shù)所需要達(dá)到的值。

表2 預(yù)測(cè)公式中用到的參數(shù)和優(yōu)化結(jié)果

2.3 缸蓋（進(jìn)氣道）設(shè)計(jì)

如前所述，滾流比需要達(dá)到2.8。另一方面，由于升功率需求為60kW，最大功率工況下的容積效率要達(dá)到92%，流量系數(shù)需要達(dá)到0.48。圖7示出了氣道性能的目標(biāo)。

圖7 2.5L發(fā)動(dòng)機(jī)氣道性能的目標(biāo)

原發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)理念為同時(shí)實(shí)現(xiàn)高滾流比和高流量系數(shù)。為了滿足上述需求，進(jìn)氣道設(shè)計(jì)如氣門布局需要重新設(shè)置。

壓裝式氣門座需要與水套之間存在一定的壁厚間隙。因此限制了氣門直徑和側(cè)流的設(shè)計(jì)自由。采用了激光堆焊式氣門座可以增加進(jìn)氣門直徑，從而可以增大進(jìn)氣門和排氣門的夾角。最終實(shí)現(xiàn)了從進(jìn)氣道內(nèi)到缸內(nèi)的氣流呈直線狀態(tài)。

激光堆焊式氣門座直接通過激光使用銅基堆焊粉末鑄在缸蓋上（圖8）。為了適應(yīng)全球市場(chǎng)，開發(fā)了一種具有高耐磨性的新材料。

圖8 激光堆焊式氣門座

圖9 示出了原進(jìn)氣道剖切面和新款的對(duì)比。新款減小了缸蓋的氣流分離。這種優(yōu)化的結(jié)果使?jié)L流比達(dá)到了2.89，流量系數(shù)達(dá)到0.487。

圖9 進(jìn)氣道對(duì)比

2.4 燃燒室設(shè)計(jì)

為了在高壓縮比下提高熱效率并確保減輕爆燃而開發(fā)了新D-4S系統(tǒng)。考慮到未來的PN法規(guī)，開發(fā)了低貫穿距的新多孔噴油器來降低活塞和壁面的燃油濕壁。重新設(shè)計(jì)了新活塞以保持較高的滾流比。圖10示出了原D-4S活塞頂和新機(jī)型D-4S活塞頂?shù)膶?duì)比。使用高效進(jìn)氣道的高滾流氣流設(shè)計(jì)噴霧，采用球形燃燒室以保持高滾流。

同時(shí)，圖10也示出了這兩種活塞的CFD分析結(jié)果。可以明顯看出新機(jī)型D-4S活塞形狀使氣流進(jìn)入氣缸后沒有分流并達(dá)到較高的滾流峰值。以此保證了燃燒的穩(wěn)定性。

圖10 原機(jī)型活塞和新機(jī)型活塞滾流比的對(duì)比

此外，為了確保高EGR率和高滾流比下的燃燒穩(wěn)定性，采用高能點(diǎn)火線圈。其減小了磁路間隙和增大了芯體截面（圖11）。

圖11 高能點(diǎn)火線圈

通過采用該技術(shù)，在實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)上EGR率為23%和目標(biāo)最大熱效率為40%時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定燃燒。

2.5 換氣的優(yōu)化

和性能一樣，如要在整個(gè)駕駛工況下提高燃油效率，采用合適的氣門正時(shí)是重要的一環(huán)。下文將討論包含氣門正時(shí)在內(nèi)的進(jìn)氣量控制。

首先確定進(jìn)氣工作角對(duì)平衡燃油經(jīng)濟(jì)性和發(fā)動(dòng)機(jī)性能非常重要。凸輪型線不能再擴(kuò)展是因?yàn)樵诘退俚街兴俟r范圍下，氣流回流到進(jìn)氣道導(dǎo)致容積效率降低。

和傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)一樣，采用了液壓間隙調(diào)節(jié)器的滾子搖臂。為了增加進(jìn)氣側(cè)的時(shí)域，凸輪軸擴(kuò)展了凸輪升程型線。圖12示出了氣門正時(shí)和升程的對(duì)比。其與原配氣機(jī)構(gòu)相比增大了工作角。

圖12 氣門正時(shí)對(duì)比

另外，阿特金森循環(huán)提高了發(fā)動(dòng)機(jī)低負(fù)荷工況的燃油經(jīng)濟(jì)性。圖13示出了進(jìn)氣門關(guān)閉時(shí)刻和各種損失，如泵氣損失的關(guān)系。隨著氣門關(guān)閉的時(shí)刻推遲，泵氣損失減小。但是實(shí)際壓縮比和滾流強(qiáng)度降低，因此導(dǎo)致了燃燒效果變差，損失增加。因此，這些參數(shù)彼此之間相互制衡，并且示出了最優(yōu)的氣門正時(shí)，可使損失降至最低。

此外，為了實(shí)現(xiàn)更好的駕駛性，駕駛員的扭矩需求由最優(yōu)的節(jié)氣門和EGR閥位置同時(shí)控制，這樣會(huì)得到更好的燃油經(jīng)濟(jì)性。

2.6 運(yùn)動(dòng)件的優(yōu)化

為了達(dá)到40%的最大熱效率，選擇了長行程參數(shù)和高壓縮比。此外，為了達(dá)到60kW的升功率，發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)速要達(dá)到6 600r／min。最大活塞速度達(dá)到22.8m／s，為此大幅減輕了運(yùn)動(dòng)件的質(zhì)量以降低慣性負(fù)荷。下文將依次討論活塞、連桿和曲軸的設(shè)計(jì)。

首先，通過重新設(shè)計(jì)模具和優(yōu)化鑄造移除不必要的材料，可使活塞質(zhì)量大幅減輕。活塞頂壁厚度、裙部厚度和活塞環(huán)槽背部可以減薄。圖14示出了包含活塞銷在內(nèi)的活塞質(zhì)量和自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)單缸扭矩的關(guān)系。與原2.5L發(fā)動(dòng)機(jī)相比活塞質(zhì)量減輕了14%以上，達(dá)到了目前最輕的質(zhì)量。

圖14 活塞質(zhì)量和單缸扭矩的關(guān)系

圖13 基于進(jìn)氣門關(guān)閉時(shí)刻的各種損失的敏感度

為了確保駕駛時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)具備良好的起動(dòng)性并可實(shí)現(xiàn)阿特金森循環(huán)，在進(jìn)氣側(cè)采用了中間鎖止VVT系統(tǒng)（VVT-iW）。然而，為了在低油溫和低壓力的低轉(zhuǎn)速工況下立即達(dá)到最優(yōu)的氣門正時(shí)，新款發(fā)動(dòng)機(jī)采用VVT-iE，這種工況對(duì)于VVT-iW而言，較難控制。排氣側(cè)采用縮短機(jī)油油路的中置VVT機(jī)油控制閥來提高響應(yīng)速度和低溫下的工作特性。

在活塞速度較高的情況下，要同時(shí)實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)低油耗和低摩擦性能是非常困難的。為了實(shí)現(xiàn)這種平衡，采用了眾多先進(jìn)技術(shù)，如使用較窄的活塞環(huán)以減少機(jī)油剪切現(xiàn)象，使用較薄的側(cè)導(dǎo)軌油環(huán)以提高在缸孔變形情況下的密封性和使用類金剛石鍍膜（DLC）涂層以降低摩擦系數(shù)。

連桿采用高強(qiáng)度材料，與原連桿相比，其強(qiáng)度提高了30%。此外，為了實(shí)現(xiàn)連桿軸承的可靠性和減輕質(zhì)量，如將連桿大頭上部（圖15）變薄以此來分散軸承的面壓，避免局部高面壓。如此一來，與原連桿相比，質(zhì)量減輕達(dá)20%以上。

曲軸設(shè)計(jì)對(duì)高轉(zhuǎn)速下的可靠性非常重要。為了設(shè)計(jì)更小的曲柄銷直徑，優(yōu)化了曲軸曲柄臂的剛度，減輕了第三主軸頸的慣性質(zhì)量。如此一來，減輕了對(duì)缸體的沖擊負(fù)荷。其他主軸頸采用全平衡重結(jié)構(gòu)，提高了平衡率，降低了每個(gè)曲柄臂的沖擊負(fù)荷。

圖15 優(yōu)化的連桿

雖然采用了長行程參數(shù)和更高的轉(zhuǎn)速，但缸體尺寸與原機(jī)型相同。

3 冷卻系統(tǒng)

3.1 概述

降低冷卻損失對(duì)提高熱效率非常重要。另外，為提升性能，還需要控制爆燃。下文將討論冷卻系統(tǒng)和熱管理系統(tǒng)。

首先優(yōu)化了冷卻回路，而且基于駕駛工況采用了配備有電動(dòng)水泵的冷卻控制系統(tǒng)。此外，為了提高冷機(jī)工況下的燃油經(jīng)濟(jì)性，采用了熱管理系統(tǒng)來提高暖機(jī)過程。

3.2 減輕爆燃和降低損失

為了減輕爆燃，不僅在混合動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)上，也在原發(fā)動(dòng)機(jī)上采用了與以往不同的電動(dòng)水泵。

水套系統(tǒng)經(jīng)重新設(shè)計(jì)，將縱流改為側(cè)流，從而在冷卻性能和水泵流量上達(dá)到最優(yōu)的平衡（圖16）。此系統(tǒng)降低了水流的壓力損失，對(duì)于原發(fā)動(dòng)機(jī)而言，水泵流量可以更小，可以確保缸蓋內(nèi)部有足夠的冷卻能力。

圖16 水套結(jié)構(gòu)

僅在缸體排氣側(cè)水套布置水套隔板以優(yōu)化缸孔溫度分布（圖17）。水套隔板通過在冷卻缸孔排氣側(cè)上部控制和聚集水流來防止爆燃。這是冷卻滾流氣流最有效的方法。

圖17 水套隔板

此系統(tǒng)具有優(yōu)異的冷卻性能，即使在發(fā)動(dòng)機(jī)低速時(shí)仍可通過減輕爆燃來提高發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩。另外，電子節(jié)溫器通過將發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的水溫控制在爆燃限制范圍內(nèi)，從而獲得較高的整機(jī)性能（圖18）。

圖18 電動(dòng)水泵和電子節(jié)溫器的控制

采用了一種全新的邏輯來控制高水溫，并以此降低冷卻熱損失和摩擦損失，使發(fā)動(dòng)機(jī)在最佳扭矩的工況下運(yùn)行。圖19示出了使用這些裝置后的水溫控制策略。

圖19 水流和溫度控制策略

3.3 優(yōu)化暖機(jī)過程

為了提高燃油經(jīng)濟(jì)性，提高暖機(jī)速度和縮短暖機(jī)時(shí)間則顯得格外重要。為了在冷起動(dòng)工況下快速提高水溫，采用了新熱管理系統(tǒng)。此系統(tǒng)不僅通過電動(dòng)水泵控制水流，而且通過開關(guān)閥控制水路的開啟與關(guān)閉。

圖20示出了原發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻系統(tǒng)回路，共有兩個(gè)開關(guān)閥單元。其中一個(gè)控制流過暖風(fēng)芯體的水流，另一個(gè)控制流過自動(dòng)變速器加熱芯體的水流。

圖20 冷卻系統(tǒng)管路（開關(guān)閥）

在不影響舒適性的前提下提高了暖機(jī)過程的燃油經(jīng)濟(jì)性，根據(jù)外部溫度和駕駛工況的變化，通過開關(guān)閥的開啟與關(guān)閉保證暖機(jī)性能（圖21）。

圖21 暖機(jī)過程中開關(guān)閥和冷卻液流量控制示例

另外，圖21所示的流量確保了發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體熱分布的水流控制效果，該控制方法防止了暖機(jī)過程中噪聲和振動(dòng)的惡化。

4 潤滑系統(tǒng)

降低摩擦損失也是提高燃油經(jīng)濟(jì)性的重要因素。采用了電控變量機(jī)油泵（圖22），可通過電控機(jī)油控制閥控制機(jī)油流量。轉(zhuǎn)子采用擺線型，比之前的變量機(jī)油泵的摩擦更低。

圖22 電控變量機(jī)油泵

此系統(tǒng)可以供給適量的機(jī)油并確保機(jī)油壓力的需求，并且降低了摩擦損失，提高了燃油經(jīng)濟(jì)性。

另一方面，機(jī)油壓力控制可以通過壓力控制機(jī)油噴嘴停止向活塞噴油。因此在暖機(jī)過程中活塞的溫度迅速上升，降低了PN排放。此外，活塞的摩擦損失也有所降低。

發(fā)動(dòng)機(jī)油路的機(jī)油由裝配在缸體前面的擺線型機(jī)油泵提供，采用鏈驅(qū)動(dòng)方式。油路被分為兩條路徑，機(jī)油噴嘴油路和主油路，機(jī)油噴嘴油路的控制方式較為簡(jiǎn)易（圖23）。

圖23 潤滑系統(tǒng)

5 排氣系統(tǒng)

5.1 概述

為了滿足日趨嚴(yán)格的排放法規(guī)，如北美的特超低排放車輛（SULEV）和歐6法規(guī)，催化器溫度控制越來越重要。

冷起動(dòng)和高負(fù)荷工況下的化學(xué)計(jì)量比及駕駛區(qū)域的暖機(jī)特性決定了催化器的位置。然而，這些需求在傳統(tǒng)布置上無法同時(shí)實(shí)現(xiàn)。為此，重新設(shè)計(jì)了缸蓋排氣道的布局、催化器的表面積和催化器的位置，使其同時(shí)達(dá)到較高的水平。

此外，不僅通過降低排氣背壓和優(yōu)化分支長度提升了性能，同時(shí)將地板下的催化器盡可能靠近發(fā)動(dòng)機(jī)布置，因此保證催化器布置的自由度非常重要。為了實(shí)現(xiàn)上述需求，未來發(fā)動(dòng)機(jī)系列計(jì)劃將推出后排氣系統(tǒng)（圖24）。

圖24 車上的排氣系統(tǒng)布局

此外，采用了兩個(gè)空氣流量（A／F）傳感器控制系統(tǒng)。這兩個(gè)A／F傳感器分別布置在前催化器的前方和后方。因此，其具有更高的催化器氣體檢測(cè)能力。如此一來，催化器尺寸減小，降低了貴金屬含量，具有更好的環(huán)保性。

5.2 排氣冷卻系統(tǒng)（缸蓋）

采用了缸蓋排氣門之間的橫向聚集水流。另外，水套截面積降低了20%以提高換熱系數(shù)。

與原機(jī)型相比，該措施可以使排氣門溫度降低約10℃左右，同時(shí)水套壓力損失和流量也有所降低。圖25示出了排氣道和水套布局。該結(jié)構(gòu)可有效擴(kuò)大表面積并且降低了溫度。前文所述的電動(dòng)水泵控制系統(tǒng)可以控制暖機(jī)過程的水流量并且降低排氣熱損失。另一方面，如圖26所示，化學(xué)計(jì)量比區(qū)域（λ＝1，紅色區(qū)域）與原機(jī)型相比有了大幅增長。

5.3 排氣歧管

圖25 缸蓋排氣道和水套結(jié)構(gòu)

圖26 化學(xué)計(jì)量比區(qū)域?qū)Ρ?/p>

圖27 示出了排氣歧管的總體示意圖。如前所述，為了降低背壓并提升性能，已將排氣系統(tǒng)進(jìn)行后移。此外，通過優(yōu)化氣門正時(shí)和采用4-1分支歧管提升等容積長度以提升掃氣率。如此一來，可通過減輕爆燃以提升性能。另外，針對(duì)催化器和傳感器的優(yōu)化減少了催化器中貴金屬的含量。

圖27 排氣歧管

對(duì)分支歧管長度和排氣表面積的優(yōu)化不僅提升了扭矩性能還在快速暖機(jī)時(shí)改善尾氣凈化性能。分支歧管折彎量產(chǎn)技術(shù)的突破使得此類優(yōu)化得以實(shí)現(xiàn)。

5.4 催化器暖機(jī)

降低催化器加熱過程中的排放對(duì)滿足日趨嚴(yán)格的排放法規(guī)非常重要。圖28示出了催化器起燃前催化器加熱所需能量和發(fā)動(dòng)機(jī)氣體流量的關(guān)系和平衡。設(shè)定了一個(gè)能量目標(biāo)以實(shí)現(xiàn)該平衡。

另一方面，為了降低冷起動(dòng)工況時(shí)的PN，需要開發(fā)出一種技術(shù)以緩解燃油濕壁現(xiàn)象。目前風(fēng)扇噴霧式噴嘴的技術(shù)特征是采用擴(kuò)大的錐形，有較高的霧化能力和抗結(jié)焦可靠性。然而，風(fēng)扇噴霧抑制了噴霧布局和噴射時(shí)間的自由度，因此其需要降低缸內(nèi)濕壁出現(xiàn)的可能性。

圖28 催化器暖機(jī)過程所需能量目標(biāo)

如前所述，采用了低噴霧貫穿距的直接噴射系統(tǒng)和球形活塞。此外，開發(fā)了部分升程控制來實(shí)現(xiàn)少量多次噴射（圖29）。

圖29 暖機(jī)過程中噴油時(shí)刻和次數(shù)對(duì)比

通過多次噴射和噴油時(shí)刻的優(yōu)化，使PN得以減少、實(shí)現(xiàn)了火花塞附近的分層燃燒。清潔燃燒可不再依靠后處理排氣系統(tǒng)。

這些措施確保了點(diǎn)火延遲工況下的燃燒穩(wěn)定性，并可獲得熱能加熱催化器，同時(shí)滿足了各個(gè)國家的排放法規(guī)。

5.5 冷卻EGR系統(tǒng)

EGR氣體的溫度、通道壓損和分配差異對(duì)冷卻EGR系統(tǒng)非常重要。湍流強(qiáng)度對(duì)快速燃燒和燃燒穩(wěn)定性至關(guān)重要，這使得EGR率擴(kuò)大到25%。

進(jìn)氣歧管通過CFD進(jìn)行調(diào)整以實(shí)現(xiàn)最大EGR率下良好的燃燒過程，并降低各缸之間的EGR分配差異，使其小于3%。通過調(diào)整EGR氣體通道使各缸的EGR率相同。通過EGR冷卻器和缸蓋內(nèi)的EGR冷卻管路提高了氣體的冷卻能力（圖30）。

6 低摩擦技術(shù)

圖30 EGR系統(tǒng)布局

為了優(yōu)化氣缸系統(tǒng)，不僅采用了與原發(fā)動(dòng)機(jī)相同的偏心曲軸，也采用了經(jīng)光滑處理的樹脂涂層，將其應(yīng)用在活塞裙部以降低燃燒時(shí)的摩擦。如前文所述，DLC涂層通常應(yīng)用在第一道氣環(huán)和油環(huán)的滑動(dòng)表面。

在曲柄連桿機(jī)構(gòu)中，樹脂表面涂層應(yīng)用在所有連桿軸承和主軸軸承上以降低負(fù)荷工況下的摩擦。在潤滑系統(tǒng)中，采用電控變量擺線型機(jī)油泵，同時(shí)使用低粘度SAE 0W-16發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油。低粘度發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油和變排量機(jī)油泵的結(jié)合確保了最優(yōu)的潤滑系統(tǒng)機(jī)油供給。這極大地降低了機(jī)油泵驅(qū)動(dòng)負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的摩擦降低。在配氣機(jī)構(gòu)中，鏈導(dǎo)軌的滑動(dòng)面采用低摩擦樹脂材料。為了減輕運(yùn)動(dòng)件質(zhì)量和彈簧負(fù)荷采用蜂窩狀氣門彈簧。在附件系統(tǒng)中，采用電動(dòng)水泵，取消了水泵皮帶輪，降低了附件的驅(qū)動(dòng)負(fù)荷。真空泵提高了效率，降低了摩擦。綜合上述優(yōu)化措施，與原機(jī)型相比摩擦損失降低了20%以上（圖31）。

圖31 FMEP對(duì)比（轉(zhuǎn)速2 000r／min倒拖）

7 降低振動(dòng)和噪聲的措施

通過開發(fā)全新的整車平臺(tái)和新的變速器，發(fā)動(dòng)機(jī)及整車的噪聲和振動(dòng)性能都得到了提高。

首先，出于對(duì)低頻區(qū)域的噪聲和振動(dòng)的考慮，通過高精確度預(yù)測(cè)各部件的慣性參數(shù)，發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的動(dòng)力總成（發(fā)動(dòng)機(jī)＋變速器）被布置在理想的位置。布置懸置在扭矩軸上降低了怠速工況下的振動(dòng)水平。同時(shí)，動(dòng)力總成在彈性主軸上降低了發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)的振動(dòng)水平。

接下來，出于對(duì)中頻區(qū)域的考慮，通過計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）優(yōu)化了發(fā)動(dòng)機(jī)和變速器的接合面，從而提高了動(dòng)力總成的剛度。如此一來，與原發(fā)動(dòng)機(jī)相比，懸置振動(dòng)降低了約4dB（圖32）。

圖32 發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲對(duì)比

圖33 示出了發(fā)動(dòng)機(jī)和變速器接合面形狀的對(duì)比。擴(kuò)大了接合面并提高了動(dòng)力總成剛度。最終發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲降低，從而提供了舒適的駕駛環(huán)境。

圖33 發(fā)動(dòng)機(jī)與變速器接合面形狀對(duì)比

在原發(fā)動(dòng)機(jī)中，平衡軸采用嵌入式，通過曲軸齒輪直接驅(qū)動(dòng)（圖34），采用這種結(jié)構(gòu)可以提高駕駛舒適性。與現(xiàn)有技術(shù)部分相同，齒輪采用阿拉米纖維加強(qiáng)帶樹脂制作，可以防止產(chǎn)生齒輪噪聲。

圖34 平衡軸

一般來說，快速燃燒會(huì)促進(jìn)高頻噪聲的產(chǎn)生。因此需要在開發(fā)階段通過合理控制燃燒速度后，針對(duì)噪聲較大的零部件，在合適的位置布置了采用聚氨酯材料的隔噪裝置（圖35）。

圖35 噪聲和振動(dòng)隔音措施

8 總結(jié)

8.1 全負(fù)荷性能

圖36示出了原機(jī)型和新款發(fā)動(dòng)機(jī)功率和扭矩參數(shù)的對(duì)比。

圖36 發(fā)動(dòng)機(jī)功率和扭矩曲線

最大功率是151kW，并且達(dá)到了60kW的升功率。另外，整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的扭矩也得到了提升。

8.2 油耗（熱效率）

圖37示出了目前2.5L發(fā)動(dòng)機(jī)和新款發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率脈譜圖。不僅最大熱效率達(dá)到了40%，其中35%熱效率的運(yùn)行工況范圍也得以擴(kuò)大。通過匹配豐田新全球架構(gòu)的8速自動(dòng)變速器，使油耗降低16%以上。

圖37 熱效率脈譜圖對(duì)比

9 結(jié)語

本文介紹了基于豐田新全球架構(gòu)理念的新款豐田2.5L直列4缸汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的主要部件設(shè)計(jì)和系統(tǒng)特性的優(yōu)化。要點(diǎn)總結(jié)如下：

（1）開發(fā)了長行程、高滾流比和高流量系數(shù)的快速燃燒技術(shù)，使最大熱效率達(dá)到40%，升功率達(dá)到60 kW／L。

（2）作為實(shí)現(xiàn)快速燃燒的一種裝置，采用了激光堆焊式氣門座、保持高滾流比的球形活塞、多孔噴油器的D-4S系統(tǒng)、平衡率的優(yōu)化和運(yùn)動(dòng)件的減重措施。

（3）冷卻系統(tǒng)采用電動(dòng)水泵。通過水泵和開關(guān)閥使每個(gè)行駛工況都在合適的水溫下工作，從而使高性能和低油耗得以平衡。

（4）采用電控變量機(jī)油泵，結(jié)合其他技術(shù)，降低了20%以上的摩擦。

（5）通過采用催化器暖機(jī)控制，采用降低噴霧貫穿距的多次直噴系統(tǒng)和球形活塞，降低了排放。另外，通過排氣冷卻系統(tǒng)和排氣歧管的優(yōu)化設(shè)計(jì)，有效地?cái)U(kuò)充了化學(xué)計(jì)量比區(qū)域（λ＝1區(qū)域）。

上述技術(shù)，特別是快速燃燒技術(shù)，可應(yīng)用于不同排量的發(fā)動(dòng)機(jī)上，未來還將繼續(xù)應(yīng)用在其他系列發(fā)動(dòng)機(jī)上。