丰田公司最新1.2L涡轮增压直喷汽油机与新型1.5L自然吸气汽油机

作者：【日】山岡丈夫

译者：彭惠民

丰田汽车公司为配合车辆的款式更新换代而研发了新一代汽油机，实现了顶级水平的高热效率。介绍了1.2 L涡轮增压直喷汽油机，以及新款1.5 L自然吸气汽油机采用的相关技术。除了应用其自主研发的混合动力技术之外，还应用了改善燃烧的技术与降低各种损失的技术。

关键词：汽油机燃油经济性热效率降低损失改善燃烧

0 前言

为配合车辆款式更新换代，丰田汽车公司开发了新一代的汽油机，并开始陆续配装于车辆上。新一代发动机相比传统机型燃油耗降低10%以上，实现了顶级水平的最高热效率。这种高热效率、低燃油耗发动机系列可以大致划分为小型增压式汽油机与普通的自然吸气式发动机。重视加速性能的车辆多使用涡轮增压式发动机。

1高热效率、低燃油耗的通用技术

要提高汽油机的热效率与改善燃油经济性，就需要增加有效压力(如高压缩比技术)，以及降低各种损失。增加有效压力可以通过改善燃烧实现，而降低各种损失则通过降低排气损失、冷却损失、泵气损失和机械损失(摩擦损失)实现。增加有效压力和降低各种损失可通用于汽油机上，同时增压型发动机也是通用技术。

丰田汽车公司新一代发动机的改进燃烧技术应用了快速燃烧与高压缩比技术，在降低损失技术方面则主要采用降低泵气损失与降低摩擦损失。

2 1.2 L 涡轮增压直喷汽油机

该汽油机采用直列4缸、双顶置凸轮轴(DOHC)、涡轮增压直喷，使用阿特金森循环，型号为8NR-FTS。图1示出了新款发动机的外观，表1则列出8NR-FTS发动机的主要技术规格，图2示出了新款发动机性能曲线。这款汽油机排量为1.196 L，缸径为71.5 mm，行程为74.5 mm。压缩比采用作为涡轮增压发动机的最高压缩比10.0。由表1可知，虽然发动机的排量为1.2 L，但是具备的最大功率并不低于1.5 L自然吸气式发动机，最大扭矩不低于1.8 L发动机。而且，从低转速1 500 r/min到高转速4 000 r/min的宽广运行范围内可以平稳地输出大扭矩。在普通行驶的低转速区域，具有相当于2.0 L发动机的动力性能，该发动机配装于小型改款的Dris车上，最大热效率为36%，该车的燃油耗为19.4 km/L(JC08工况的燃油耗)与无级变速器(CVT)组合应用，具备怠速起停功能。燃油采用指定的无铅高级汽油。

图1 配装在新型Oris 120T车上的

8NR-FTS型汽油机

表1 8NR-FTS型汽油机主要技术规格

图2 8NR-FTS型汽油机性能曲线图

该1.2 L汽油机的涡轮增压器(TC)为单涡壳式，与水冷并用，中冷器为水冷式(图3)。废气阀直接将排放气体引入催化转化器中，为提高起动时的催化剂暖机性能，该阀设计成向下开启式结构，为防止波动现象，旁通阀采用电动式，内置于TC机组中。图4示出了中冷器结构，冷却通道内增设内部散热片以提高冷却效率。

图3 8NR-FTS型发动机上采用的

涡轮增压器结构图

图4 小型水冷式中间冷却器结构图

TC与中间冷却器用的冷却系统和发动机用冷却系统分别独立设置，装备专用的冷却器与电动式水泵。为了确保制动加力器与TC废气闸门阀动作用的负压，机械驱动式的真空泵装备在气缸盖后端，真空泵由排气侧凸轮轴驱动。

2.1　改进燃烧技术

为了促进快速燃烧，增压系统中追加强烈滚流技术。强滚流进气道与活塞顶面形状的最佳化可维持滚流的燃烧室，图5示出了在加入了多次燃油喷射的快速燃烧技术的示意图。

图5 为促进快速燃烧的增压技术与强滚流技术

该机型使用阿特金森循环，设定压缩比为10.0。由于直喷技术的应用(D-4T：直接喷射带涡轮增压的4行程汽油机)，可利用气化燃油进行燃烧室的冷却，利用强化了冷却性能的水冷式中冷器进行增压气体的冷却。这类技术也有利于填充效率的提高。

利用活塞喷射(机油喷嘴)对活塞进行强迫油冷，加上发动机冷却系统的高端化以提高燃烧室的冷却性能(最佳冷却)，这也是关键技术点。图6示出了缸盖截面与机体的水套结构。由于水套形状已优化，除了降低燃烧室温度外，可使气缸间温度的波动最小化。缸盖内的水套设计成上、下侧结构，下侧要集中地流过冷却水，燃烧室的冷却得以加强。

图6 耐热性等优异的树脂制的机体水套隔板

排气歧管内置于缸盖(一体式缸盖技术)，用缸盖内的水套冷却(图7)。由于冷却排气，降低了流入TC中的排气温度，在确保排气系统的可靠性的同时，拓展理论空燃比的运行区域，当然，也有益于发动机的紧凑化设计。

图7 内置于缸盖组件中的排气歧管

机体的各缸孔之间设置有销孔的通道，以增强各缸孔间的冷却。形状已优化的冷却水套隔板，由于抑制水套中央部的水流，缸孔上部冷却水的流速被加快。其结果表明，机体上部与缸孔间的冷却效果提高，燃烧室温度降低。另一方面，由于气缸孔中央部位附近难以冷却，所以缸孔壁面温度上升，气缸孔壁面温度的波动变少，热膨胀形成均匀状态，同时，气缸孔壁面附着的机油的粘度降低，气缸与活塞间的摩擦阻力也减少。

2.2　降低损失

采用阿特金森循环降低泵气损失等技术。阿特金森循环使用了设置于进气侧的VVT-iw控制器，用于控制进气门的延迟关闭。排气侧则采用了VVT-i控制器，也用于控制排气门的开启、关闭正时。图8表示进气门、排气门的正时控制范围。排气门、进气门的控制器均为液压叶片式(图9)，进气门采用3枚叶片式，排气门则采用4枚叶片式。

图8 进气门、排气门正时的控制范围

图9 VVT-iw控制器的结构图

机油控制阀(OCV)内置于凸轮轴上固定叶片的凸轮轴正时传动螺杆中，在结构上能够分别独立地控制锁销的配合及解除，控制OCV阀门正时的提前角和滞后角。用于进行OCV阀正时控制的油路可以缩短，提高动作响应性与低温时的动作性能。

为确保发动机的起动性能，VVT-iw采用了中间锁闭机构。图10表示VVT-iw的提前角与滞后角控制时控制器的动作状态。根据发动机控制用计算机的信号，凸轮正时控制电磁部件动作，一旦OCV朝发动机前方移动，叶片朝提前角方向旋转，因为叶片被固定在凸轮轴上，所以凸轮轴也同时向前提角方向旋转。而发生滞后角时，控制用电磁部件与OCV形成与提前角时的动作相反，叶片与凸轮轴朝滞后角方向旋转。而平衡时，OCV控制在中立位置。

图10 VVT-iw控制器的动作示意图

在滞后角动状态下，当发动机停止后转动曲柄时，由于凸轮轴驱动时扭矩的变动，按照叶片中立位置，配合锁销，可确保起动性。图11表示锁销的结构与动作状态。排气侧的动作也基本上与进气侧相同。排气门采用封装钠(Na)的气门，提高耐受高温排气的可靠性，TC也有利于降低泵气损失。

图11 VVT-iw控制器的锁销结构图

降低摩擦损失的主要技术内容，如活塞裙部表面的改性处理、采用低摩擦链条、树脂涂覆曲轴轴瓦、促进机体暖机系统、水套隔片及活塞(机油)喷射系统。

图12表示活塞的结构，对活塞裙部实施耐热胶粘性优异的表面处理与树脂涂覆的工艺，确保降低摩擦阻力与耐受划伤性(胶粘性)。第一道密封环槽采用偏置的耐蚀高镍铸铁(C 3%，Ni 14%，Cu 6%，Cr 2%，Si 1.5%)制成的耐磨损环，缩小压缩高度。

图12 8NR-FTS型发动机的活塞结构图

低摩擦链条采用8 mm节距的单列滚子链条，链条张紧装置滑块与正时链条导承的滑履，采用降低摩擦效果和耐磨损性优异的树脂材料。

树脂涂覆轴瓦是在轴瓦表面涂覆树脂，使曲轴轴瓦的起动扭矩降低了约40%，并有在其他车上采用的实例。

机体暖机促进系统的冷却装置采用2个恒温箱，这是提高冷却性能与暖机性能的冷却系统(图13)，除了在进水口布置恒温箱外，在机体外壁也布置了另一个恒温箱。前者控制来自散热器的冷却水流量；后者则控制暖机中面向机体的冷却水流量。前者的阀开启温度为80～84 ℃，后者为76～80 ℃。

图13 8NR-FTS型汽油机的冷却系统图

后面的恒温箱由于降低了暖机时流向机体的冷却水流量，加快缸孔部位的暖机性，降低活塞与活塞环的滑动阻力。机体侧的恒温箱关闭时，要求缸盖与机体的燃烧室周边温度不能过高，设置向缸盖与机体直通的水路，优化冷却水的分配。水套隔片如前所述。

发动机的活塞喷射系统在冷却水温度低时，停止活塞的机油喷射，以减轻由于低温起动时机油引起的燃油稀释。同时，能加快活塞温度上升，降低滑动阻力(图14)。停止活塞喷射系统的机油喷射时，油压开关阀(转换阀)开启，结果向安全阀背面供给油压，面向活塞喷射系统的机油供给被切断。

润滑系统采用双重油槽(机油孔)，分别设置2种系统：在机体内设机油喷射用油道、曲轴轴颈用油道，以及发动机油位传感器，一旦测出油位降低，则通过组合仪表的显示，向用户提供信息。

图14 8NR-FTS型汽油机的活塞(机油)

喷射控制系统动作图

3 1.5 L 汽油机

1.5 L汽油机为直列4缸DOHC自然吸气机型，采用阿特金森循环，型式为2NR-FKE型。图15示出了2NR-FKE型发动机的外观，表2列出该型发动机的主要技术规格。发动机排量为1.496 L。缸径为72.5 mm，行程为90.6 mm，压缩比高达13.5，该汽油机配装于Caroora车型上，最高热效率38%，该车的燃油耗为23.4 km/L(JC08工况燃油耗+CVT组合应用，带有怠速起停系统)。燃油用指定的无铅标准汽油。

图15 新款Caroora系列车配装的

2NR-FKE型汽油机

表2 2NR-FKE型发动机主要技术规格

3.1　燃烧改良技术

为促进发动机的快速燃烧，利用产生强滚流的进气道，以提高滚流比，图16示出了气缸盖的结构。由于进气疲乏形状优化，在不降低流量系数前提下，提高滚流比。其结构表明，可在低转速、高负荷工况下实现低燃油耗。采用倾斜挤气技术，由于使挤气区倾斜，可改善气门周边的遮蔽性，力求增加进气量，以提高燃烧后期的燃烧速度。

图16 2NR-FKE型汽油机的气缸盖结构

可实现高压缩比的技术是利用大流量冷却废气再循环技术(EGR)，以及改善冷却系统等。大流量EGR是可以提高滚流比的技术，图17示出了EGR系统的结构，采用由高速步进电机驱动的EGR阀，扩大EGR的直径，同时并用EGR冷却器，可实现EGR气体的大流量化，并将进气歧管上的EGR引入部分做成阶梯状，促进EGR废气平均分配到各气缸中。

图17 2NR-FKE型发动机上采用的

EGR阀周边部件

冷却系统的改善，首先采用新结构的冷却水套隔片(图18)，水套隔片用不锈钢制成，在缸孔侧粘贴发泡橡胶。能够使水套内的冷却水流动优化，提高燃烧室的冷却性能，提高抗爆燃性能，而且，由于利用弹簧使发泡橡胶贴于缸孔壁面，使缸孔壁面温度均匀分布，因而能抑制缸孔变形，因此，可降低活塞与气缸间的摩擦阻力。燃烧室冷却性能的提高，也有利于确保火花塞螺纹部与排气道之间的水套冷却，这是通过采用加长型火花塞来实现的。

图18 2NR-FKE型汽油机的水套隔板结构

该机型还提高了各燃烧室容积的精度，降低压缩比的波动，以及采用4-2-1排气歧管技术，由于管道长度均等，也可提高排气效率，有利于提高压缩比。

3.2　降低损失

降低泵气损失主要通过采用阿特金森循环及大流量EGR技术来实现。

阿特金森循环在进气侧采用双VVT-i或采用电机驱动智能可变气门正时机构(VVT-iE)的进气门延迟关闭控制技术，图19表示利用双VVT-i以进行气门正时的动作范围。

图19 双VVT-i的气门正时机构动作范围

VVT-iE利用电机驱动式凸轮正时控制电动机部件，通过凸轮轴控制执行器(作动器)，使凸轮轴相位可变的方式。不受油压的影响，从发动机的超低转速起动即可进行气门正时控制。由于在部分负荷行驶工况下形成最滞后角，以实现阿特金森循环。由于利用VVT-iE拓展控制区域，冷机起动时，在提前角侧控制气门正时，以提高起动性能。暖机后，由于朝滞后角侧进行控制，防止起动时的提前点火。

图20表示该系统结构。使控制电动机的旋转减速，使进气凸轮轴的相位可变的凸轮轴控制执行器(凸轮轴正时齿轮部件)设计成复式摆线减速机构(图21)。偏收轮相对于凸轮轴偏心设置，并与圆形的链轮配合，该链轮比行星齿轮大齿轮齿数多1个，而行星齿轮小齿轮比凸轮轴齿轮齿数少1个。因而，行星齿轮借助偏心轴的偏心运动，一边旋转一边与链轮及凸轮轴齿轮啮合。如果遵照控制电动机偏心轴旋转1周，则行星齿轮一边与链轮啮合，一边只旋转1个齿，因而，利用链轮、行星齿轮及凸轮轴齿轮进行减速旋转，可使凸轮轴齿轮工作，使进气凸轮轴旋转。