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豐田汽車公司新型GD系列車用柴油機(jī)

近期，豐田汽車公司推出了1款具有更大扭矩、更高工作效率及更低排放的新型渦輪增壓轎車柴油機(jī)(圖1)。該新型GD系列轎車柴油機(jī)采用了豐田汽車公司新一代絕熱柴油燃燒技術(shù)，以顯著減少冷卻損失。

熱擺動(dòng)壁面隔熱(TSWIN)技術(shù)的使用有助于2.8L 1GD-FTV發(fā)動(dòng)機(jī)成為具有44%最大熱效率(室內(nèi)測(cè)量)的發(fā)動(dòng)機(jī)之一。盡管與當(dāng)前的KD系列發(fā)動(dòng)機(jī)相比排量較小，但最大扭矩提高了25%，低速扭矩提高了11%，同時(shí)，燃油效率提升15%。

豐田汽車公司將逐步淘汰目前在全球部署的KD系列柴油機(jī)，并全面采用GD系列發(fā)動(dòng)機(jī)。預(yù)計(jì)到2016年，該系列發(fā)動(dòng)機(jī)年產(chǎn)量將達(dá)到70萬(wàn)臺(tái)左右，并推介到全球90個(gè)市場(chǎng)。到2020年，按計(jì)劃擴(kuò)展到至少150個(gè)全球市場(chǎng)。

新開(kāi)發(fā)的1GD-FTV轎車柴油機(jī)目前可用于2015年5月在泰國(guó)推出的新款Hilux小型皮卡，并用于6月17日在日本推出的部分重新設(shè)計(jì)的Land Cruiser Prado車型。相同的發(fā)動(dòng)機(jī)系列包括2GD-FTV 2.4L直噴渦輪增壓柴油機(jī)。

表1 GD系列發(fā)動(dòng)機(jī)主要規(guī)格

先進(jìn)的絕熱柴油燃燒

豐田汽車公司新的柴油燃燒系統(tǒng)采用多種設(shè)計(jì)與工藝，進(jìn)口形狀更有助于增加進(jìn)氣流量，與上一代KD系列柴油機(jī)相比，新型GD系列柴油機(jī)進(jìn)氣口截面增加約11%(圖2)。

在燃油噴射方面，預(yù)噴射在噴射之前將與環(huán)境空氣狀態(tài)進(jìn)行精確匹配，縮短了點(diǎn)火延遲，甚至在世界上最惡劣的環(huán)境下也能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定燃燒，同時(shí)確保發(fā)動(dòng)機(jī)能夠安靜運(yùn)行和保持高的熱效率。

新開(kāi)發(fā)的活塞燃燒室形狀和共軌燃油噴射系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了發(fā)動(dòng)機(jī)更高的燃燒壓力和更先進(jìn)的燃油噴射壓力控制，以優(yōu)化燃油噴射，將空氣使用效率最大化，實(shí)現(xiàn)更高的熱效率和更低的排放。

豐田汽車公司在全球首次使用TSWIN技術(shù)，在活塞上采用SiO2增強(qiáng)型陽(yáng)極滲透電鍍鋁(SiRPA)材料,燃燒過(guò)程中的冷卻損失降低了大約30%。SiRPA是1種高絕熱和散熱材料，其易于加熱也易于冷卻。

燃燒室通常使用的金屬(鐵或鋁)的表面在整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)過(guò)程中具有幾乎恒定的表面溫度，其結(jié)果是在燃燒期間，工作氣體和壁表面之間的溫度相差較大，這是產(chǎn)生燃燒室熱損失的主要原因。

傳統(tǒng)的絕熱型發(fā)動(dòng)機(jī)(包括具有陶瓷熱障涂層的發(fā)動(dòng)機(jī))在整個(gè)循環(huán)中的內(nèi)壁面幾乎總是高溫，這導(dǎo)致容積效率降低，工作氣體溫度較高，并誘發(fā)發(fā)動(dòng)機(jī)爆燃的發(fā)生。

“溫度擺動(dòng)”涂層是1種低熱導(dǎo)率和低熱容量材料，可以使燃燒室內(nèi)壁表面溫度變化加大。具有該涂層的內(nèi)壁表面溫度變化跟隨瞬態(tài)氣體溫度變化，因其沒(méi)有加熱進(jìn)氣，從而減少了熱損失。

豐田汽車公司技術(shù)人員表示，在渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)中采用“溫度擺動(dòng)”涂層的效果要比在自然吸氣柴油機(jī)的大，其主要原因?yàn)椋?1) 由于在柴油機(jī)中基于較大的氣缸壓力和較大的氣體流速，傳熱系數(shù)較大，內(nèi)壁溫度波動(dòng)較大；(2) 在工作氣體和燃燒室壁表面之間氣體溫度峰值較低，導(dǎo)致溫差較?。?3) 隨著渦輪增壓器絕熱被回收，排氣能量增加。

渦輪增壓器

新型GD發(fā)動(dòng)機(jī)的緊湊型高效率可變幾何渦輪增壓器(由豐田內(nèi)部生產(chǎn))比目前市場(chǎng)上的等效產(chǎn)品體積小30%，并配有新開(kāi)發(fā)的渦輪機(jī)以提高工作效率，新開(kāi)發(fā)的葉輪可提供瞬時(shí)加速度響應(yīng)，并有助于在整個(gè)寬廣轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)獲得最大扭矩。通過(guò)降低尺寸和提高效率，新開(kāi)發(fā)的渦輪增壓器為GD系列發(fā)動(dòng)機(jī)在升壓壓力增加速率上提供了約50%的更快響應(yīng)。

尿素選擇性催化還原(SCR)系統(tǒng)

具有豐田專利的緊湊型高分散性尿素選擇性催化還原(SCR)系統(tǒng)可以去除高達(dá)99%的氮氧化物(NOx)排放，這將有助于車輛符合歐6及日本國(guó)土交通省設(shè)置的2010排放標(biāo)準(zhǔn)。