【日】　J. Matsui　H. Koyama　Y. Goto　H. Kawai

?

設(shè)計開發(fā)

新一代2GR-FKS/FXS 3.5L V6直噴汽油機的開發(fā)

【日】J. MatsuiH. KoyamaY. GotoH. Kawai

為應(yīng)對日趨嚴格的燃油經(jīng)濟性和越來越高的排放目標，采用現(xiàn)階段發(fā)動機領(lǐng)域的新技術(shù)開發(fā)出新一代2GR-FKS/FXS發(fā)動機。基于2GR-FE發(fā)動機廣受好評的動力性和燃油經(jīng)濟性，對2GR-FKS/FXS發(fā)動機的主要零部件進行了重新設(shè)計。開發(fā)的主要目標是： (1) 優(yōu)異的動力性；(2) 最大限度地提高熱效率，全面符合各國燃油經(jīng)濟性和排放法規(guī)要求的環(huán)保性能；(3) 大幅度減輕運動件的質(zhì)量，提高V6發(fā)動機的響應(yīng)性。為實現(xiàn)上述互相對立的目標，發(fā)動機開發(fā)時使用了改進型的D-4S燃油噴射系統(tǒng)，可選擇使用直接噴射和進氣道噴射，同時，還采用了其他先進技術(shù)，如帶中間位置鎖止機構(gòu)的可變氣門正時技術(shù)和排氣歧管冷卻系統(tǒng)。

直噴汽油機阿特金森循環(huán)可變壓力燃油供給系統(tǒng)排氣歧管一體式氣缸蓋

0　前言

豐田汽車公司正在開發(fā)一系列經(jīng)濟性高效燃燒(ESTEC)開發(fā)理念的發(fā)動機。本文介紹新開發(fā)的2GR-FKS/FXS型 3.5L V6發(fā)動機，在滿足全球客戶需求的同時，符合各國日趨嚴格的燃油經(jīng)濟性和排放法規(guī)的要求。

大排量自然吸氣多缸發(fā)動機正逐漸被具有出色的燃油經(jīng)濟性的小排量渦輪增壓發(fā)動機取代。然而，多缸發(fā)動機固有的平順性和直接油門響應(yīng)性仍強烈吸引著一些用戶，尤其是北美用戶。

新一代發(fā)動機基于2004年量產(chǎn)的2GR-FE/FSE發(fā)動機開發(fā)而來，使用豐田獨有的D-4S燃油噴射系統(tǒng)和增強型混合動力車專用的阿特金森循環(huán)技術(shù)。開發(fā)目標是在最大限度地減小阿特金森循環(huán)帶來的不利影響的同時，實現(xiàn)出色的燃油經(jīng)濟性和優(yōu)異的動力性。通過對整個系列發(fā)動機約550個零部件進行重新設(shè)計，包括氣缸蓋和缸體，實現(xiàn)了開發(fā)目標。

1　開發(fā)理念

開發(fā)1款與小型化渦輪增壓發(fā)動機環(huán)保性相媲美、具有持久吸引力，同時又能最大發(fā)揮出V6發(fā)動機優(yōu)點的發(fā)動機是此次開發(fā)的理念。此理念要達到如下目標： (1) 環(huán)保性能全面符合各國燃油經(jīng)濟性和排放法規(guī)的要求；(2) 優(yōu)異的動力性；(3) 體現(xiàn)V6自然吸氣發(fā)動機的平順性和動力響應(yīng)性；(4) 在GR全系列發(fā)動機中采用具有高效率的3.5L排量，同時開發(fā)的發(fā)動機可用于前驅(qū)車、后驅(qū)車、乘用車、商用車、傳統(tǒng)車和混合動力車等車型。

表1列出了系列發(fā)動機的主要技術(shù)參數(shù)，圖1是發(fā)動機橫剖面圖。

表1　發(fā)動機系列和技術(shù)參數(shù)

圖1　發(fā)動機橫剖面圖

2　主要特征

2.1提高燃油經(jīng)濟性的措施

2.1.1阿特金森循環(huán)

豐田在混合動力車(HV)發(fā)動機上采用阿特金森循環(huán)已經(jīng)有很長的歷史。盡管采用阿特金森循環(huán)和高膨脹比的發(fā)動機可以降低排氣熱損失，但這種對策存在以下問題： (1) 發(fā)動機進氣量少導致功率低；(2) 低溫下發(fā)動機起動困難。

混合動力車采用電機來解決上述問題。傳統(tǒng)發(fā)動機做以下改進也可采用阿特金森循環(huán)： (1) 大包角的進氣凸輪軸；(2) 帶中間位置鎖止機構(gòu)且擴大作動角的液壓可變氣門正時機構(gòu)(VVT)；(3) 可變進氣系統(tǒng)；(4) 增強活塞冷卻。

2.1.2帶中間位置鎖止機構(gòu)的液壓VVT

在采用阿特金森循環(huán)提高低負荷工況燃油經(jīng)濟性的同時，對液壓可變氣門正時進行以下改進，可保證發(fā)動機全負荷工況的動力性和發(fā)動機的起動性： (1) 采用VVT-iW；(2) 增加鎖止機構(gòu)，確保發(fā)動機停機后重新起動時的氣門正時位于最優(yōu)的中間位置(圖2)；(3) 采用正開口的VVT機油控制閥來降低機油路中的壓力損失(圖3)。

上述措施通過采用阿特金森循環(huán)來提高燃油經(jīng)濟性，同時確保發(fā)動機的低溫起動性和改善油門響應(yīng)。

圖2　VVT-iW系統(tǒng)

圖3　中置式機油控制閥橫剖面圖和響應(yīng)曲線

2.1.3燃油供給系統(tǒng)

原D-4S燃油噴射系統(tǒng)只在部分舊款發(fā)動機上使用，而新款發(fā)動機全系列全部采用專門開發(fā)的第4代新D-4S燃油噴射系統(tǒng)。

采用可變壓力燃油供給系統(tǒng)來提高燃油經(jīng)濟性，該系統(tǒng)的配置如圖4所示。與常規(guī)恒壓系統(tǒng)不同，新系統(tǒng)將燃油壓力控制在最優(yōu)水平，以降低輸油泵的功耗。

圖4　可變壓力燃油供給系統(tǒng)

新設(shè)計的緊湊型高壓油泵裝有2個高性能的脈動阻尼器，以吸收3.5L發(fā)動機高功率工況產(chǎn)生的燃油脈動。對高壓油泵的形狀優(yōu)化，使脈動衰減器可以采用較薄的材料。圖5示出了高壓油泵的橫剖面。

圖5　高壓燃油泵

2.1.4高溫熱管理

為了降低發(fā)動機摩擦和冷卻損失，理想的方法是將節(jié)溫器閥門設(shè)置在較高的溫度下開啟，但這會在發(fā)動機高負荷區(qū)域引起爆燃導致功率降低。為此，采用裝有加熱器、閥門開啟溫度為87℃的可調(diào)溫控節(jié)溫器。圖6示出了這種節(jié)溫器的結(jié)構(gòu)布置，圖7示出了其工作原理圖。這種節(jié)溫器通過降低摩擦和冷卻損失來提高中、低負荷區(qū)域的燃油經(jīng)濟性，同時在具有與高負荷區(qū)域采用常規(guī)熱管理等級的功率。

圖6　可調(diào)溫控節(jié)溫器

圖7　可調(diào)溫控節(jié)溫器工作原理

2.2改善排放性能的措施

采用排氣歧管一體式氣缸蓋，水套分為上、下兩層。圖8示出了排氣歧管的形狀，圖9示出了排氣歧管和水套的布置。這種結(jié)構(gòu)可將排氣溫度控制在目標范圍內(nèi)，使催化器較早起燃，確保在高負荷區(qū)域的可靠性。

圖8　排氣歧管一體式氣缸蓋

圖9　排氣歧管和水套

2.3提高功率的措施

通過減輕活塞和連桿的質(zhì)量，以及曲軸相應(yīng)的平衡重的質(zhì)量，提高了發(fā)動機中運動件的轉(zhuǎn)速，以進一步增強發(fā)動機的性能。

通過計算機輔助工程(CAE)應(yīng)力分析和溫度場分布的詳細測量，對活塞的鑄造工藝進行了改進。這些方法使得活塞質(zhì)量減輕了10%，最大限度地減薄了活塞環(huán)岸背面的過厚的結(jié)構(gòu)。圖10比較了傳統(tǒng)活塞和新開發(fā)活塞的形狀。

圖10　活塞橫剖面圖

通過采用較薄的桿身截面，使連桿質(zhì)量減輕3%。這是通過改變粉末鍛造配料、提高屈服強度來實現(xiàn)的。

減輕了曲軸往復(fù)部分質(zhì)量，這樣就可以采用較輕的平衡重。這些措施使得曲軸的質(zhì)量和轉(zhuǎn)動慣量分別減輕了3%和6%。

2.4降低噪聲和振動的措施

發(fā)動機零部件高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的噪聲需要采用有效的對策加以消除。其措施如下： (1) 對諧振器的容積和布局進行優(yōu)化，實現(xiàn)噪聲水平隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)速和負荷線性變化；(2) 對發(fā)動機罩上聚氨基甲酸乙酯的形狀和位置進行優(yōu)化，限制高頻噪聲，同時改善發(fā)動機燃燒的1～3階分量，從而產(chǎn)生目標的發(fā)動機高轉(zhuǎn)速音質(zhì)；(3) 通過減輕運動件的質(zhì)量，最大限度地減小振動，降低發(fā)動機鏈條產(chǎn)生的機械噪聲，從而使發(fā)動機聲音清脆悅耳。

2.5其他措施

采用塑料缸蓋罩、機油集濾器和冷卻液管路。通過采用滑模注射(DSI)成型工藝并將需要焊接的曲面集成到零件中，氣缸排之間的墊片也可采用塑料材質(zhì)。

3　性能

3.1燃油經(jīng)濟性

通過改善燃油經(jīng)濟性和熱效率的措施，使發(fā)動機最低燃油消耗率達到224g/(kW·h)、熱效率達到38%。圖11是制動燃油消耗率(BSFC)的特性圖。高負荷下的高燃油效率區(qū)域得以擴大主要通過提高壓縮比，低負荷下的高燃油效率區(qū)域得以擴大主要通過采用阿特金森循環(huán)。因此，該系列發(fā)動機能夠提高從重型商用車、多功能運動車型(SUV)到輕型轎車等寬廣范圍用途車輛的燃油經(jīng)濟性。

圖11　燃油消耗率特征圖

3.2動力性

由于采用上述各種先進技術(shù)和工藝改進，3.5L V6發(fā)動機具有優(yōu)異的動力性。圖12是1款前驅(qū)SUV配裝的發(fā)動機的性能曲線。

圖12　發(fā)動機性能(配裝SUV)

這款發(fā)動機采用聲控可變進氣歧管長度進氣系統(tǒng)(ACIS)來抵消SUV車重帶來的不利影響。此系統(tǒng)避免了發(fā)動機在高轉(zhuǎn)速時扭矩的降低，同時增強轉(zhuǎn)速2400r/min以上常規(guī)工況范圍的扭矩。

圖13是配裝的發(fā)動機動力后驅(qū)轎車性能曲線。由于這種轎車的質(zhì)量較輕，此發(fā)動機不采用ACIS就可以降低進氣壓力損失。發(fā)動機最大轉(zhuǎn)速是6600r/min，是該系列發(fā)動機中最高的。這使車輛具有那種動態(tài)加速的推背感，特別適合用于高級轎車。

圖13　發(fā)動機性能(配裝轎車)

3.3排放性能

這些發(fā)動機符合世界范圍內(nèi)日趨嚴格的排放法規(guī)，包括北美的ULEV 70(適用于傳統(tǒng)發(fā)動機)和SULEV 30(適用于混合動力發(fā)動機)、日本的J-SULEV、歐洲的歐6排放法規(guī)。對催化器進行微小改動，可以保證這些發(fā)動機滿足未來更嚴格的排放法規(guī)。

4　結(jié)語

綜上所述，新3.5L 6缸ESTEC 2GR-FKS/FXS發(fā)動機大量采用先進技術(shù)，因此這些發(fā)動機可以全面符合各國日趨嚴格的排放法規(guī)，同時又保證了用戶駕駛愉悅感的動力性。這次發(fā)動機開發(fā)還采用了1個通用框架結(jié)構(gòu)，可以將4個獨立的發(fā)動機系列定義為1個單一的發(fā)動機系列。這種方法也可以使得每款發(fā)動機的試驗合并，便于各種車輛平臺采用該系列發(fā)動機。利用這些發(fā)動機在特征上的優(yōu)勢，豐田計劃將此款發(fā)動機應(yīng)用在全球眾多的車型上。

2016-01-23)