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豐田汽車公司新型GD系列車用柴油機

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(圖1)。該新型GD系列轎車柴油機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。

熱擺動壁面隔熱(TSWIN)技術(shù)的使用有助于2.8L 1GD-FTV發(fā)動機成為具有44%最大熱效率(室內(nèi)測量)的發(fā)動機之一。盡管與當前的KD系列發(fā)動機相比排量較小，但最大扭矩提高了25%，低速扭矩提高了11%，同時，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，并全面采用GD系列發(fā)動機。預計到2016年，該系列發(fā)動機年產(chǎn)量將達到70萬臺左右，并推介到全球90個市場。到2020年，按計劃擴展到至少150個全球市場。

新開發(fā)的1GD-FTV轎車柴油機目前可用于2015年5月在泰國推出的新款Hilux小型皮卡，并用于6月17日在日本推出的部分重新設計的Land Cruiser Prado車型。相同的發(fā)動機系列包括2GD-FTV 2.4L直噴渦輪增壓柴油機。

表1 GD系列發(fā)動機主要規(guī)格

先進的絕熱柴油燃燒

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

在燃油噴射方面，預噴射在噴射之前將與環(huán)境空氣狀態(tài)進行精確匹配，縮短了點火延遲，甚至在世界上最惡劣的環(huán)境下也能實現(xiàn)穩(wěn)定燃燒，同時確保發(fā)動機能夠安靜運行和保持高的熱效率。

新開發(fā)的活塞燃燒室形狀和共軌燃油噴射系統(tǒng)實現(xiàn)了發(fā)動機更高的燃燒壓力和更先進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增強型陽極滲透電鍍鋁(SiRPA)材料,燃燒過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)的表面在整個發(fā)動機循環(huán)過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)動機(包括具有陶瓷熱障涂層的發(fā)動機)在整個循環(huán)中的內(nèi)壁面幾乎總是高溫，這導致容積效率降低，工作氣體溫度較高，并誘發(fā)發(fā)動機爆燃的發(fā)生。

“溫度擺動”涂層是1種低熱導率和低熱容量材料，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，因其沒有加熱進氣，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)動機中采用“溫度擺動”涂層的效果要比在自然吸氣柴油機的大，其主要原因為：(1) 由于在柴油機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，導致溫差較小；(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)動機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))比目前市場上的等效產(chǎn)品體積小30%，并配有新開發(fā)的渦輪機以提高工作效率，新開發(fā)的葉輪可提供瞬時加速度響應，并有助于在整個寬廣轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)獲得最大扭矩。通過降低尺寸和提高效率，新開發(fā)的渦輪增壓器為GD系列發(fā)動機在升壓壓力增加速率上提供了約50%的更快響應。

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99%的氮氧化物(NOx)排放，這將有助于車輛符合歐6及日本國土交通省設置的2010排放標準。