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

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設(shè)計(jì)開發(fā)

新一代2GR-FKS/FXS 3.5L V6直噴汽油機(jī)的開發(fā)

【日】J. MatsuiH. KoyamaY. GotoH. Kawai

為應(yīng)對(duì)日趨嚴(yán)格的燃油經(jīng)濟(jì)性和越來越高的排放目標(biāo)，采用現(xiàn)階段發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域的新技術(shù)開發(fā)出新一代2GR-FKS/FXS發(fā)動(dòng)機(jī)?；?GR-FE發(fā)動(dòng)機(jī)廣受好評(píng)的動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性，對(duì)2GR-FKS/FXS發(fā)動(dòng)機(jī)的主要零部件進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)。開發(fā)的主要目標(biāo)是： (1) 優(yōu)異的動(dòng)力性；(2) 最大限度地提高熱效率，全面符合各國燃油經(jīng)濟(jì)性和排放法規(guī)要求的環(huán)保性能；(3) 大幅度減輕運(yùn)動(dòng)件的質(zhì)量，提高V6發(fā)動(dòng)機(jī)的響應(yīng)性。為實(shí)現(xiàn)上述互相對(duì)立的目標(biāo)，發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)時(shí)使用了改進(jìn)型的D-4S燃油噴射系統(tǒng)，可選擇使用直接噴射和進(jìn)氣道噴射，同時(shí)，還采用了其他先進(jìn)技術(shù)，如帶中間位置鎖止機(jī)構(gòu)的可變氣門正時(shí)技術(shù)和排氣歧管冷卻系統(tǒng)。

直噴汽油機(jī)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(jì)性高效燃燒(ESTEC)開發(fā)理念的發(fā)動(dòng)機(jī)。本文介紹新開發(fā)的2GR-FKS/FXS型 3.5L V6發(fā)動(dòng)機(jī)，在滿足全球客戶需求的同時(shí)，符合各國日趨嚴(yán)格的燃油經(jīng)濟(jì)性和排放法規(guī)的要求。

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

新一代發(fā)動(dòng)機(jī)基于2004年量產(chǎn)的2GR-FE/FSE發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)而來，使用豐田獨(dú)有的D-4S燃油噴射系統(tǒng)和增強(qiáng)型混合動(dòng)力車專用的阿特金森循環(huán)技術(shù)。開發(fā)目標(biāo)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(shí)，實(shí)現(xiàn)出色的燃油經(jīng)濟(jì)性和優(yōu)異的動(dòng)力性。通過對(duì)整個(gè)系列發(fā)動(dòng)機(jī)約550個(gè)零部件進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，包括氣缸蓋和缸體，實(shí)現(xiàn)了開發(fā)目標(biāo)。

1　開發(fā)理念

開發(fā)1款與小型化渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)環(huán)保性相媲美、具有持久吸引力，同時(shí)又能最大發(fā)揮出V6發(fā)動(dòng)機(jī)優(yōu)點(diǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)是此次開發(fā)的理念。此理念要達(dá)到如下目標(biāo)： (1) 環(huán)保性能全面符合各國燃油經(jīng)濟(jì)性和排放法規(guī)的要求；(2) 優(yōu)異的動(dòng)力性；(3) 體現(xiàn)V6自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)的平順性和動(dòng)力響應(yīng)性；(4) 在GR全系列發(fā)動(dòng)機(jī)中采用具有高效率的3.5L排量，同時(shí)開發(fā)的發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)力車等車型。

表1列出了系列發(fā)動(dòng)機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)，圖1是發(fā)動(dòng)機(jī)橫剖面圖。

表1　發(fā)動(dòng)機(jī)系列和技術(shù)參數(shù)

圖1　發(fā)動(dòng)機(jī)橫剖面圖

2　主要特征

2.1提高燃油經(jīng)濟(jì)性的措施

2.1.1阿特金森循環(huán)

豐田在混合動(dòng)力車(HV)發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)可以降低排氣熱損失，但這種對(duì)策存在以下問題： (1) 發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣量少導(dǎo)致功率低；(2) 低溫下發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)困難。

混合動(dòng)力車采用電機(jī)來解決上述問題。傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)做以下改進(jìn)也可采用阿特金森循環(huán)： (1) 大包角的進(jìn)氣凸輪軸；(2) 帶中間位置鎖止機(jī)構(gòu)且擴(kuò)大作動(dòng)角的液壓可變氣門正時(shí)機(jī)構(gòu)(VVT)；(3) 可變進(jìn)氣系統(tǒng)；(4) 增強(qiáng)活塞冷卻。

2.1.2帶中間位置鎖止機(jī)構(gòu)的液壓VVT

在采用阿特金森循環(huán)提高低負(fù)荷工況燃油經(jīng)濟(jì)性的同時(shí)，對(duì)液壓可變氣門正時(shí)進(jìn)行以下改進(jìn)，可保證發(fā)動(dòng)機(jī)全負(fù)荷工況的動(dòng)力性和發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)性： (1) 采用VVT-iW；(2) 增加鎖止機(jī)構(gòu)，確保發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)后重新起動(dòng)時(shí)的氣門正時(shí)位于最優(yōu)的中間位置(圖2)；(3) 采用正開口的VVT機(jī)油控制閥來降低機(jī)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(jì)性，同時(shí)確保發(fā)動(dòng)機(jī)的低溫起動(dòng)性和改善油門響應(yīng)。

圖2　VVT-iW系統(tǒng)

圖3　中置式機(jī)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(dòng)機(jī)上使用，而新款發(fā)動(dòng)機(jī)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(jì)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(jì)的緊湊型高壓油泵裝有2個(gè)高性能的脈動(dòng)阻尼器，以吸收3.5L發(fā)動(dòng)機(jī)高功率工況產(chǎn)生的燃油脈動(dòng)。對(duì)高壓油泵的形狀優(yōu)化，使脈動(dòng)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?zé)峁芾?/p>

為了降低發(fā)動(dòng)機(jī)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(huì)在發(fā)動(dòng)機(jī)高負(fù)荷區(qū)域引起爆燃導(dǎo)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(fù)荷區(qū)域的燃油經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)在具有與高負(fù)荷區(qū)域采用常規(guī)熱管理等級(jí)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(biāo)范圍內(nèi)，使催化器較早起燃，確保在高負(fù)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(dòng)機(jī)中運(yùn)動(dòng)件的轉(zhuǎn)速，以進(jìn)一步增強(qiáng)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。

通過計(jì)算機(jī)輔助工程(CAE)應(yīng)力分析和溫度場分布的詳細(xì)測量，對(duì)活塞的鑄造工藝進(jìn)行了改進(jìn)。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(qiáng)度來實(shí)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(dòng)慣量分別減輕了3%和6%。

2.4降低噪聲和振動(dòng)的措施

發(fā)動(dòng)機(jī)零部件高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的噪聲需要采用有效的對(duì)策加以消除。其措施如下： (1) 對(duì)諧振器的容積和布局進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)噪聲水平隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷線性變化；(2) 對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)罩上聚氨基甲酸乙酯的形狀和位置進(jìn)行優(yōu)化，限制高頻噪聲，同時(shí)改善發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒的1～3階分量，從而產(chǎn)生目標(biāo)的發(fā)動(dòng)機(jī)高轉(zhuǎn)速音質(zhì)；(3) 通過減輕運(yùn)動(dòng)件的質(zhì)量，最大限度地減小振動(dòng)，降低發(fā)動(dòng)機(jī)鏈條產(chǎn)生的機(jī)械噪聲，從而使發(fā)動(dòng)機(jī)聲音清脆悅耳。

2.5其他措施

采用塑料缸蓋罩、機(jī)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(jì)性

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

圖11　燃油消耗率特征圖

3.2動(dòng)力性

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

圖12　發(fā)動(dòng)機(jī)性能(配裝SUV)

這款發(fā)動(dòng)機(jī)采用聲控可變進(jìn)氣歧管長度進(jìn)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(dòng)機(jī)在高轉(zhuǎn)速時(shí)扭矩的降低，同時(shí)增強(qiáng)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(dòng)機(jī)動(dòng)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(dòng)機(jī)不采用ACIS就可以降低進(jìn)氣壓力損失。發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)速是6600r/min，是該系列發(fā)動(dòng)機(jī)中最高的。這使車輛具有那種動(dòng)態(tài)加速的推背感，特別適合用于高級(jí)轎車。

圖13　發(fā)動(dòng)機(jī)性能(配裝轎車)

3.3排放性能

這些發(fā)動(dòng)機(jī)符合世界范圍內(nèi)日趨嚴(yán)格的排放法規(guī)，包括北美的ULEV 70(適用于傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī))和SULEV 30(適用于混合動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī))、日本的J-SULEV、歐洲的歐6排放法規(guī)。對(duì)催化器進(jìn)行微小改動(dòng)，可以保證這些發(fā)動(dòng)機(jī)滿足未來更嚴(yán)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(dòng)機(jī)大量采用先進(jìn)技術(shù)，因此這些發(fā)動(dòng)機(jī)可以全面符合各國日趨嚴(yán)格的排放法規(guī)，同時(shí)又保證了用戶駕駛愉悅感的動(dòng)力性。這次發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)還采用了1個(gè)通用框架結(jié)構(gòu)，可以將4個(gè)獨(dú)立的發(fā)動(dòng)機(jī)系列定義為1個(gè)單一的發(fā)動(dòng)機(jī)系列。這種方法也可以使得每款發(fā)動(dòng)機(jī)的試驗(yàn)合并，便于各種車輛平臺(tái)采用該系列發(fā)動(dòng)機(jī)。利用這些發(fā)動(dòng)機(jī)在特征上的優(yōu)勢，豐田計(jì)劃將此款發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用在全球眾多的車型上。

2016-01-23)