丰田|采用新型燃烧概念的高热效率2.5 L发动机
目前 ， 丰田汽车公司基于新型汽油机而设定了新的研发目标 ， 即达到与最新混合动力专用汽油机同等水平的高热效率及世界顶尖水平的动力性能 。 介绍了为兼顾这两方面的需求 ， 围绕快速燃烧这一核心技术 ， 采用了一系列新方法 。 其中 ， 最具优势的是对其燃烧特性的改善 ， 同时采用强滚流、大流量进气道、新型燃烧室等设计 ， 实施减少爆燃现象、降低摩擦损失、改进冷却系统等具体方法 ， 并观察研究了其应用效果 。
0 前言
为解决能源及环境问题 ， 实现可持续发展 ， 在动力设备发展过程中 ， 要求内燃机大幅改善燃油耗(提高热效率)并有效降低排放 。 另一方面 ， 需尽量使整车性能高于购车客户预期要求 ， 既有一定的驾驶愉悦性或多样化功能 ， 也兼备较高的动力性能 。
丰田汽车公司设定了对新型汽油机的研发目标:使其与最新混合动力车型专用发动机有同等的最高热效率 ， 该数值可达到40% ， 其升功率可达到约60 kW 的水平(图1) 。 为兼顾这2项要求 ， 论述了围绕快速燃烧这一核心理念所采用的相关技术 。
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图1 升功率与热效率的发展趋势及开发目标
1 快速燃烧技术与发动机基本技术规格
1.1 行程缸径比与压缩比
开发新型发动机时 ， 通常会充分兼顾热效率与动力性能 ， 同时对最佳压缩比与行程缸径比(S/B)进行相应调整 。 使燃烧稳定性及抗爆燃性进一步增强的快速燃烧技术正在逐渐引起关注 。 但是 ， 作为实现快速燃烧的重要参数 ， 如缸内滚流强度 ， 则须通过加大S/B值的设计来实现 ， 即设定纵向长度较大的气缸容积来增强滚流(图2(a)) 。 这是由于在更快的活塞运动速度基础上 ， 进入气缸内的空气流速也同样变快的缘故 。 另一方面 ， 由于活塞运动速度逐渐加快 ， 由摩擦所导致的损失不断增加(图2(b)) 。 此外 ， 轴向尺寸较长的气缸 ， 在相同排量的情况下 ， 需缩小缸径 。 结果表明 ， 由于进排气门直径也会相应减小,空气难以进入气缸内 ， 新鲜空气流量降低 ， 体积效率不断恶化(图2(c)、图2(d)) ， 这对于自然吸气发动机的功率而言是重要的影响因素 。 换言之 ， 应选择高热效率与高功率性能相协调的S/B值 。
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图2 S/B值对燃烧特性及发动机技术参数的影响
图3是基于试验数据而得以验证的一维模型 ， 表示了S/B 值与压缩比、热效率及功率的关系 。 随着S/B值不断增加 ， 滚流强度也有所提高 ， 由此 ， 燃烧不稳定性得以消除 ， 即便在采用大流量废气再循环(EGR)条件下 ， 也能实现更稳定的燃烧过程 。 因此 ， 整机热效率也随之上升 。 但是 ， 如果提高S/B值 ， 则体积效率及功率均有所降低 。 根据上述结果 ， 为了实现高达40%的热效率 ， 以及60 kW 的升功率 ， 这次开发的发动机所选择的S/B值为1.2左右 ， 压缩比(ε)为13 。
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图3 S/B值与压缩比对热效率及滚流强度的影响
1.2 气缸盖进气道设计
为了实现强滚流、大流量的进气道设计 ， 采用了如下设计理念:尽可能降低阻力 ， 空气呈直通状流入进气道 。 图2 S/B值对燃烧特性及发动机技术参数的影响 。 图3 S/B值与压缩比对热效率及滚流强度的影响传统型发动机将气门座作为特别零件 ， 应布设于进气道内 ， 同时需确保一定的高度 ， 不能形成直线型的进气道形状(图4(a)) 。 由于新型发动机通常采用激光焊接设备 ， 通过直接熔覆 ， 以铜为基本材料的粉末工艺 ， 构成气门座(激光包覆气门座 ， 图5) ， 实现了直线型的进气道形状(图4(b)) 。 而且 ， 需扩大进气门与排气门的夹角 ， 将间隙调整装置(HLA)的布置位置调整为气门轴中心的内侧 。
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