基于丰田新全球架构TNGA理念开发的新直列4缸2．0L直喷汽油机

【日】 K．YAMAJI M．TOMIMATSU I．TAKAGI A．HIGUCHI T．YOSHIDA E．MURASE

0 前言

节能和全球环境变化对汽车动力总成提出了更高的要求。为了满足这些要求，动力总成要更加多元化，如实现电动化和采用燃料电池。这些新技术虽至关重要，但内燃机仍会占据重要地位。因此，内燃机要进一步改善燃油经济性并满足排放法规要求。另外，为体现“驾驶乐趣”理念，要在高性能和高热效率之间找到平衡点。为实现上述两个相互对立的目标，改进了发动机基础结构，从而实现了快速燃烧，使这两个目标都达到了较高水平。已经开发的2．5L发动机是丰田新全球架构（TNGA）系列发动机之一，其搭载在2018款凯美瑞（Camry）车型上。

新2．0L发动机应用了基于TNGA理念的快速燃烧技术。在开发过程中，建立了燃烧设计的方法，从而使不同排量发动机实现快速燃烧成为可能。同时，喷油器喷孔设计的改进抑制了排量减小带来的燃油湿壁恶化。此外，匹配新开发的无级变速器（CVT），动力性和燃油经济性得以平衡并达到较高水平。

1 发动机目标

图1示出了C级车的动力性和燃油经济性趋势。顶级水平的燃油经济性兼具动力性是开发新车型的重要目标。另外，在提高全油门起步加速性能的同时也要兼顾全油门30～50mile／h①为了符合原著本意，本文仍沿用原著中的非法定单位——编注。的加速性能。

图1 0～60mile·h－1加速时间和综合油耗的关系

图2 示出了热效率和升功率的未来趋势。热效率和升功率之间相互对立，需要权衡利弊。量产的混合动力车型用发动机最大热效率达到40%，升功率约为40kW／L。2017款凯美瑞车型上搭载的基于TNGA理念开发的2．5L发动机突破了该平衡点，传统发动机热效率达到40%，升功率超过60kW／L；混合动力发动机热效率达到41%，升功率超过52kW／L。热效率居业界之首。新开发的2．0L发动机也应用了TNGA设计理念。2．0L传统发动机的目标是热效率达到40%，升功率超过62kW／L，这一目标突破了2．5 L发动机的平衡点。如此高的升功率满足了车辆的动力性要求，在业界处于顶级水平，从而使其他车型也可以搭载此发动机。

图2 最大热效率和最大升功率的关系及新发动机的目标

2 TNGA模块化设计理念

2．1 燃烧理念

如图3所示，TNGA发动机的基本理念是丰田公司开发的快速燃烧。快速燃烧的应用突破了热效率和升功率的平衡点。在热效率方面，快速燃烧使废气再循环（EGR）率限值得以扩大，泵气损失和冷却损失得以降低，同时也降低了爆燃倾向。对于升功率，快速燃烧抑制了未燃烧燃料的低温氧化反应，解决了爆燃问题，从而提高了发动机性能。

图4示出了先前开发的发动机系列所采用的不同技术和基础结构。每款发动机的开发流程不尽相同，对于TNGA系列发动机，设计之初就对基础结构进行改进，以达到更高目标，最终实现高效燃烧。此外，大幅提高不同排量模块之间共用基础结构的潜力有助于实现高效开发。

2．2 燃烧设计

图3 TNGA燃烧理念

图4 丰田汽车的平台化理念

湍流强度和燃烧速度之间有很强的关联性。为了实现快速燃烧，确定湍流强度至关重要。对基础结构中影响湍流强度这一发动机物理指标的主要发动机参数进行改进。首先，研究了湍流强度的影响因素。图5示出了影响缸内瞬时滚流比和湍流强度的燃烧参数及缸内流动特性。

图6示出了利用滚流比预测湍流强度的传统方法和1种新方法。若只考虑滚流比，湍流强度与其密切相关，预测精度大约为±0．23m／s。相比之下，使用新预测方法，利用图7示出的影响燃烧的发动机参数，预测精度可以提高到±0．06m／s。利用这种新设计方法，不同排量模块可以实现相同燃烧。

图6 湍流强度预测精度对比

图7 平台化设计的主要基础结构

进气行程中进气流使瞬时滚流达到峰值A之后，随着滚流的形成，压缩行程中瞬时滚流比达到峰值B，随着活塞继续向上止点运动，瞬时滚流比随之降低。对于湍流强度，在瞬时滚流达到峰值B后，随着活塞继续向上运动，滚流气流被压缩、挤压转化成湍流，随后达到峰值C。紧接着，在压缩上止点时降为D。D点的值与A点到C点的值密切相关。基于前期的试验，以及一维和三维计算流体力学（CFD）分析结果，A点到C点的值由6个基本发动机参数决定（图7）。基于行程缸径比（S／B）、气道和活塞形状等基本发动机参数对燃烧的影响，可以推断A点到C点的值，从而确定影响D点目标值的发动机参数。

发动机排量由2．5L变为2．0L，单缸排量也随之由625mL变为500mL。图8示出了不同排量发动机的燃烧特性。X轴表示缸孔直径与湍流强度比值，其与Y轴表示的燃烧速度密切相关。为了达到相同的燃烧效果，根据缸孔直径重新设计湍流强度至关重要。利用上文提及的新设计方法设计发动机，使得缸孔直径与湍流强度比值与625mL模块相当。发动机基础结构，如行程缸径比和气门及气门夹角，与625mL模块保持一致。目标缸孔直径与湍流强度比值通过设计燃烧参数，如滚流比得以实现。

图8 10%～90%燃烧持续期和缸孔直径与湍流强度比值的关系

除了实现快速燃烧，TNGA系列发动机也要有更高的动力输出。为了突破这种平衡，改进了进气道设计方法并优化了进气道形状。图9示出了进气道特性和主要参数之间的关系。图9（a）在气道喉口横截面积（St）相同的情况下，滚流比随着喉口高度降低而增加。流量系数与喉口横截面积密切相关，在相同流量系数下，喉口横截面积变小，有达到更高滚流比的潜力。通过改进这些进气道参数，可以设计出达到目标滚流比和流量系数的进气道。如果排量不同、行程缸径比相同，则气门直径应与缸孔直径成比例关系，当进气门面积（Sv／St），喉口高度（H）和喉口处进气道角度为定值时，不同排量的滚流比和流量系数亦相同。利用这些参数和共轭矩阵方法对进气道进行优化。

图9 进气道参数对滚流比和流量系数的影响

相较于传统进气道，优化后的进气道喉口高度降低，不能采用压配式气门座。TNGA系列发动机采用了新开发的激光熔覆气门座。图10示出了压配式气门座和激光熔覆气门座的对比。

图10 压配式气门座和激光熔覆气门座的对比

图11 示出了单缸排量625mL模块和500mL模块进气流的对比。500mL模块的进气流直线化和屋脊型燃烧室抑制了逆向滚流的形成。

图11 单缸排量625mL模块和500mL模块进气流的对比

图12 示出了应用新燃烧方法设计的发动机的燃烧速度。新设计方法使不同排量模块的放热率波形基本相同。

图12 单缸排量625mL和500mL模块放热率的对比

3 新2．0L发动机设计

3．1 进气道设计

对于传统发动机，发动机动力输出对满足动力性要求至关重要。混合动力发动机在电机辅助下可以输出强劲动力。另一方面，发动机可以常在爆燃线附近的高效区运行。为此，利用外部EGR降低泵气损失和扩大最佳点火提前角（MBT）可以有效提高动力性。加强湍流对提高EGR率至关重要。在基础结构不变的情况下设计了两种进气道以满足新2．0L发动机对进气道性能的诸多要求。表1示出了新2．0L发动机的开发目标，图13示出了进气道性能。传统发动机采用新型激光熔覆气门座的进气道，在流量系数相同的情况下，滚流比是现有进气道的2．7倍。

表1 新2．0L发动机开发目标

图13 进气道性能

3．2 排气道设计

新2．0L发动机对升功率要求更高，除了通过优化进气道形状来提高充气效率和燃烧效率外，对排气道形状也进行了优化。

图14 两种排气道在不同压差下的CFD分析结果

图14 示出了两种排气道的CFD分析结果，图15示出了排气道流量系数测试结果。从图15可以看出，在低压差（背压）情况下，两种排气道结果无明显差异，而在高压差（背压）情况下，排气道B流量系数高于排气道A。CFD分析结果表明排气道形状优化使得气流分离得以改善，有效横截面积得以扩大。如图16所示，发动机高速运转时排气泵损失减小，发动机性能得以提升。

图15 排气道流量系数的对比

图16 优化排气道设计降低排气泵气损失

3．3 新2．0L发动机参数

图17 示出了新TNGA 2．0L直列4缸发动机。表2示出了新2．0L发动机和现有1．8L发动机参数。

图17 新TNGA 2．0L直列4缸发动机

3．4 发动机零部件运行策略

图18 （a）示出了典型车辆行驶模式下的发动机运行点以及每个运行区域应对燃油经济性的优化策略。传统发动机主要在低、中负荷下运行。这些区域有明显的节流，因此降低泵气损失非常重要。TNGA系列发动机低负荷时采用增强型阿特金森循环，中负荷时加大气门重叠及提高EGR率以降低泵气损失。同时，高负荷时采用高EGR率以减轻爆燃。图18（b）示出了各零部件的控制策略。根据行驶工况控制D－4S喷射、电机驱动水泵／电动水泵、机油压力、可变气门正时（VVT）和EGR率以提高燃油经济性。在TNGA系列发动机中，不同排量发动机采用快速燃烧理念要求对运行策略进行标准化控制，同时对运行策略进行优化以保证发动机更加高效地运行。

表2 发动机参数对比

图18 车载发动机运行区域及提高燃油经济性的零部件运行策略

3．5 新2．0L发动机热效率和外特性性能

图19 示出了新2．0L发动机和现有1．8L发动机的热效率MAP图对比。发动机负荷越高，摩擦比越低，因为爆燃降低了燃烧效率，所以最大热效率点出现在爆燃线附近。对于直喷发动机来说，最大热效率点一般出现在BMEP 0．7～0．8MPa范围内。与现有发动机相比，随着发动机排量增加，输出相同扭矩时意味着发动机负荷变低。这就是说离开了发动机高效率区域，燃油经济性也随之变差。然而，新2．0L发动机采用了快速燃烧，具有较高的燃烧抗爆性，传统发动机的最大热效率得以向部分负荷扩大。如此，传统发动机的最大热效率达到40%。同时，如图20所示，全转速范围的外特性扭矩都得以提高，升功率达到62．5kW，高于 TNGA 2．5L发动机。

图19 热效率MAP图对比

图20 外特性性能对比

3．6 车辆性能

在新款车型中，通过搭载新开发的CVT变速器和新2．0L发动机，速比范围得以扩大，变速器效率得以提高。如图21所示，与现有CVT相比，车辆可以在高负荷工况运行，从而提高发动机高效率区域的利用率。如图22所示，在典型车辆行驶模式下平均热效率有明显提高。同时，基于更高的发动机性能输出和超低速齿轮（超大传动比）使得0～60mile／h起步加速时间缩短7%以上。

图21 匹配现有CVT和新开发CVT的车上发动机运行线对比

图22 车上热效率和0～60mile／h起步加速时间对比

4 降低排放技术

4．1 优化直喷喷雾

如前文所述，基于TNGA燃烧设计理念，新2．0L发动机沿用TNGA其他排量（2．5L）的基础结构和零部件。燃烧系统采用兼具缸内直喷和气道喷射的D－4S系统、多孔锥形布局的直喷喷油器、新型喷孔布局的气道喷油器，专为TNGA系列发动机开发，这是首次应用在新2．0L发动机上。然而，缸孔直径减小势必会恶化燃油湿壁，为此优化了直喷喷雾状态。

图23示出了2．0L发动机缸内燃油湿壁分析结果，其喷孔布局与2．5L发动机喷孔布局相同。Y轴表示基于总喷油量的燃油湿壁率。不管喷油正时如何，燃油湿壁出现恶化现象。如图24所示，缸孔燃油湿壁恶化是2．0L发动机的缸孔直径减小所致。燃油湿壁恶化带来排放恶化和颗粒物（PM）增加，同时爆燃恶化影响了外特性性能。

图23 不同排量模块的喷油时刻－燃油湿壁指数对比

图24 不同排量模块的燃油湿壁CFD分析对比

此外，如图25所示，几何学上喷孔距离缸孔越近，则缸孔湿壁加剧（按几何学原理，缸孔直径减小意味着喷孔距离缸孔越近，从而使缸孔湿壁加剧）。这就需要相应降低喷孔的喷雾贯穿距。

图25 燃油湿壁CFD分析以及喷雾和缸孔的关系

通常为了降低贯穿距而需减小喷孔直径，即减小喷孔直径会使流量降低，从而达到降低贯穿距的效果。然而，为了保证总喷油量不变，需要扩大其他喷孔直径。图26示出了喷雾分析结果。当每个喷孔的喷油量都不相同时，大喷油量喷孔的喷雾会影响周围喷孔的喷雾，从而增加了贯穿距。另外，由于每个喷孔的喷油量都不同，喷孔上积炭的剥落力也随之改变。因此，控制喷孔老化也是一项极具挑战性的任务。

图26 喷孔直径的影响

另一方面，锥形多孔直喷喷油器的喷孔是外开锥形的，喷孔入口的分离或导流扩大了与锥形表面紧密相连的流量从而有利于实现雾化。图27示出了基于喷雾特性和考虑喷孔锥角在内的油膜厚度分析结果的液态油膜厚度CFD预测结果。随着锥角扩大，油膜厚度减小。因此，雾化效果的改善证实了控制喷雾贯穿度的可行性。在实际喷雾布局中，锥角越大湿壁现象越明显。

图27 喷孔锥角对喷雾贯穿度的影响

图28 示出了相同喷孔布局但喷孔锥角不同的平板喷雾附着结果。扩大锥角对改善雾化有效，这是由于喷孔锥角扩大导致喷雾相互影响从而改善了雾化。

图28 喷孔锥角的影响

为了避免喷雾的相互影响，只对喷雾贯穿距有要求的喷孔扩大锥角，同时，优化喷孔布局以确保每束喷雾之间有合理的间隙。图29示出了优化前后的喷雾分析结果。喷雾照片和平板喷雾附着结果表明，锥角扩大使喷孔喷雾贯穿度变小，同时与优化前相比，喷雾附着量有所降低。从图30示出的CFD分析结果可以看出，优化后的喷雾降低了缸孔湿壁指数。

图31 示出了台架上典型工况下冷起动试验的颗粒数（PN）测试结果。保证喷油时刻相同的情况下，PN减少量最大达到了80%。另外，喷射时刻的灵活性得以扩大。

最后是实车上的PN测试结果。在典型的冷起动行驶工况下，即PN排放最高的冷起动急加速工况下，PN降低达10%以上。

图30 燃油湿壁CFD分析对比

图31 不同喷油时刻的PN排放表现

5 驾驶乐趣

全油门加速时间是评价车辆动力性能的重要指标之一。同时，在日常驾驶时，主观感受如加速感、平顺性和直观感受要满足驾驶舒适性和驾驶乐趣的要求。这款发动机可以与手动变速器和新开发的CVT变速器匹配后搭载在紧凑型轿车上。

新开发的CVT变速器运行范围宽广且效率高，在满足直观加速感受和平顺性要求的同时，也改善了燃油经济性、加速性和安静性。新开发的CVT变速器，不仅沿用了现有带轮和皮带的动力传递模式，同时增加了用于起步和低速行驶的齿轮传递装置，高效的齿轮传递模式运用在低速档侧，而在起步和全力急加速时切换为皮带换档模式。新2．0L发动机持续到高转速的大扭矩特性得以最大限度地发挥，从而实现强劲加速。图32示出了相对于现款车型和竞品车型全油门加速时车辆加速度G的起步加速表现。对于小型化涡轮增压竞品车型，其带来的直观加速感受和快速响应达到了与自然吸气发动机相媲美的水平，起步时采用齿轮驱动。

图32 全油门加速时的车辆加速度G表现对比

此外，为了表现出良好的日常驾驶感，开发过程中重点关注了“线性”输出（速度／驱动力／发动机声音与车速变化和油门踏板开度的关系）。图33示出了全油门加速时的车辆加速度G，齿轮驱动切换到皮带驱动，以及随后皮带驱动带来的加速表现。切换到皮带驱动模式，与手动换档类似，换档更有规律性。

图33 全油门加速时齿轮驱动切换到皮带驱动的表现

图34 示出了在40km／h稳态行驶下急加速时新开发车型和现款车型的加速度G表现对比。通过优化驱动力特性和换档控制以及运行区域，踩下油门踏板后的加速度呈线性上升，同时改善了加速迟滞效应。新款车型的直观感受更明显。

图34 急加速时的车辆加速度表现对比

6 结语

基于TNGA理念和新燃烧设计方法，开发出了新2．0L发动机样机，并取得了以下研究成果：

（1）采用新燃烧设计方法对影响湍流强度的基本发动机参数进行优化，不同排量模块的缸孔直径与湍流强度比值得以统一，从而实现了相同燃烧过程。

（2）快速燃烧的开发和进气道、排气道形状的优化实现了传统发动机升功率62．5kW和热效率40%的目标。

（3）通过优化诸多行驶工况下的发动机控制策略使高效率区域扩大到部分负荷工况，以及扩大新开发的CVT变速器的运行范围，燃油经济性得以提高。

（4）直喷喷油器不同锥角喷孔的设计降低了缸孔直径减小带来的缸孔湿壁。

（5）高性能新发动机与具有齿轮／皮带驱动切换功能的新开发的CVT变速器相匹配，搭载整车后，使车辆动力性能和驾驶乐趣兼而有之。