丰田卡罗拉/雷凌双擎1.8L发动机技术揭秘（专业技术篇）

丰田一向给人以成熟可靠的印象，其发动机技术往往很少带有所谓的黑科技，但是其TNGA（ToyotaNewGlobalArchitecture）平台下的DynamicForceEngine发动机（凯美瑞、CH-R、雷克萨斯ES、亚洲龙等用），热效率达到了40%，在混动系统上甚至达到了41%，在民用级汽油发动机取得了领先优势。大家会很奇怪，丰田的发动机并没有使用很高大上的技术，但是整合起来却能够达到很突出效果。其实总结起来就是——积少成多，聚沙成塔。

DynamicForceEngine为全新设计的机型，但是其所有的设计思想都在之前的发动机改进款进行过不断验证，DynamicForceEngine发动机是丰田将旗下各发动机的优点进行整合的集大成体。这里，本文以公开文献可以查阅的另外一款机型——丰田卡罗拉/雷凌双擎1.8L发动机为背景，介绍丰田对已有机型进行升级，提高燃油经济性的技术手段。

本文从工程师的角度出发，用白话文的形式和大家进行科普。

丰田在第三代普锐斯上使用了一款代号为2ZR-FXE的发动机，这款发动机的热效率最高为38.5%，丰田在这款发动机的基础上，采用了很多提高燃油经济性的技术手段，让热效率从38.5%提高到了40%。这款发动机被应用于丰田卡罗拉双擎和雷凌双擎上面。这款发动机很多提高燃油经济性的理念，指导了DynamicForceEngine发动机的研发。

图１比较了传统车用发动机和混合动力车用发动机的运行工况范围。传统车用发动机由于存在怠速、低速蠕行等工况，在低效率工况区域运行较多，混合动力车在怠速、低速下能像电动车一样利用电机驱动车辆，并且在部分需要性能的加速工况下可以尽可能的利用电机辅助，因此一方面发动机在标定过程中可以更多地考虑燃油经济性，比如扩大阿特金森循环的范围等，另一方面可以长时间让混合动力车的发动机在高热效率工况区域运行。由此带来的较高的热效率使混合动力车的燃油经济性优于传统汽车。

该发动机采用了各种局部提升技术改善了燃烧特性、减少爆燃、优化热管理和降低阻力，通过优化，在不改变发动机基本结构的情况下来有效提高燃油效率。这款具有较高燃油效率的新发动机成为世界上首款最高热效率达到40％的汽油机。表１列出了该发动机的主要技术规格，可以看出，该发动机并不追求功率扭矩，而是着重提高了燃油经济性。

图1汽油机的热效率和运行比例

表1发动机主要技术规格

2.1改善燃烧特性和减少爆震（爆燃）

2.1.1低温废气再循环

低温废气再循环（EGR）被广泛认为是１种可以提高热效率的技术。如图2所示，保证对发动机高负荷运转区域的热效率有不利的影响。冷却EGR可以减小爆震，有助于将8ZR-FXE发动机的最高热效率提高到40％（图5）。一般来说，在高负荷，由于缸内有效压力较大，混合气总体热值较高，燃烧室内的温度也会比较高，当火花塞点火后，在火焰传播过程中，未被点燃的混合气在高压高温下自发燃烧，形成爆震，如图3所示。从工程角度，为了抑制爆震，会人为推迟点火角，让燃烧趋于安定，但是，这样会导致做功冲程中部分能量被消耗，降低了热效率。因此使用EGR再循环，让部分不参与燃烧的废气进入燃烧室中，这部分气体在燃烧室内不参与燃烧，通过吸收燃烧产生的热量来降低燃烧温度和压力，从而使爆震的概率降低，通过使用EGR，点火角就不用刻意推迟，提高了燃油经济性。另一方面，NOx生成是需要温度条件的，如图4所示，EGR降低了燃烧温度，能极大的降低NOx排放（许多人都以为将废气再进入燃烧室内烧干净从而降低排放是错误的！）。EGR是一个很好的节能减排手段，但是EGR却又不能无限提高，这里有一个重要的因素就是当废气多了后，燃烧速度会变慢，发动机内部扭矩变动会增加（TF），燃烧变的不安定，会影响到NVH性能，所以这里存在一个标定的平衡，增加EGR和保证TF。可是我们想提高EGR使用率怎么办呢？从原理出发，就只能提高燃烧速度了。

图2发动机负荷与热平衡关系（2000rpm）

图3爆震示意图

图4NOx生成温度条件

图5热平衡对比

2.1.2提高滚流比

提高燃烧速度是扩展EGR界限的有效途径，丰田采用的是提高滚流比来增强缸内滚流，从而提高燃烧速度。在这之前，我先介绍下什么是滚流，其与涡轮有啥区别。如图6所示，滚流为蓝色线条，涡轮为黄色线条。

图6滚流和涡流示意图

最早发现滚流和涡流都能够提高提高压缩终了时燃烧室内空气运动的湍流强度，可以促使火焰传播速率加快，燃烧持续期缩短，放热率提高，从而改善了燃烧过程，提高发动机的动力性。通过研究发现，滚流模式优于涡流，因为滚流的形成依靠缸壁和活塞运动，进气过程中可以保存有较大的动能，压缩过程中一部分动能使大尺度的空气运动破碎成众多小尺度的微涡，提高了缸内的湍流强度。而涡流一般经历着不断衰减的过程。另外，滚流采用直的切向气道，结构简单，阻力小，有别于涡流方式的螺旋气道，它常以气道阻力为代价来提高涡流比，因此滚流对充气效率影响较小，可以使气道获得较大的流量系数。所以目前如何提高滚流也是各主机厂的研究方向。

图7气缸盖形状设计

图8活塞顶面形状设计

图9滚流气流对比图

2.1.3气门正时

新款发动机与前款发动机一样，同样采用推迟气门关闭正时的阿特金森循环。采用新设计的凸轮轴，缩小了进气门的工作角度和气门升程，扩大了排气门的工作角度。通过这种优化，改善了进气门的响应速度，使得进气效率得到提高，尤其是EGR气体的引入变得容易。此外，排气门的工作角度得到提高，排气泵气损失得以降低，一方面缓解了爆震，另一方面提高扫气效果（图10）。

注：此为阿特金森循环特点，人为控制低进气量，提高膨胀比，虽然会提高燃烧效率，但是进气量较低，功率扭矩不足。与正常奥托循环气门时刻有所区别。

图10气门正时

2.1.4排气歧管

通过优化排气歧管的形状增强扫气性能，从而降低缸内的残留废气量和抑制爆震。同时，将三元催化器移到更靠近发动机的位置，以提高冷起动时的催化性能（图11）。

注1：排气歧管形状变更技术含量很高，一方面要考虑每个气缸的分配性，通过尺寸、内径的设计尽可能让每个气缸的排气背压一致，另外空燃比传感器的布置也要适当，以免空燃比传感器受某气缸的影响过大，导致控制的精确度下降。

注2：国5排放标准下，一般三元催化器的设计指标为起燃温度350℃（净化效率50%的温度），400℃净化效率要达到95%以上，所以发动机在启动时会强制推迟点火角，提高空气负荷率，提高转速，来保证让催化器快速达到工作温度。设计希望催化器离排气门越近越好，但是过近会导致排气气体的干涉，也就是A缸排气门的气体回流至B缸，引起爆震等问题。这里会存在设计取舍，本田催化器离排气门很近，必然用其他手段解决了爆震问题；马自达4-2-1结构解决了爆震问题，但是冷启动不得不让发动机“咆哮”来快速提高催化器温度。

图11排气歧管设计

2.1.5进气歧管

由于EGR气体被单独引入１～４缸的进气管路中，由于分送到各缸的EGR比例有差异，可能会使某个气缸产生爆震，所以，在设计时要将这种差异控制在1%以内。这款发动机通过在进气歧管的EGR通道上引出支管并优化流到各气缸EGR管路直径来实现的（图12）。此外，在进气歧管的设计中，同样，为了避免分配性问题，对直径和流向进行优化，来减小各进气道的进气量差异，以抑制爆震。

注：一般KCS传感器（爆震传感器）不能区分每个气缸的状态，一般当有一个气缸发现爆震问题，统一的会推迟点火角，也就是木桶原理，所以要提高气缸燃烧的一致性。这个也是难点，很多主机厂设计的发动机一致性一般，给标定带来难度，从而导致发动机的实际性能达不到设计指标。

图12EGR分配性

2.1.6点火线圈和火花塞

由于提高了EGR比例，这部分不参与燃烧的气体对着火性有影响，为了稳定的燃烧，采用高能点火线圈来增强点火，并优化了火花塞接地电极在缸内的位置（图13）。

图13火花塞接地电极定位

如图13所示，通过确定火花塞螺纹和气缸盖上的火花塞螺孔的起始位置来优化火花塞接地电极在缸内的位置。为了提高着火性，着火点放在混合气浓的区域，尽量靠近进气端。

2.2热管理

为了提高热效率，必须尽可能的挖掘热管理技术，通过改善暖机过程来降低阻力，通过降低燃烧室温度来减少爆震。

注：发动机在低温状态下，通过提高发动机温度、机油和冷却水温度，可以促进燃油的雾化，从而让燃料充分燃烧，提高热效率；在高温状态下，进气温度较热，燃烧室易发生早燃或者爆震，一旦出现这种情况KCS传感器会强制推迟点火角度，热效率降低，如果对进气温进行降低则可缓解爆震现象。这两个是一个矛盾体，必须依靠优秀的算法实现热管理技术，才能让发动机保持在合适的工作状态。

2.2.1双通道冷却系统

该发动机采用了双冷却通道，１个通道用于主发动机单元，另１个通道用于排气热量回收系统（EHRS）和加热器。这样就能在保持排气热量回收系统和加热器功能的同时，降低主发动机单元的冷却液循环流量，因此能加快暖机过程。双通道冷却系统是通过在冷却通路中增加１个截流阀来实现的（图14和图15）。冷起动时，截流阀关闭，限制流向发动机的冷却液流量，提高了暖机性能。当暖机结束后，截流阀开启，增加流向发动机的冷却液流量，确保了所需的冷却性能。

图14截流阀安装位置

2.2.2EXPAD发泡橡胶水套隔板

为了优化气缸的冷却，安装了１个EXPAD发泡橡胶制成的水套隔板。在缸体水套中水套隔板与控制冷却液流动的金属板相连（图16）。通过对冷却液流动方向沿程阻力的控制，使散热能力向气缸盖集中，从而降低排气侧周边的温度，减少爆震，另外对发动机机体的冷却有所降低，从而通过气缸的物理膨胀降低活塞与气缸的摩擦，并且能够提高机油温度，降低机油粘度（图17）。

图16采用EXPAD发泡橡胶的水套隔板

图17水套温度分布情况的对比

2.2.3气缸盖和缸体

气缸盖的排气道下部的水套通路全部通过气缸盖底面（图18）。由此引起的冷却性能的提高可以减少爆震和降低冷却液压力损失。另外，通过增加Ｖ型钻孔水道，也可以提高冷却性能和减少保证，它能使缸体气缸孔周边的壁面温度降低10℃（图19）。

图18气缸盖水套

图19缸体上V型钻孔水道

2.3降低摩擦

采用了降低零件之间的滑动阻力和减轻质量等多种方法来减少摩擦损失。为了优化润滑油尽可能的覆盖，在曲轴轴承开了细油槽（图20）、使用了新转子廓型的机油泵（图21）和低粘度的0W-16发动机机油。机油泵的输油量提高了20％，以提供足够的机油压力，确保能低粘度发动机机油可靠运行，使机械损失比原发动机的有所减少。

图20带细油槽的曲轴轴承外形和作用

图21采用新转子廓型的机油泵

通过采用窄摇臂、紧凑型气门弹簧上座和蜂窝状气门弹簧减小了配气机构的惯性质量和负荷（图22）。采用以上变更后，气门弹簧的负荷降低22％。

图22气门弹簧和气门机构零件

其他降低滑动阻力的方法包括采用窄连杆轴承、活塞裙部进行表面光滑处理，以及采用低摩擦的树脂涂层（图23）。采用这些改进措施后，使活塞的摩擦损失比前款活塞的降低了8.3%。此外，通过采用低摩擦链条和降低链条滑动件材料的摩擦，使链条传动系统的摩擦损失比前款发动机的降低了22%（图24）。这些技术的采用使摩擦比原发动机降低了13.8%（图25）。

图23活塞裙部表明改进处理

图24链条摩擦降低

图25摩擦降低量的细分

本文介绍了丰田在卡罗拉双擎/雷凌双擎上发动机采用的某些提高燃油效率的技术。除此之外，该发动机还采用了其他50多项提高燃油效率的技术。这些技术的综合应用使得该款发动机成为世界上首款最高热效率达到40%的汽油机。并且，这些设计理念被很好的验证与传承，被应用到TNGA平台下DynamicForceEngine发动机上（现款凯美瑞、ES、亚洲龙、CHR、未来的UX等）。

因为卡罗拉属于A级别车型，该发动机必然受到成本和原型机的限制，有部分技术无法得以使用，这些技术，进一步在DynamicForceEngine发动机上得以实现，并帮助DynamicForceEngine发动机达到41%的热效率（混动车型）。