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更省油、更可靠 丰田1.2T重新定义小排量涡轮增压

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更省油、更可靠 丰田1.2T重新定义小排量涡轮增压

CAFé是“企业平均油耗标准”的缩写,按照中国政府的规定,到2020年,企业平均油耗标准要达到百公里5升!可以毫不夸张的说,企业平均油耗标准将成为高悬汽车企业头顶的达摩克利斯之剑。

问题:究竟丰田的1.2T发动机有什么特别之处?

为了实现更为苛刻的2020年5.0L/百公里的平均油耗目标,推出小排量涡轮增压发动机车型、发展新能源以及混合动力技术成为多数企业做出的选择。

回答:

和其他车企专注一个点研发纯电动或者PHEV不同,丰田的解决之道,并不是选择一个点,而是各种技术路线全面开花,既有HEV、PHEV、EV、FCV等新能源,也有传统小排量涡轮增压。

丰田在雷凌和卡罗拉上采用了1.2T的涡轮增压直喷发动机。这是丰田推出的第一款小排量涡轮增压直喷汽油机,4缸1.2T,这个宝马,日产,PSA的做法不同,他们在1.2排量的增压发动机上都用了三缸设计,而丰田坚持4缸。下面我们来仔细分析一下这个发动机,看看它到底怎么样。

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首先说一下这个发动机的背景:这个1.2T发动机是丰田ESTEC发动机家族的一员,ESTEC就是Economy with Superior Thermal Effcient Combustion的缩写,也就是:带有优异热效率燃烧系统的高效动力的意思,感觉很拗口,这个燃烧系统是以阿特金森循环为基础的。

从上图可以看出,在相当长一段时期内,传统内燃机仍将占主导地位,尤其在2020年之前。所以,不在传统动力领域下功夫,是不可能达到“2020年5.0L/百公里的平均油耗目标”的。

ESTEC发动机目前包含两款,8AR-FTS和8NR-FTS,其中8AR-FTS就是汉兰达上用的2.0T前面几周我发过这个发动机的分析,有兴趣可以去看一下,而8NR-FTS就是我们今天要说的1.2T。

虽然政府在大力倡导新能源车,可是每天在路上行驶的车辆,90%以上依然是传统的汽油车,所以如何把这90%以上的传统动力汽车做的更好、更低排放,才是真正脚踏实地的解决之道。

这个1.2T在丰田也叫D-4T,是Direct injection 4-Stroke Turbo Engine的缩写,也就是直喷四冲程增压发动机。

这也是为什么丰田选择在这个时间点,在中国导入1.2T发动机的原因。首先搭载在卡罗拉/雷凌这两款车上的这台1.2T发动机,具体有哪些特点呢?和别的小排量涡轮增压发动机又有何不同呢?

丰田1.2T发动机的性能并不突出,只有85kw,185Nm。但这并不代表这个发动机不先进。下面简单分析一下这个发动机采用的主要有特色技术方案。

01 最重要一点:它不烧机油

1.阿特金森循环燃烧系统

涡轮增压发动机实现了小排量、大功率,发动机在不改变排气量的前提下,利用涡轮增压器增加发动机的进气量,提升了发动机动力,实现了更大排量的动力,更小排量的油耗。但涡轮增压发动机同时也存在缺点,其中“烧机油”就是用户吐槽最多的一个问题。

丰田1.2T发动机采用了阿特金森循环,阿特金森循环的话题最近讲过好多次了,是个热门话题,简单再说一下:阿特金森采用进气门晚关的方法,把进入汽缸的空气再压回进气管一部分,这样给活塞加速做功的冲程就长于实际用于压缩的冲程,也就是膨胀比大于压缩比。所以效率会比较高。

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为了实现阿特金森循环带来的油耗降低,丰田1.2T发动机采用了中置油压控制阀,中间锁止技术的VVT。虽然没有采用电动VVT,但是在传统液压控制的VVT中这个配置是最先进的了。相对于传统的间接驱动,单侧锁止的VVT这种技术VVT调节的相应速度更快。同时,由于可以向提前和滞后两个方向调节,所以调节的自由度也更大。通过VVT控制策略的优化来平衡泵气损失和高膨胀比带来的效率优化,最终发动机的最高热效率达到了36.2%,这是相当好的水平了。

丰田1.2T发动机通过加设独特的高压喷射泵,将窜气(“窜气”是指通过气缸和活塞的间隙向下泄漏的未完全燃烧的混合气体,会导致机油劣化而造成发动机“烧机油”)再次送回进气道,增压的同时进行换气,这样即可有效减少窜气与机油接触的机会,从而有效解决了“烧机油”这一涡轮增压发动机的“癌症”。

阿特金森的缺点是会影响性能,这也是这款发动机性能不突出的一个原因。

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2.缸盖集成带水套冷却的排气管。

02 它比对手更省油

这种设计将排气管集成在缸盖上,利用缸盖的冷却水来降低排气的温度,从而避免增压器超温引起的排温保护加浓,从而满足欧6B中关于RDE实际道路驾驶工况排放的要求。丰田的1.2T发动机的集成式排气管采用了上下分层冷却的方式,提高了冷却效率。同时,尽量加长了排气道的长度,从而进一步降低4缸排气能量之间的相互干扰,提高了增压器效率。由于集成式排气管的采用,丰田1.2T发动机可以几乎在发动机的全部工况都保持过量空气系数=1的理想情况,划算到整车上,在时速190km/h以下,过量空气系数都可以保持为1,这对RDE排放非常有利。同时,不加浓的策略也使得发动机的最大功率受到影响。下面有个图示意了一下丰田的分层冷却的集成式排气管。

除了不烧机油,丰田这台1.2T发动机的一大亮点是热效率达到了36.2%。

3.单独的低温冷却系统。

那最高热效率达到36.2%又是什么概念呢?听起来好像也不咋地啊,因为车用汽油发动机热效率的世界纪录是40%——创下这一纪录的是丰田新款普锐斯那台1.8升发动机。

也就是除了普通的发动机冷却水循环外,额外为中冷器和增压器冷却准备了一套独立低温水循环。采用独立的电子水泵进行控制。这样中冷器可以采用水冷。

然而,普锐斯那是一台阿特金森自然吸气发动机,热效率天然有优势,涡轮增压发动机因为进气温度高,压缩比不能太高——否则会导致爆震,所以热效率一般都低于自然吸气发动机,和阿特金森发动机更没法比。

丰田1.2T采用了外置的水冷中冷器,其实,丰田ESTEC发动机的2.0T和1.2T都采用了外置的水冷中冷器,而不像大众EA211 1.4T一样采用进气管集成的内置水冷中冷器。外置水冷中冷器空间布置更容易,对进气管的空间和材料要求也降低了,是一种比较好的设计方案。其实,大众最新的EA211 1.5T evo发动机也已经改成外置式水冷中冷器了,这方面可以说大众参考了丰田的设计方案。水冷中冷器相对于空气冷却中冷器来讲冷却效率更高,而且由于水的热容很大,对发动机的瞬态性能也有帮助,因此,在新设计的增压直喷发动机上水冷式中冷器是一种比较常见的设计,尤其是小排量的增压直喷发动机水冷式中冷器几乎成为标准的设计方案。

所以,一款涡轮增压发动机的热效率能达到36.2%,是相当了不起的技术进步。

4.优化的燃烧系统设计和多次喷射策略

一般涡轮增压发动机,根本不可能达到这么高的水平。那么丰田是如何做到的呢?这就要归功于丰田的VVT-iW可变气门正时系统。

丰田1.2T采用了单直喷喷油器的方案,不像2.0 T那样采用直喷加气道喷射的双喷射方案。

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针对1.2T丰田专门优化了喷油器的油束设计和喷射策略,来大大的降低了汽油进入机油造成机油稀释的可能性,机油稀释在发动机开发的时候是喷油器,活塞顶设计、气道包括奇门夹角设计及喷射策略制定时重要的开发内容。也就是图中所说的Oil Dilution。最终丰田1.2T发动机的机油稀释控制到了2%左右的水平,算是很好的结果了,一般开发的要求是小于5%。

采用这项技术之后,相当于这台发动机可以在传统循环和阿特金森循环之间切换。

这方面本田要好好反思一下如何在开发过程中避免1.5T机油稀释的问题。

阿特金森循环热效率高,但是缺点是低速时扭矩小,所以这台发动机在低速阶段采用传统工作循环,而在中高速阶段,切换为阿特金森循环,实现了原本不可能达到的极高的热效率。

丰田1.2T开发了较为复杂的多次喷射策略,主要考虑了冷启动性能,在冷启动情况下甚至用到了四次喷射。同时考虑了排放优化和预防早燃引起的超级爆震,下面有两张图是关于丰田1.2T的发动机多次喷射策略的示意。

此外,D-4S系统的缸内喷射部分,喷雾伞形和活塞顶也重新优化,并辅以多次喷射以达成分层燃烧的效果,这些措施都进一步改善了发动机的燃烧效果。因此,这台1.2T发动机也比一般的小排量涡轮增压发动机更加省油。

超级爆震是直喷增压发动机开发时需要重点考虑的另外一个重要课题。超级爆震是发生在点火之前由于燃烧室内热点的存在导致的自燃现象(普通爆震是在点火之后发生的,通过推迟点火可以控制),这种超级爆震会引发超高的爆发压力和冲击波,很容易击穿活塞,造成发动机严重损坏,因此在开发过程中必须尽量避免。

03 它比对手更可靠

增压直喷发动机更容易产生超级爆震问题,这是由于增压直喷发动机往往在低速能够输出最大扭矩,因此造成汽缸内压力温度比非增压直喷发动机要高,同时在大负荷时残余废气也会比较难控制。另外,直喷发动机会导致更多的机油稀释这也是引起超级爆震的另一个重要因素。

因为工作温度高、燃烧室压力大,涡轮增压发动机发生爆震的几率更大,极易损坏发动机。

5.通过优化的VVT控制策略来减小涡轮迟滞

为此丰田选择从源头入手——爆震的根本原因就是燃烧室温度过高,丰田在涡轮到进气门之间设立了一个水冷式中冷器,同时采用缸内直喷技术,降低燃烧室的温度从而抑制爆震发生,最大限度地发挥发动机的性能,并提高了耐久性,品质更有保障。

增压发动机的另外一个重要的问题是涡轮迟滞,这个问题主要是涡轮启动是要克服自身的惯性,这需要一定的时间。

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丰田利用中置油压控制阀双VVT响应速度快的特点,在急加速的低速大负荷时采用大的气门叠开角,使更多的空气通过涡轮机,使增压器能够快速启动,从而改善涡轮迟滞。下面图8显示了这种策略对动态响应的改善效果。

采用水冷式中冷器还有另一大优点,相比外置式的风冷中冷器,水冷式中冷器的体积更加紧凑,管路也更短,可以尽可能的贴近进气歧管,所以涡轮延迟的问题也被相应的降低了很多。

6.丰田1.2T和大众1.2T的比较

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