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丰田的发动机是如何做到热效率40%的?

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我来分享一下丰田发动机40%热效率是如何实现的:最新的2019年沃德十佳发动机中本田2.0L阿特金森循环发动
丰田的发动机是如何做到热效率40%的?

我来分享一下丰田发动机40%热效率是如何实现的:

最新的2019年沃德十佳发动机中本田2.0L阿特金森循环发动机和丰田2.0L自然吸气发动机携混合动力系统双双获奖。在多年的涡轮增压小型化以后让自然吸气混动发动机重回主流。(图1)

其中丰田最新的2.5L 和2.0L Dynamic Force Engine发动机,采用阿特金森循环,混合动力版本热效率能够达到41%(图2-图4),即使非非混动的普通版本也可以实现40%的最高热效率(图5),是当今量产发动机里面最高的热效率的发动机(图2)。我们来看一下丰田是如何实现40%热效率的:

一、为何丰田要选择自然吸气搭配混合动力

其实采用了简单高效的自吸发动机搭配混合动力系统这已经成为趋势。这主要是以下原因:

1.自吸发动机热效率高

混合动力发动机由于有电机的帮助,原来增压发动机带来的高性能,快速响应,低速扭矩等性能已经不需要了,全部交给电机来完成。因此发动机的设计只需要考虑最高效率点运行,而自然吸气发动机由于摩擦更低可以在固定点实现非常高的热效率。

2.自吸发动机简单可靠成本低

自然吸气发动机由于没有复杂的涡轮增压系统,这样就不需要增压器,中冷器和相关管路,机油冷却,增压器冷却管路。由于最高性能不高,因此各种结构件的材料和强度相比增压发动机也要低很多。

由于零件少,因此和增压发动机的成本相比具有非常明显的优势。这些降低的成本正好可以弥补一部分混合动力增加的电机和电池的成本,使混动车型的价格不会增加太多。

二、丰田Dynamic Force Engine的40%热效率是如何实现的

丰田的技术方案主要体现在三个方面:先进燃烧系统,降低摩擦,优化冷却。下边我们分别来看一下

(一)先进的燃烧系统

丰田采用了当今最先进的自然吸气燃烧系统。

1.阿特金森循环

为了实现40%的热效率,丰田燃烧系统的核心是采用了阿特金森循环。简单的说就是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,这样有两个好处:

(1)部分负荷下可以显著降低泵气损失。

(2)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,所以热效率会比较高。

基于阿特金森循环,丰田选择了高达13的压缩比(混合动力版本压缩比14,功率略有降低)。

2.电动进气VVT

丰田在进气凸轮轴上采用了电动VVT。排气保持原来的液压驱动VVT来降低成本。主要是阿特金森循环需要电动宽角度调节的可变气门正时系统VVT的支持,这样可以实现快速的VVT调节,满足进气门晚关策略的实现。

3.高速燃烧系统和冷却EGR

为了保证阿特金森循环的燃烧稳定性和热效率,丰田采用了高速燃烧系统。为了加快燃烧速度,需要尽量提高进气滚流,也就是加快进气在缸内运动的速度,使油气混合更快,更均匀,燃烧速度也就更快。(图3)

(1)激光涂附的气门座圈

为了实现高滚流气道,丰田采用了先进激光涂附的气门座圈工艺,大大减小了传统压入式气门座圈占用的宝贵进气道入口空间,留出更多空间给气门来进气,从而实现高滚流。同时,这种工艺还提高了座圈的耐磨程度和适应全球不同油品的能力。(图4)

(2)高EGR率

EGR就是废气再循环,将一部分排气中废气重新引入汽缸内部参与燃烧,这样可以降低小负荷时的泵气损失,降低燃烧温度。但是过大的EGR率会引起燃烧不稳定,丰田设计的高滚流和快速的燃烧系统可以容纳更大的EGR率,Dynamic Force Engine的EGR率最高可以达到25%,这是非常高的水平了,可以进一步降低油耗。

由于排温比较高,EGR废气返回进气管时需要冷却,丰田让EGR通道穿过缸盖后端,通过缸盖的水套冷却EGR。(图5)

4.双喷射系统

Dynamic Force Engine采用了丰田的双喷射系统。也就是每个气缸有两个喷嘴,一个GDI直喷喷嘴加一个PFI气道喷射喷嘴。基本控制策略是:在小负荷时采用气道喷射喷嘴,在大负荷时采用GDI直喷喷嘴,中间负荷两种喷嘴共同工作。双喷射系统主要的目的有两个:

(1)降低颗粒物排放

由于直喷系统虽然高速高负荷效率更高但是会产生颗粒物排放。因此,增加一个PFI气道喷射喷嘴在低负荷工作,就可以避免颗粒物排放了。

(2)降低油耗

在小负荷PFI气道喷射喷嘴工作时,高压喷射系统不工作,高压油泵需要保持非常低的气道喷射供油压力即可,因此阻力会降低,有利于降低油耗。

(二)降低摩擦

1.低摩擦活塞设计

为了降低摩擦阻力,丰田在活塞上裙部上加工了特殊的交叉沟槽,采用了特殊树脂涂层涂附在沟槽位置来降低摩擦。

2.连续可变机油泵

为了降低润滑系统的阻力,丰田在采用了基于MAP控制的连续可变排量机油泵,这种设计可以在低速低负荷采用低油压来降低机油泵驱动阻力,提高效率,在高速高负荷采用好油压来保证润滑。(图6)

(三)优化冷却系统

1.高效的垂直流动的冷却系统

为了降低水泵的负荷,同时保证冷却效果,丰田把传统的水平流动的的冷却系统改成了垂直流动的冷却系统。同时在缸体水套排气侧增加了一个特殊的水套隔板WJS来改善水流分布,使缸体上部接近燃烧室部位得到更好的冷却,从而降低爆震的风险。(图7)

2.电子水泵

为了降低冷却系统的阻力,丰田设计了电子水泵来取代传统的机械水泵。同时,电子水泵还可以灵活控制冷却流量来控制发动机的温度,加快发动机暖机,进一步降低油耗。

3.集成式排气管

为了提高大负荷下的热效率,必须降低大负荷下排气温度。丰田设计了集成式排气管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。(图8)这样有两个好处:

(1)排气能量被冷却系统带走,加快了发动机的暖机过程,有助于进一步降低油耗和排放

(2)排气温度能够大幅度降低,从而减小催化器温度保护加浓的区域,改善高速大负荷时的效率。

总结一下,丰田几乎把目前自然吸气发动机最新的成果都集成在了Dynamic Force Engine上,尤其在燃烧系统方面将阿特金森循环和高速燃烧系统结合,平衡了效率和性能的矛盾,在达到40%热效率的情况下还能实现60kw/L的升功率,可以说是当前自吸发动机的标杆了。(图9)

说明一下:马自达的50%热效率压燃发动机Skyactive X发动机还要等到2019年6月以后才回上市。因此暂时丰田Dynamic Force Engine混动的41%热效率是量产发动机中的最高热效率水平了。

以上信息供大家参考,欢迎讨论。对发动机感兴趣的朋友可以关注我,每周会发布原创的发动机技术和产业的专业解读,谢谢支持!

丰田的发动机已经不值一提了,现在热效率最好的是马自达

工匠精神,慢慢研究出来的,

中国是怎么把卫星送上天空的?

据说是拿混电技术和马自达换得,不过马自达最新的热效率应该超过50%了。

热效率!买个车回来是开的,难道是用来取暖的!营销卖点而已!

牺牲动力换油耗

个人觉得这个应该是极限效率。大多数车主无法做到的。和纯电动汽车最大续航里程没区别

我只想问知道电动机的效率吗?

标签:新车上市,发动机,降低

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