2 发动机规格和燃烧理念
发动机的参数如表2所示,为了实现高速燃烧,需要更高的进气流动和气缸内涡流。这款发动机作为丰田旗下最小的排量的直喷发动机,气缸直径很小。对此,为了让直喷喷雾在喷到气缸壁面前就能够与空气充分混合,气缸内必须有强烈的空气流动。这款发动机从进气管形状自由度与搭载便利性以及成本出发,选择了直喷系统,进气管形状也进行了最优化,提高进气流量,增强缸内滚流,见图1。如图2所示,横轴为滚流比,纵轴为流量系数,可以看出,丰田系列发动机在提高滚流比上是走在前列的,这得益于丰田很早就开始研究滚流效果。
表2 1.2T发动机规格
图1滚流示意图
图2 流量系数和滚流比
此外,基于使催化器快速起燃而推迟点火正时的条件下,为了实现稳定燃烧,将传统的浅盘型活塞改为碟盘曲线形活塞,而且不会衰减缸内滚流。通过这些措施,一方面提高了滚流比,另一方面抑制了滚流衰减,特别加强了缸内压缩行程后期的涡流(图3)。
图3 不稳定滚流比和涡轮强度的对比
注:提高缸内涡轮的意义是提高燃烧速度,因为在汽油机中依靠火花塞点火再逐渐传播需要一个过程,虽然很快,但是相对于发动机转速和气缸上下活塞运动的速度来说,有点慢了,我们知道,为了提高性能、油耗、排放都希望燃烧有效压力最高,但是因为燃烧速度的原因,压力会损失掉一部分,所以,现在几乎所有的主机厂都在为提高燃烧速度努力。
该发动机采用了与丰田公司其他缸内直喷发动机相同的扇形喷雾。不同的是油膜厚度更窄(图4),这项喷雾改进增加了燃油和空气之间的剪切力,促进了燃油的雾化。与传统扇形喷雾相比,喷雾的长度下降了23%,从而降低了气缸壁上的燃油附壁量。此外,为了减少燃油对进气门的冲击,以及减少燃油撞击气门头部背面散射到气缸壁上的燃油,优化了气门倾角和喷油角度。
图5 扇形喷雾对比
此外,将单个循环内的燃油喷射分为多点喷射,在不同的活塞位置时刻进行喷射,一方面实现分层燃烧,促进火焰传播速度,另一方面减小了喷雾油束的长度。
图6示出不同发动机和不同喷油器的机油稀释率。燃油喷雾和配气机构的优化减少了燃油附壁量,改善了机油稀释问题,同时也改善了混合气的空燃比。如图所示,在不改变控制的前提下,单纯改变喷油器结构(新型インジェクタ),燃油稀释率降低33%,进一步对进气门进行优化后(バルプ狭角変更),燃油稀释率降低58%,对发动机控制策略进行优化,比如采用多次喷射后(マルチ噴射),还可以降低26%。效果显著。
注:从图中也可以看出,只提高硬件是不够的,必须与控制策略协同才能够达到良好的改善效果,目前国内通过采购和设计,在硬件上可以达到同等水平,但是控制策略国内主机厂和国外差距巨大。
图6 燃油对机油稀释率影响