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m20c发动机质量怎么样(超深度开发解密)

[精益求精]丰田M20系列2.0L发动机超深度开发解密上

1摘要

我在之前的文章中,深度介绍了丰田新一代全球架构(TNGA)平台以及TNGA平台下首款Dynamic Force Engine 2.5L的自然吸气发动机A25系列。本文将介绍第二款发动机,2.0L的自然吸气发动机M20系列。这款发动机很先进,在前辈A25发动机吃过螃蟹后,该发动机进一步精益求精,查漏补缺,成为目前民用级2.0L自然吸气发动机的综合性能之王,凌驾于目前市面上的近乎所有2.0L NA发动机(只有部分性能车,比如水平对置2.0L或者本田红头机能在某些参数上领先)。

其搭载在凯美瑞/亚洲龙上的M20C版本功率达到了131kW,接近部分2.0T涡轮增压发动机,其油耗能做到5.5L/100km,比肩众多搭载小排量涡轮增压发动机的A级车。

[精益求精]丰田M20系列2.0L发动机超深度开发解密上

表1 M20 发动机家族系列

下面将详细地对该发动机进行开发解密。

2前言

随着国际上节能减排大环境的影响,对汽车动力总成的要求将越来越严格。为了满足这些要求,动力系统变得更加多样化,比如电驱动、内燃机电气化和燃料电池等。这些新系统对技术的推进是重要的,但同时,丰田认为内燃机仍然是重要的组成部分,因此需要进一步挖掘燃油经济性并遵守排放法规。此外,丰田在热效率的追求上造诣颇深,很早就在混动车型实现40%的热效率,但是,过于追求热效率往往会降低驾驶感受(动力性能),所以必须平衡动力性与热效率,以实现足够的”驾驶乐趣”。为了实现这两个相互矛盾的设计目标,丰田对发动机的基本结构进行了全方位优化。通过高速燃烧理念,使两者都能提高。作为新TNGA发动机系列的第一款重磅发动机,2.5L的A25系列发动机得以开发,并首先安装在全新2018款凯美瑞中。

当然,只有一款发动机是远远不够的,丰田将TNGA概念应用到新的2.0L发动机上。丰田TNGA构架的核心理念就是设计通用化,因此在开发过程中,2.0L发动机也沿用了2.5L发动机的燃烧设计。针对因排量不同的差异点,进行了针对性优化,比如对喷油器孔的结构进行了修改,以抑制气缸直径变小导致的湿壁恶化。此外,这与新开发的无级变速器(Direct Shift CVT,又称WCVT)相结合,使动力性和燃油经济性在更高水平上达到平衡成为可能。本文将详细介绍了这些成果。

PS:相关文章我都已经写过,可以关注我看下相关文章。

3 发动机目标

目前主流B级车的动力性和燃油经济性趋势如图1所示。在开发新车型时,设定目标是实现国际上最高水平的燃油经济性和动力性能(平衡燃油经济性和动力性)。此外,设计目标不仅仅只针对节气门全开(WOT)下0到100km/h的加速性能,也考虑实际驾驶经常用到的50km/h到80km/h的全负荷加速性(30mph~50mph)。

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图1 0-100km/h加速时间与燃油经济性的关系

热效率和升功率的变化趋势如图2所示。一般来说,热效率和升功率是一个矛盾关系。之前量产丰田发动机的最大热效率为40%,升功率约为40kW/L。全新TNGA架构的凯美瑞的A25发动机系列打破了这种权衡,发动机有40%热效率,并且升功率超过60kW/L,混动发动机达到41%,52kW/L,实现了世界上最高的热效率。TNGA的设计理念也应用于2.0升发动机。常规发动机的目标是达到40%的热效率,升功率更进一步,超过62kW/L。这种高升功率将实现足够的动力性能。

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图2 热效率与升功率的关系

4 TNGA燃烧概念

如图3所示,TNGA发动机的核心概念就是高速燃烧。通过高速燃烧实现了热效率和升功率之间的矛盾。在热效率方面,可以强化阿特金森循环,并扩大EGR极限比例,降低泵气损失和冷却损失,此外,它还可以减少爆震,从而压缩比进一步提高。在升功率方面,它抑制了未燃燃料的低温氧化反应,改善了爆震的问题,并有助于提高发动机性能。

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图3 丰田新全球建筑燃烧战略

在讲述A25系列发动机时也强调,丰田过去发动机系列采用了不同的技术和不同的基本结构,如图4所示,因此每个发动机的开发过程不同,造成了人力与资本的浪费。对于TNGA系列,从一开始就对其基本结构进行了通用化改进,有助于实现更高效的开发。

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图4 TNGA架构概念

5新型2.0L 发动机的改进

5.1进气门设计

在普通发动机上,发动机的功率是满足动力性能要求的重要条件,混动发动机可以通过电机输出辅助来获得良好的动力性能,如表2所示。

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表2 M20发动机的设计目标

另一方面,发动机运行中经常使用爆震极限附近的高效区域,因此,利用外部EGR抑制泵气损失和扩大MBT区域是有效方式,由于EGR会阻碍燃烧从而破坏燃烧的稳定性,为了获得较高的EGR系数,需要保证足够的湍流。M20发动机在不改变原型机基本结构的情况下,通过设置进气道来满足这些进气性能要求。详细设计如图5所示。

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图5 基于CFD的进气道设计

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图6 燃烧室进气流场图

如图7所示,该图为不同进气道下滚流比和流量系数的关系。新设计的进气道采用激光熔覆技术(见A25发动机介绍),在相同流量系数下,滚流比提高了约2.7倍。

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图7 滚流比和流量系数关系

5.2 排气门设计

为了获得更高的升功率,除了通过优化进气道形状来提高容积效率和燃烧效率外,还对排气道的形状进行了修正。图8显示了两个原型排气道的CFD结果,图9显示了排气道流量系数的实验结果。从这些数据可以看出,在低压差下(中小负荷),两中排气道之间没有明显的差别,但是在高压差(大负荷)条件下,排气道B的流量系数更高,CFD结果表明,优化后的排气道形状抑制了尾气流出的离散性,扩大了有效截面面积。如图10所示,在发动机高速运转时,排气的泵损失降低,从而提高了发动机性能。

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图8 不同排气门在不同压力下的结果

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图9 排气门流量系数的对比

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图10 排气道优化设计降低排气的泵气损失

5.3 M20发动机规格

表3 为该新型发动机与上代1.8L发动机的对比,M20也经过了多次优化,实际设计指标更高,比如凯美瑞上升功率达到了65.5kW/L。红色方框是我认为该发动机比较先进的地方,尤其是2A/F所对应的控制策略,有效的在不增加催化器成本下,满足了国6B排放,该设计方案全球领先,光这个设计可以让催化器成本降低上千元,从而让丰田车具备市场竞争力。

PS:控制相关的和A25高度接近,详细设计内容参阅我之前写的A25系列文章。

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表3 发动机规格对比

5.4 发动机控制策略

图11的左图显示了CHR在实际驾驶中的发动机使用工况以及各区间的油耗改进策略。发动机在中、低负荷工况下使用频率较高,针对此区域主要是降低泵气损失、冷却损失和机械损失。M20发动机为了减少泵气损失,在低负荷工况采用气门重叠角,增加了阿特金森循环循效果,在中负荷工况下增加了EGR比例。同时,在高负荷工况下,采用大比例的EGR缓解爆震。

图11的右表显示了不同工况负荷下的控制概念。简单来说,就是低负荷气门使用阿特金森循环循,使用PFI提高雾化性,降低冷却效果减少冷却损失,降低机油压力减少机械损失;中低负荷使用气门重叠扩大内部EGR效果,采用D-4S喷射控制,让来不及雾化的汽油用直喷喷射,降低冷却效果和降低机油压力;高负荷气门采用提高滚流比策略,采用D-4S喷射控制,扩大外部EGR比例(滚流比增加可以提高EGR系数),增加冷却效果控制爆震,提高机油压力增加冷却性能;全负荷下气门力求进入更多气体,关闭EGR保证燃烧稳定,采用DI多次喷射,冷却性能提高并降低目标冷却温度,机油压力也提高。

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图11 发动机基本控制思想

5.5 热效率和全负荷性能

图12示出了M20发动机和上代1.8L发动机之间的热效率对比。随着负荷工况的提高,机械损失比越低,热效率越好,然而到达某爆震极限点后,点火角无法达到MBT,热效率出现下降,爆震极限线周围为最高热效率点。一般来说, DI发动机最高热效率点在BMEP 0.7-0.8MPa左右。随着发动机排量的增加,发动机的最佳热效率区间扭矩会更高,这意味着日常驾驶区域使用到的扭矩区域燃油经济性普遍较低。M20发动机由于高速燃烧策略可以适当增加EGR系数,能够在中低负荷区间下也能达到最大热效率,因此,达到40%的最大热效率。此外,如图20所示,扭矩与功率得到全方位提升, 全负荷下升功率62.5 kW/L以上,这一方面超过了A25发动机。

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图12 热效率图对比

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图13 全负荷性能

5.6 整车性能

在M20搭载的首款车型C-HR上,除了采用新发动机外,还采用了全新无级变速器(Direct Shift CVT,也称WCVT),实现了宽传动比,提高了传动效率。如图14所示,与当前的CVT相比,同样的驾驶工况下,发动机转速更低,负荷更大,车辆可以保持在高热效率区域运行。因此,如图15所示,我们可以看到在WLTC工况下,平均热效率显著提高。此外,由于起步挡位是AT,没有传动迟滞,因此0-100km/h的加速时间提高了7%或更多。

PS:详细CVT的解析参照我的文章。

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图14 现有CVT和WCVT对比

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图15 热效率与0-60mph加速时间的比较

6 DI喷射改善(降低排放技术)

如前文所述,基于TNGA燃烧设计理念,M20发动机硬件上也先沿用A25发动机。燃烧系统也采用DI和PFI相结合的D-4S系统,并将TNGA开发的锥形多孔DI喷油器和新型PFI喷油器(新型喷雾布局)推广到M20发动机上。然而,由于气缸直径的减小,直喷燃油喷雾的长度不变的话,对气缸壁面的湿壁效应更加严重(Pistion wetting),严重影响PM/PN排放。因此,对DI喷雾进行了改进。通过实际分析,如果沿用A25发动机喷油器的话,缸内燃油残留的分析结果如图16所示。Y轴为总喷射量的燃料润湿率。无论喷油时刻如何调整,燃油壁面附着都无法缓解。如图17的CAE分析也显示了气缸排量降低导致的气缸直径缩小,气缸湿壁变得更加严重。燃油湿壁程度越高,低温下排放量越大,PM(颗粒物)越差,冷启动机油增多越明显,暖机下的WOT性能也会被爆震影响(局部发生早然)。

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图16 不同气缸排量下湿壁程度对比

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图17 A25和M20气缸湿壁效应的对比

此外,如图18所示,通过CFD分析,在靠近喷油器油束的气缸壁面,壁面燃油附着呈现几何倍数的增加,因此有必要适当减小油束的喷雾长度。一种减少喷雾长度的方法是减小喷孔直径。也就是说,通过减小喷孔直径,可以减少流量,达到降低喷雾长度的目的。但是,为了满足总单次喷射量的要求,就必要扩大其它的喷孔直径。

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图18 CFD模拟燃油壁面附着和喷雾/气缸的关系

喷雾模拟结果如图19所示,左边为统一喷孔直径,右边为不同直径,通过分析,总体喷雾被某些大喷孔的喷雾影响,喷雾长度反而变长了。同时,在不同流量的喷孔中,喷孔上的沉积物(积碳)的脱离力根据不同喷孔而变化。因此,对积碳的预防与控制处也是一项具有挑战性的任务。

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图19 喷孔孔径的影响

换个角度来思考,直喷多孔喷油器的喷孔形状为锥形膨胀喷孔,高压燃油在喷孔出口处的分散,形成与锥形表面一致的膨胀分散流,从而实现雾化。图20显示了基于改变锥角角度(Taper angle)下对喷雾厚度和穿透性的分析,该分析结果表明锥角厚度确实会影响到喷雾长度。随着锥角的增大,喷雾厚度与长度进一步减小,从而促进了雾化。但是在实际的喷雾布局中,由于锥角的扩大,壁面燃油附着反而更加严重了。

图21显示了相同布局、不同喷油器锥角下的燃油附着结果。从结果来看,上一段分析提出的锥角扩大是会改变喷雾形状的。但是由于锥角扩大后,相互间造成了喷雾干涉,导致局部壁面附着更加严重。

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图20 锥角控制喷雾长度

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图21 喷孔锥角对喷雾形状的影响

为了克服这一矛盾,只将边上需要抑制喷雾长度的喷孔进行锥孔扩大,其他喷孔不动,并且调整了每个喷雾之间的间隙。改进前后的喷雾评价结果如图22所示,结果表明,扩锥角喷孔的喷雾长度变短,且与改进前相比,中间喷孔的喷雾长度也有所降低。根据图23所示的CFD分析结果,该喷雾形状可以减少气缸内了湿壁效应。

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图22 单形状锥孔和多形状锥孔下喷雾特性的对比

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图23 CFD结果对比演示图

7 驾驶性(Fun to Drive)

对于车辆动力性能来说,全负荷下加速是重要指标之一。同时,在日常驾驶中,需要有加速感、平顺感、直接感等感官感受,才能实现足够的驾驶舒适性和驾驶乐趣。丰田为该发动机匹配了手动变速器(MT)和全新无极变速器(WCVT)。

新型无级变速器除了在燃油经济性、加速性能和NVH性能方面有显著提高外,还通过提高传动比提高发动机高效区间的使用频率。对于该新结构,不仅利用现有钢带轮所保持的金属带传递动力,还增加了用于起动和低速行驶的齿轮传动机构,与钢带传动相比,在低速侧设置的高效直接档用于起动和急加速,发挥出发动机的性能。通过采用M20发动机与WCVT,通过高扭矩的最大利用实现了良好的加速响应。图24通过比较C-HR和竞争对手的车辆,显示了车辆在全负荷起步加速时的G值情况。通过起动的齿轮传动,实现了NA发动机特有的直接加速感和快速响应,在与小尺寸涡轮增压发动机的竞争中,响应性上具有优势。

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图24 全负荷加速下G值

此外,为了在日常驾驶中获得良好的驾驶感受,体现出运动感,我们在开发过程中重点关注”线性”(车速/驱动力/发动机声音相互间的衔接)。图25显示了车辆在全负荷加速度下,从档位驱动切换到钢带驱动,以及随后的钢带驱动升档过程。从图中看出,虽然丰田表示齿轮切换至钢带是顺滑的(smoothly),但是实际上还是有较为明显的冲击的,切换到钢带模式后,丰田人为设计了几个档位,模拟出AT的直接换挡感觉。

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图25 全负荷加速度下的齿轮传动特性

图26示出了在40km/h速度下,25%油门踏板的加速性对比,通过对驱动力特性的修正和换档控制及操作区域的优化,加速响应性得到提高。传统CVT加速滞后的问题得到解决。

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图26 车辆g在扫掠加速度下的性能比较

8 小结

丰田TNGA平台下全新动力总成2.0L NA+WCVT,都是比较先进的技术。丰田以前给大家的感觉就是可靠性不错但是动力系统平平无奇,这套动力总成给丰田车型C-HR带来部分运动感,应用在凯美瑞身上也深化了省油的优势,提升了丰田车型的产品力。

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