丰田卡罗拉/雷凌双擎1.8L发动机省油技术解密（下）

内容来自公开资料Toyota Technical Review

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（Toyota New Global Architecture）平台下的Dynamic Force Engine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。

Dynamic Force Engine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善款进行过不断验证，Dynamic Force Engine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。

作者曾参与Dynamic Force Engine研发，本文从工程师的角度出发，用白话文的形式和大家进行交流。

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%（现在为止也是行业领先水平），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%，发动机也被称为8ZR-FXE（ESTEC 2ZR-FXE）。这款发动机被应用于目前深受好评的丰田卡罗拉双擎和雷凌双擎上面，也用在第四代普锐斯上。这款发动机很多提高燃油经济性的理念，被应用到Dynamic Force Engine发动机上。

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10丰田卡罗拉/雷凌双擎1.8L发动机省油技术解密（上）

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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）。冷车启动时，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，截流阀打开，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 截流阀安装位置图15 冷却系统回路图
2.2.2 EXPAD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％。