[聚沙成塔]丰田凯美瑞/亚洲龙2.5L发动机超深度开发解密中

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5 双喷射系统

5.1 双喷射系统目的

目前市面上主流发动机分为两种，进气管喷射和缸内直喷发动机。随着对性能要求的提升，缸内直喷发动机成为了主流。这是因为相比于进气管喷射，缸内直喷有一些先天优势：

（1）直喷可以降低爆震倾向

直喷系统直接将汽油喷射到缸内，汽油在缸内蒸发，能够降低缸内温度，可以降低汽油机的爆震倾向，尤其是对增压发动机，这样可以进一步提高发动机的功率和扭矩。

（2）直喷可以获得更高的充填效率

直喷发动机在直接喷射汽油到缸内，减少了气道喷射过程中汽油在进气道蒸发所占用的充气体积。有助于提高发动机充填效率，提升发动机性能。

（3）直喷的多次喷射可以改善燃烧

直喷喷油器的反应速度非常快，可以实现多次喷射，而且可以在压缩冲程实现喷射，这比气道喷射有很大的优势。直喷系统的燃油喷射正时可以比较自由控制，实现进气和压缩冲程中的多次喷射，目前最多可以达到5次喷射，有利于改善燃烧，降低排放。

图21 不同温度下的喷射策略（丰田某款）

然而直喷发动机也遇到了不少问题，尤其在排放和可靠性上不具有优势。比如说：

（1）PN/PM排放难以控制

和PFI气道相比，GDI更容易产生PN/PM问题，在国5之前，并没有对发动机有PN/PM的要求（或者要求很宽），在国6上，PN/PM的要求相当严苛。再不依赖GPF的情况下，几乎任何一款直喷发动机都无法满足PN/PM限值。主要原因一是由于直喷发动机汽油直接喷射在缸内，用于汽油蒸发和空气混合的时间很短，高压喷嘴喷出的燃油往往是小油滴状态下就参与燃烧，难免会出现局部混合不均匀的问题，这是颗粒物产生的根源之一。二是由于直喷系统直接将汽油喷射到缸内，再某些工况下，汽油会被喷射至活塞顶部或缸壁缝隙上，从而形成湿壁效应，这部分汽油无法参与燃烧也容易形成颗粒物排放（图22）。

图22 汽油液滴喷射至活塞顶面以及气门上

（2）直喷更容易产生机油稀释的问题

某品牌曾出现机油增多问题，直喷发动机相对于进气道喷射发动机更容易产生机油稀释，这主要是由于低温下，直喷油束直接接触缸壁，无法充分蒸发，随活塞环刮油效应进入油底壳，引起机油增多。

图23 湿壁效应

（3）直喷系统更容易产生气门积碳

直喷系统的汽油直接被喷到了缸内，而进气道喷射是将汽油喷到进气门背面进行蒸发的。由于汽油是一种高效溶剂，可以不断的清洗气门表面，因此积碳不会聚集。而直喷发动机气门没有汽油清洗，更容易积碳。这也是一般直喷发动机明里暗里都要求大家使用燃油添加剂的原因。

（4）部分工况燃油经济性不佳

直喷系统需要一套高压油轨，在诸如中低负荷下，高压油轨也要保持在20MPa左右，对发动机负荷较大。而进气道喷射的油轨压力只要500kPa，对发动机附件的消耗较低。另外，在完全暖机下，进气道喷射下的燃油雾化时间长，能够和空气充分混合，燃烧更为充分，可以提高燃油经济性。经过丰田内部实测，发动机完全暖机下，怠速工况进气道喷射的燃油经济性可以提高2%~3%。

丰田在D-4基础上，增加一套进气管喷射系统，形成D-4S。

5.2 双喷射系统应用

基于上述研究，丰田为了提高热效率，提高高压缩比下的抗爆震性能，丰田在D-4基础上，增加一套进气管喷射系统，形成D-4S，示意图如图24。

图24 双喷射系统示意图

双喷射系统的硬件设计不难，难点在于控制策略与控制方案的制定。丰田通过大量验证，控制方案制定如下：

PS:此为示意图，实际这个策略map为3层，低温、半暖机、完全暖机，这里省略半暖机。

图25 双喷射控制策略

（1）正常温（图25左）

①绿色为正常工作下的怠速工况，在此负荷下采用PFI喷射，因为怠速工况发动机负荷小转速低、PFI有充足的时间进行喷油和雾化，燃烧的更为充分，能够大幅度的降低颗粒物排放，且发动机高压油泵不需要工作，发动机热效率可以提高。

②黄色为中低负荷中低转速工况，采用混合喷射。一方面采用PFI燃烧更加有利，但是随着负荷转速增加，PFI喷射时间延长，后半段喷射的燃油雾化性下降，因此采用混合喷射，并根据实际情况改变喷射比例。PFI：DI=3：7~7：3。

③灰色为中高负荷中低转速工况，采用多次直喷，在合适的曲轴角度下喷2次。让燃料不会在活塞顶面附着，也不会喷射至汽缸壁引起颗粒物排放超标。2次喷射的比例约为5：5。

④红色为高负荷中低转速工况，采用多次直喷，在合适的曲轴角度下喷3次，这里在（3）的基础上考虑到负荷较大，容易爆震，因此在压缩行程上止点前再喷1次，给燃烧室降温，从而让点火角维持在MBT。一般3次喷射的比例为5：3：2，或者5：4：1。

⑤此工况为特殊工况，主要考虑到保护直喷喷油器，由于此工况转速较高，直喷喷油器温度会上升，因此采用直喷1次的方式，通过燃油给喷油器适当降温。

⑥次为高转速中高负荷，采用DI1次，当转速高于3500rpm后，还采用多次喷射的话，高压泵的升压速度赶不上转速变化，会导致喷油的精度下降，所以不采用多次喷射。

（2）低温（图25右）

①低转速低负荷采用DI1次喷射，因为低温下PFI雾化性不佳，一旦油品偏重质的话容易造成燃烧不稳定。用DI可以避免油品轻重质的影响。由于此工况负荷低，总喷油量较少，采用2次喷射的话，第二次喷油容易受到喷油器物理最小喷油量的限制，因此采用1次喷射。

PS：针对此，丰田创新性的提出黑科技局部升程控制（partial lift control）解决了此问题，我是这个控制逻辑应用的担当，内容后文再讲，有兴趣的可以搜美国专利US20180209370A1、US20170175653A1、US20160348604A1。

②中负荷中低转速工况下采用DI2次喷射，和正常温下一样，让燃料不会在活塞顶面附着引起颗粒物排放超标，也不会喷射至汽缸壁引起机油增多问题。

③同正常温一样。

④同正常温一样。

（3）典型喷油时刻（图26）

图25主要是不同的喷射策略，图26就是具体的喷射时刻，这里拿来出的都是典型工况下的喷射时刻。在整车标定中，会根据不同的环境、温度、气压、发动机状态进行不同的设计，比如冷启动的局部升程喷射分层燃烧，比如启停系统工作的再启动，比如极低温的PFI+DI，比如暖机模式的PFI+DI，比如PFI吸气同期喷射，比如喷油器误差学习的强制喷射等等，展开内容过于复杂，在此略过。

图26 典型的喷射时刻图

（1）DI1次喷射的时刻大约从BTDC300CA左右开始（不是精确值），根据不同转速负荷，结束时间在BTDC260CA~BTDC200CA，这里通过验证，最好燃油喷射时刻处于气缸湍流强度最高的时刻，并且考虑活塞位置，避免燃油喷射在活塞顶面或者气缸壁面。

（2）DI2次喷射考虑的内容一是2次喷射的比例多少合适，5：5还是2：8还是3：7，二是第2次喷射要尽可能利用湍流来抑制喷雾长度，还要保证有足够的燃油雾化时间，一般设计在BTDC160开始。

（3）DI3次喷射在DI2次喷射基础上，由于发动机负荷大，燃烧室温度高，为了追求MBT点火角，在活塞上行增加1次喷射，降低燃烧室的温度，抑制爆震，让压缩比能够维持在13：1。

（4）PFI喷射为了保证充分雾化，在吸气之前的做工工程就已经开始喷油，由于油压较低，喷油时间较长，和DI逻辑不一样的是，DI往往限定喷射开始时间，PFI而是限定喷射结束时间，在此时间之后还有燃油喷射的话雾化性无法保证。

（5）混合喷射下，PFI在做工冲程喷射，DI在延迟的吸气冲程喷射，通过不同的比例，实现最佳的燃油经济性与排放性能。

PS：从硬件结构来说，双喷射只是单纯的增加一套。但是对发动机控制系统的复杂性来说，成几何倍数的增加。这也是目前只有超一流主机厂采用双喷射的原因，没有强大的技术积累而贸然使用双喷射大概率适得其反。

5.3 直喷喷油器

进气管喷射依靠蒸发与空气混合，在极低温下喷射时间过长，且稳定性较差。所以再极低温下，还是要依靠直喷喷油器工作。但是如前文所述，直喷喷油器会引起湿壁效应，导致各种问题。丰田对此开发了一种新型多孔喷油器，以减少燃油对活塞和壁面的壁面附着。

在以往的丰田的直喷发动机上，考虑到成本以及燃烧模型，采用的是传统喷雾，喷口为一条线缝，新一代发动机采用了多孔型（图27）。

PS：虽然宝马奔驰大众等德系厂家很早就应用了多孔型喷孔，但是丰田考虑成本，认为线缝型+精确化标定已经足够，因此之前丰田的车型并没有采用多孔型喷孔。

图27 喷孔改良

效果如图28所示，传统喷雾为一个扇面，两边的长度较长，中间较短，而燃烧室形状为圆形，因此必然有部分燃料被喷射到气缸体壁面。新型喷孔通过对每个喷孔的尺寸、方向进行设计，使其喷射距离和角度既不会与进气门干涉，也不会引起湿壁效应。

图28 喷孔布局设计

5.4 点火线圈

图29 高性能点火线圈

此外，由于采用了高滚流比的燃烧模型，EGR比例可以适当扩大，为了提高燃烧稳定性，设计了一种高性能点火线圈，如图29所示。它是通过减小磁路间隙和增大磁芯的横截面积提高了点火功率。通过这些措施，可以使发动机在23%的EGR比例下实现稳定燃烧，实现40%的最大热效率。

PS：以前我提到过改装厂的高性能点火线圈没有用，而这里确使用了高性能点火线圈。原因在于厂家会平衡点火线圈的功率范围，在全工况下该功率点火线圈已经足够的话，没有必要用再高的点火线圈，用功率更大的成本更高，但是对燃烧效率和性能的提升微乎其微。当然，如果改装厂能够提高外部或者内部EGR比例，那原装点火线圈有可能不够。

PS：实际上双喷射系统还配合了可变燃油压力，丰田不但对高压直喷进行了可变燃压，从4MPa到20MPa，更是令人发指的对进气管喷射也实施了可变燃压，从300kPa到650kPa，对标定工程师来说，是令人绝望的。。。

6 气门正时优化（VVT）

在发动机全工况下，合理的配气正时对提高燃油经济性至关重要。这部分将介绍可变气门正时在这款发动机上的应用。

6.1 VVT硬件

如图30所示，排气侧使用了VVT-I技术，即液压泵控制的可变气门机构，进气侧使用了VVT-IE技术，即电动马达控制的可变气门机构。

近年来，由于良好的发动机启动性能和阿特金森循环效果，带中间位置锁止装置的VVT系统（VVT-IW）被广泛的应用到丰田旗下的车型中（"VVT-IW"的可变正时机构气门的控制阀内有三条机油控制油道，除了提前和延迟的控制油道外，另有一条独立的油道单独控制两个锁销的锁止和解锁，原本发动机熄火时VVT-iW叶片处于延迟或提前位置，通过第三条机油道能自动返回到中间位置，便于发动机的再次启动）。

然而，新型发动机采用电机驱动的VVT（VVT-IE），即使在低转速、低机油温度和低机油压力下也能立即达到最佳的气门正时，这是传统VVT难以控制的。

丰田内部对其进行过探讨，VVT-IE技术响应快、全温度领域能工作、不受机油影响，在低温冷启动、变工况响应、进气量准确性等方面具有优势；但是，民用级发动机对排气门要求并不如进气门高，通过缩短油道和降低低温运行特性，提高了响应速度，从成本和可靠性考虑，采用VVT-I也能够满足设计要求。

图30 进排气门时刻VVT技术

6.2 凸轮设计

设计进气时刻是非常慎重的，它直接关系到燃油经济性和性能的平衡。凸轮廓线不能无限制扩大，因为如果下止点进气门没有关闭会有部分空气回流到进气歧管，降低充填效率，特别是在中低转速负荷下（高负荷高转速由于泵气效应，气体具有一定的动能，因此即使过了BDC，活塞上行的前半段可以依靠气体惯性进气，提高充填效率）。与现有机型结构一样，滚子随动件上带有一个液压调整器（HLA）。为了增加进气侧的升程*时间面积，通过对凸轮进行加工，扩大了凸轮升程轮廓。图31显示了气门正时和升程的比较，相比于现有机型，它在保证起止角度不变的情况下扩大了有效工作角度（升程*时间面积）。

图31 气门正时和升程对比

6.3 VVT控制策略

对于发动机控制来说，VVT也是很难确很重要的一块内容。实际标定过程相当复杂，在做这部分工作时，牵一发而动全身，一旦气门时刻变了，其进气量绝对值、EGR比例、燃烧速度、空燃比、Pmax、MBT、KCS、扭矩变动率等等都发生变化，需要进行各个角度的权衡。

这款发动机核心目标为提高热效率，因此对VVT基本方针做了研究。在低负荷工况下，此发动机进一步强化了阿特金森循环的效果。图32显示了进气门关闭正时（IVC）和不同损失（如泵气损失）之间的关系。随着进气门关闭时间的延迟，泵气损失可以减少。但实际压缩比和湍流强度都有所下降，从而燃烧恶化，总损失增加。通过数据分析，表面这些参数存在平衡关系，要选择总损失最小情况下的最佳配气正时。此外，为了提高驾驶性能，驾驶员的所需扭矩同时被控制在最佳节气门和废气再循环阀位置，从而使燃油经济性变得更加合适。

图32 不同IVC下（Intake Valve Closing timing）对各种损失的影响

VVT的标定必然会涉及到EGR、点火、EGR等协调，因此作为一个整体进行介绍。如图33是标定控制策略地图，图34是标定策略。

图33 标定控制策略地图

图34 标定策略

1 在怠速工况下，点火提前角从MBT减小到0，为了保证燃烧稳定性，并不使用EGR，且气门时刻为标准时刻，气门重叠角为0；

2 在低转速低负荷工况中，进气门提前打开，排气门延迟关闭，扩大内部EGR，一方面有效降低HC、NOx，同时也提高了燃油经济性；

3 在低转速中负荷的工况中，进气门提前打开，排气门延迟关闭，扩大内部EGR并利用外部EGR，降低NOx排放；

4 在低中转速高负荷工况下，在保证扭矩变动率满足设计要求前提下尽可能多的使用外部EGR，达到降低NOx排放和控制发动机爆震；

5 性能工况下，IN-VVT提前打开，尽可能提高进气量，获得更大的充填系数；

6 高转速低中高负荷工况下，属于不常用区域，主要考虑VVT map的顺滑性，确保安全，气门重叠角为0；

7 中转速中负荷工况下，属于过渡区域，确保稳定性，会根据map的值，进行调整。

综上为基本VVT的逻辑，整车中还要考虑到变工况下的VVT响应速度，进行微调。

7 运动副

为了达到40%的最大热效率，选择了长行程设计和高压缩比。此外，为了达到目标性能，在60kW/L的升功率基础上最高转速需要设计在6600rpm。活塞最大速度达到22.8，在往复运动中会给活塞、连杆、曲轴等机构带来大量的负载。因此必须对各个运动副进行轻量化，以减少惯性负荷。

首先，通过CAE对结构进行轻量化设计，去除不必要的材料，然后，降低活塞环槽的厚度、裙座厚度以及活塞底部厚度，显著降低了活塞的质量。图35显示了包括活塞销在内的活塞质量与自然吸气（NA）发动机单缸扭矩之间的关系。与目前的2.5升发动机相比，活塞重量减少了14%以上，实现了世界领先水平的轻量化。

图35 活塞质量与单缸扭矩的关系

活塞在高转速下，很难在机油消耗（烧机油）和低摩擦性能之间进行平衡（摩擦小必然密封不足，机油窜入燃烧室被消耗）。为实现这一平衡，采用了降低机油剪切应力的窄接触宽度活塞环、改善孔变形密封性能的薄侧轨油环、采用DLC（类似金刚石）涂层技术来降低摩擦系数等新技术。

该发动机也采用了一种高强度的连杆材料，与原型相比，强度提高了30%。此外，为了实现连杆轴承的可靠性和减轻重量，进行CAE结构优化，例如将大端上部（图36黄色区域）减薄，使轴承的表面压力分散，避免了局部的应力集中，最终重量减少了20%以上。

图36 优化连杆

曲轴的设计对高转速下的可靠性至关重要。为了设计更小的曲柄销直径，对曲轴臂刚度进行优化，降低了轴颈的惯性质量，也降低了对缸体的冲击载荷。对每个轴颈采用了全配重结构，提高了平衡比，也降低了冲击载荷。最终，该长冲程设计的曲轴连杆，在最高转速下的刚性和原型一致。

8 冷却系统

8.1 概述

为了提高热效率，降低冷却损失是非常重要的环节。此外，对于性能而言，在WOT工况下还必须降低爆震。该发动机不但实现了冷却回路的优化，而且根据发动机工况实现了电子水泵控制系统。此外，为了提高冷态发动机的燃油经济性，设计了一套热管理系统来改善预热过程。本节重点介绍冷却系统和热管理系统。

8.2 减轻爆震和损失

对发动机水套进行重新设计（冷却水流场），以实现发动机冷却性能和水泵功率尺寸之间的最佳平衡（图37）。该系统降低了水流的压力损失，相比于原型发动机，水泵的尺寸也可以更小，另外该流动回路有保证了气缸盖与足够冷却性能。

图37 水套结构（流场分布）

图38 水套垫片

水套垫片（Water Jacket Spacer, WJS）仅放置在气缸体水套的排气侧，以优化气缸温度分布（图38）。WJS通过强化气缸排气侧的上部的冷却，以防止敲缸（排气侧温度较高）。该系统即使在发动机转速较低的情况下也能通过大流量获得较好的冷却性能，并通过减小爆震来提高发动机扭矩。此外，加热辅助节温器改变不同工况下的阀开闭温度，在高转速下通过降低水温，减少爆震，提高性能（图39）。

图39 电子水泵控制和节温器控制

为了满足不同工况下的MBT点火点，实施了不同的水温控制策略。如图40所示，为不同工况下冷却液流量和温度控制策略。以图中A区域中高转速中低负荷为参照，其水温设定较低，流量适中；在B中低转速中低负荷区域，重点考虑燃油经济性，因此此工况发动机负荷不高，爆震有余量，所以适当提高冷却液温度、降低冷却液流量可以节约冷却损失；C和D为高负荷，主要考虑爆震的影响，不同在于水温、冷却损失、爆震点火角直接存在一个平衡，在C工况高水温效率更高，D工况低水温效率更高；E为全负荷，为了发挥发动机性能（提高充填效率和控制爆震），冷却液温度尽可能降低，流量也为最大。

图40 冷却液流量和温度控制策略

8.3 预热过程的改进

为了提高燃油经济性，提高预热速度和缩短预热时间也是重要环节。为了在冷启动条件下更快地提高水温，采用一种新的热管理系统。该系统不仅能通过电动水泵控制流量，还通过FSV（流量切断阀）控制水路的开启或关闭。

图41显示了该发动机的冷却系统回路，它有两个FSV阀。一个用于控制空调加热器的流量，另一个用于控制变速箱油的加热。

图41 冷却系统回路(FSV)

根据外部温度和驾驶条件，热管理系统会打开或关闭FSV来确保预热性能，在不影响舒适性的情况下提高了冷间的燃油经济性。如图42所示，分为4种工况。在冷启动开始后的持续一段时间，两个FSV阀关闭，电子水泵的流量控制在极低的程度，让燃烧室和周边结构的温度迅速上升，降低HC和CO的排放，提高雾化性能，提高燃油经济性；随着水温的上升，为了进一步提高燃油经济性，ATF FSV阀打开，对变速箱进行热机，此时燃烧室周围温度已经达到较高温度，通过提高流量对附件进行暖机；当暖机完成了进入标准模式，此模式下利用小循环，没有强制散热需求；当水温达到高温，节温器打开，进入大循环，此时电子风扇的散热功率会根据图40的温度需求进行调整，让发动机处于最高效的工作区域。

此外，通过此热管理系统的最佳流量控制，也能提高冷间NVH性能。

图42 冷启动过程中热管理系统的控制和FSV阀的开闭示意图