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自吸引擎是日系车的最爱,丰田最新的2.0L发动机使用了哪些技术

M20A 2.0L直列4缸发动机在率先搭载雷克萨斯UX,将陆续搭载于丰田/雷克萨斯新款车型,预计全球年产量为200万台。

丰田的TNGA战略(Toyota New Global Architecture),提倡“制造更好的汽车”,同时动力总成正在更新,通过模块化提高开发效率,标准化全球生产规格,构建灵活的生产系统。从2017年到2021年的五年内,公司计划推出9款17款新发动机,替代老一代发动机。

新一代发动机系列的昵称是“Dynamic Force”。目前已量产3款机型:2.5L直列4缸A25A、2.0L直列4缸M20A、3.5LV 6缸V35A。A25A和M20A型号以其最大热效率超过40%而备受关注,但它们有数值目标吗?

在丰田,正在制定输出、燃油效率、废气排放、NV、可靠性、质量和成本作为七大性能发动机的数值目标,首先是“高输出性能”在此之上,想要实现无与伦比的燃油经济性,只有自然吸气发动机才有可能。其中,实现性能的关键词是“高速燃烧”。

燃烧速度是提高燃油效率的关键。如果提高燃烧速度,可以在爆震发生前完成正常的火焰传播燃烧,从而提高爆震韧性,提高压缩比。另外,如果在短时间内产生相同的热能,则可以在曲轴转角效率高的位置集中施加压力能。此外,在爆震严重的低转速、中负荷和高负荷范围内,可以抑制点火延迟,可以保持实用范围内的高热效率。

高速燃烧所需的是加强具有高进气流速的滚流。即使在R系列引擎中,如果进气口下侧的形状像一个极限跳板来偏向进气流,就有可能加强滚流。

由于压装式阀座需要与阀门同轴加工,因此进气口的末端必须朝向阀门的轴向,从而使出口发生弯曲。激光熔覆阀座消除了这种限制。特殊合金粉末通过激光熔化并焊接到阀门的座面上,消除了压入式中必不可少的空间并使端口更直。这是实现高速燃烧的核心技术。

解决这个问题的技术是激光熔覆阀座。采用激光熔化铜基合金粉末并将其焊接到头部,端口形状不受阀座压装方向的限制。因此,可以在末端形成一个直口,即使增加流速也可以保持流量系数,实现低油耗和高输出。这项技术最初用于赛车发动机。

但是,仅凭这一点无法产生超过100N·m/L的大扭矩。动力发动机的一大特点是行程/缸径比约为1.2的长冲程,扩大了气门夹角。这样一来,燃烧室的顶部面积变宽,相应地可以确保更大的气门直径。气门夹角在 R 系列中约为 31 度,在动力发动机中已扩大到 41 度。

M20A发动机是高输出发动机,但在有限的缸径下实现高输出的唯一方法就是提高转速。阻碍因素是活塞速度,而应对它的技术之一是偏心筒式活塞环。

M20A型的允许转速为6800rpm,因此平均活塞速度约为22.1m/s。它就像一个旧的 F1 引擎。在这个区域,传统的油环形状,油环漂浮在自制油膜上,无法刮掉油。就好像环与缸壁之间出现打滑现象,刮不掉的机油越消耗越多。因此,采用了环形截面的偏心桶形。通过使膨胀行程侧变尖,可以兼顾油膜形成和刮油性能。

特别是2.0L发动机,是基于与CVT变速箱组合的设想开始开发的。利用这个特性来提高热效率高的低转速高负荷区域的使用频率时,使用自然吸气可以提高压缩比,因此可以在第一时间提高热效率。EGR的使用范围很广,因此可以降低泵气损失,并且燃烧温度降低,所以冷却损失。另外,对油门操作的响应快,驱动力的线性度容易增加。此外,丰田有D-4S和激光熔覆气门座等技术,即使使用自然吸气也能增加输出。这就是为什么一开始就不选择涡轮增压引擎的原因。

V6 V35A是涵盖5.0LV8功率范围的小型化涡轮增压器引擎。缩小规模,甚至减少气缸数量,也可以从成本和损失中获益。丰田/雷克萨斯恰如其分地运用了这些要点的动力总成策略,着实让人佩服。

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