丰田祭出发动机黑科技,燃烧吧小宇宙!

  • 发表于: 2015/06/01 10:34:07 来源:车云网

近日,丰田内燃机家族屡添新丁,而在这些新面孔的身上,你会发现同一种目标——高效。

混合动力、燃料电池,这些几乎可以和丰田划上等号的名词随着这几日跃然于纸上的两则消息显得有些风光不再。近日,一贯善于另辟蹊径的丰田貌似是意识到了自己的“冒失”,终于开始有所收敛,接连有旗下新型内燃机公诸于世,而它们的共同特点只有简单的两个字“高效”。

燃效过低向来是内燃机永远的痛,纵观市面上已经量产的机型,燃效最高的柴油机其热效率也不过40%上下,而汽油机自不必说更远低于这一数字。大把大把的能量白白在空气中消逝,这件事说来有些奢侈。

日系车企对效能、油耗这些字眼儿历来秉持锱铢必较的处事态度,而丰田此次所公布的一系列新机型,也只是其继同马自达开展技术合作后,在传统动力领域的又一次发声,并力图借此向世人重申,除了那些天马行空的新玩意儿,自己在传统动力领域同样具备大哥级的实力。

汽油机40%,柴油机44%,这种燃效水平乍看之下或许并不能完全说明问题,因为此前已经有为数不少的科学狂人在实验室里测试出过比这一数字更高的数值,但如果加上量产二字,那其中的意味便迥然不同了。

以此次丰田推出的汽油机机型为例,该机计划搭载在将于年内上市的新一代普锐斯车型上,根据车型研发周期推算,显然其已进入了量产前的最终生产调试阶段,而燃效更高的丰田GD系列柴油机则在本月的早些时候便已随着新一代丰田“Hilux”皮卡一并上市销售。因此若将比拼对象缩小至量产机型范围内,你会突然意识到,其效率在这个圈子里绝对是无出其右。

燃效的提升究竟源自何处?

说了这么多,想必人们最为关心的依旧是丰田究竟拥有何种魔力可以让燃效实现大幅跃升,对此车云菌也专程展开了一番拉网式信息排查,不过令人倍感意外的是,当真相渐渐浮出水面,两种风格不尽相同的技术革新呈现在我们面前。

汽油机:让废气再多一点


丰田全新汽油机

针对汽油机,丰田将放改进重心放在了EGR(排气再循环)工作限值的优化上。说到这里,可能更多人会联想到柴油机。确实,EGR技术在柴油机上的应用更为普遍,不过对于丰田来说,汽油机搭载EGR技术也算不上是什么新闻。如为人所熟知的第三代普锐斯(发动机代号:2ZR-FXE)、凯美瑞(发动机代号:6AR-FSE)等车型发动机的应用便是最好的例子。

根据丰田此前的研究,如果将EGR限值提高,增加冷却尾气的循环量,缸内气体的热容量便会增大,从而降低缸体内的温度。这样既有利于抑制爆震及N0x污染物的生成,又可使冷却损失比现行发动机减少大约8%,可谓一举多得。

所谓EGR限值,其实就是废气所占缸内气体总量百分比的上限,如果废气浓度过高,则会大幅减缓缸内气体的燃烧速度,引发混合气燃烧不充分,甚至是发动机缺缸。因此,要想进一步提升这一限值,就必须先消除由于废气过多所造成的燃烧过缓之弊病。

丰田认为,实现高速燃烧的重点在于增强缸内气体的流动性,而这一指标又与缸内气体的滚流比(活塞驱动方向的旋流与轴方向的旋流之比)息息相关,若滚流比增大,则燃烧速度也会随之加快。基于此,丰田在新机型的开发上主要做了以下三点技术改进:

  1. 1.令进气门下侧区域外轮廓接近于直线,以便进入气缸内的气体更容易形成纵向涡。经验证,改进后的发动机在转速为2000rpm时,可将缸内气体的平均湍流速度由原来的2.5m/s提高到3.4m/s。

  2. 2.减小设置于活塞顶面的圆柱形凹坑直径,进而增强活塞表面对缸内气体的扰流效果,促进缸内涡流加速流动。

  3. 3.提升火花塞点火能量,以应对缸内气体流速上升所引发的点火困难。

经过一番设计优化后,新型汽油机的滚流比最终由现行的0.8提升到了2.8,而整体燃效,也从起初的38.5%增加至四成。

柴油机:一层膜也能解决大问题


丰田GD系列柴油机

研究过了汽油机,我们再将目光再转向燃效更优的丰田全新GD系列柴油机。对于该系列柴油机,丰田并效仿前者将EGR限值作为优化对象,而是把热处理薄膜工艺视为提升燃效的不二法门。这做法表面看上去的确有些令人匪夷所思,但经车云菌一番纠结过后,终于窥到了其中的小九九。

众所周知,颗粒物是柴油机排放的痛点所在,而依样画葫芦照搬先前做法,会出现如下一连串连锁反应。首先,EGR限值升高,导致缸内气体热容量增大,缸体温度降低;随即颗粒物污染物开始出现激增(颗粒物的生成一定程度上与燃烧温度呈反比),使尾气后处理装置压力山大;最终革命号角骤然响起,尾气后处理装置提前宣告罢工。看来并不是条条大路都能通向罗马,有时绕路而行也不失为一种捷径。

理论上讲,内燃机的燃效之所以会长期以来处于低位,其根本原因在于热量会自行向低温区域传递。如果能找到一种方法,既能抑制热量向外扩散,又能保证缸内温度处于合理区间,不引发NOx浓度上升等负面效应,那就等于拿到了开启燃效大门的金钥匙。

丰田长期研究发现,通过对铝铸造合金的活塞顶面进行阳极氧化处理,会在活塞顶面形成一层多孔质氧化铝(Al2O3)薄膜(丰田将其命名为“SiRPA”)。该薄膜不仅导热率低,而且比热容也很低,通俗点说就是“导热性很差,散热能力却很出色。”。

将经过薄膜处理的活塞置于气缸后,神奇的一幕出现了。当气体燃烧使缸内温度升高时,覆盖有薄膜的活塞顶面温度也会随之一并快速上升,进而缩减与缸内气体间的温差,降低由此所导致的能量损失;而当燃烧过后缸内温度开始下降时,薄膜上的多孔结构又会迅速将活塞表面的热量散发出去,以避免缸内温度过高对进气及NOx的控制所造成不利影响,这种物理特性恰好与提升燃效相对症。

不过丰田方面也表示,这种薄膜技术其实并没有听上去那样完美。由于多孔质氧化铝的表面光洁度较差,可能会对缸内气体流速造成影响,因此在所目前生产的柴油机上,薄膜工艺的应用范围被严格限定在活塞顶面的挤气区边缘及外侧,至于燃烧室内的其它区域,则仍沿用传统工艺进行制造。

车云小结:

相比于研发一种全新的动力,在传统技术上进行优化改进无疑更具普惠性,更易于被市场所接受。可以预见,在未来的很长一段时间内,内燃机汽车仍将占据整车销售的主流,而作为汽车业界首席大佬的丰田,自然也是深谙此道。用全新的技术门类去搏个未来固然重要,但努力争夺当下的传统市场,也不失为一种制胜之道。

当然,有人或许会问,44%已经是极限了吗?近日,丰田设计部部长有田晃利在日本汽车技术协会举行的“2015年春季大会学术演讲会”上的演讲提到,“今后丰田将以‘稀薄燃烧’、‘可变压缩比’与‘燃料改质’三项技术为核心展开攻关,待解决了‘冷却及爆震等课题’后,丰田的量产内燃机燃效将‘快速达到50%’”。那么,丰田如何通过这些技术做到这一点,且听车云菌下回为您讲述。

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