丰田三缸M15A发动机技术解析

文章来源:汽车动力总成 发布时间:2020-11-19
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丰田全新的1.5L三缸发动机最早在今年2月份在日本本土公开亮相,可分为两个版本:M15A-FKS传统的汽油发动机,匹配Direct Shift-CVT变速箱,以及M15A-FXE混动专用汽油机,匹配THS II混动eCVT。
随着丰田卡罗拉和雷凌年度车型申报图的公开,丰田全新三缸发动机国产量产的消息扑面而来。众所周知,三缸发动机一直被广大消费者所诟病,虽然广大车企均有布局,但大部分产品在销量上却表现平平,那么丰田到底有何勇气明知山有虎偏向虎山行呢?


丰田全新的1.5L三缸发动机最早在今年2月份在日本本土公开亮相,可分为两个版本:M15A-FKS传统的汽油发动机,匹配Direct Shift-CVT变速箱,以及M15A-FXE混动专用汽油机,匹配THS II混动eCVT。根据官方数据,传统汽油版M15AA-FKS发动机最高热效率高达40%,匹配整车百公里加速性能较原车型提高5%,WLTC工况燃油经济性提高了6.3%,而混动版本M15AA-FEX发动机最高热效率高达41%,匹配整车的百公里加速性能较原车型提高15%,WLTC的燃油经济性提高了20%以上。
 
两款机型同平台开发,与Dynamic Force engine系列2.0L L4(M20A,M20C)和2.5L L4( A25A,A25B)发动机一样,具有很高的零部件通用率。传统燃油版M15A-FKS为了兼顾高性能和燃油经济性,采用了缸内直喷技术,并配有新开发的带有树脂驱动齿轮的平衡轴。用于优化发动机的NVH性能。而混动版发动机受益于电动机的工况优化,重点关注燃油经济性和成本,因此混动版采用的是歧管喷射,并且由于工况更优,取消了平衡轴配置。另外混动发动机的进气门正时采用了电动机驱动的VVT-iE,提升电气化水平,其响应速度比VVT-iW更快,在一定程度上又提高发动机性能和燃油经济性。

 

其主要技术特征及参数如下图所示。

01

进气道优化


为了提高发动机的燃效效率,优化进气,M15A的进气口设计得更直,采用了具有更高耐磨性的激光熔覆阀座,它比普通阀座要薄得多,可以更好地冷却阀门并优化端口的形状和尺寸,从而实现3.0的高滚流比和高功率。


1.5L发动机的传统版本和混动版本采用一致的设计,图中显示了该新进气口的流量系数高于2.0升HV混动发动机,同时保持了与2.0升HV混动发动机相似的高滚流比。 


02

降低摩擦损失


新型1.5L三缸发动机,增加了17项减少摩擦的新技术,以实现热效率目标。与2.0 L发动机相比,由于部分零部件的摩擦损失固定存在,比如高压油泵、前端轮系等,因此小型发动机的摩擦损失占比相对增加,那么新开发的三缸发动机就通过额外选择的减少摩擦的技术来补偿了这种相对摩擦的增加并实现了高热效率。


03

活塞连杆相关设计


传统燃油版M15A-FKS发动机通过采用14:1的高压缩比而达到了最大的热效率,而由于1.5L发动机具有较长的行程,活塞速度高达20.8 m/s,因此高刚性和低摩擦设计之间的平衡很重要。1.5 L发动机的活塞裙接触面采用了新的设计,通过进一步优化设计和验证,较目前的2.0 L发动机的最大摩擦损失降低了5%,并降低了顶部附近的活塞裙刚度,活塞裙的接触面设计如图所示。



此外,1.5L发动机活塞通过在活塞裙(激光凹坑裙)上采用微沟槽的激光交叉阴影处理,提高了油膜的保持能力,从而具有2.0L发动机相同的抗划伤性能。并在激光凹坑裙边表面上涂了一层树脂涂层,以减少初始磨合条件下气缸孔的摩擦。活塞的顶环和第二环与2.0L发动机相同。油环经过全新设计,通过降低30%的张力来实现更低的摩擦损失。



新开发了具有可变宽度凹槽的发动机曲轴轴承。新轴承通过减少轴承凹槽中的机油泄漏量,使油泵尺寸缩小了12%。


新开发了带有锥形凸台的曲轴止推垫圈。新型推力垫圈通过促进油膜的形成并降低了油的抗剪切性,与目前的扁平型相比,可降低35%的摩擦。

04

冷却系统优化


1.5L发动机冷却系统使用电动水泵。先前用于2.0 L和2.5 L发动机的电动水泵的输出功率为200 W,但由于1.5L冷却系统压力损失降低了17%,因此开发了一款用于1.5 L发动机的新型电动水泵,输出功率为135W。在WLTC循环下,燃油经济性提高了0.1%,重量减轻了36%。同时,叶轮也经过重新设计,得益于这种新型叶轮,水泵的水通道中的压力损失得以彻底降低,因此新水泵的效率提高了21%。


发动机的设计采用了优化的气缸套水套和树脂水套垫片。发动机预热期间,新水泵将以低流量运行,以减少冷却损失。常规汽油机型使用电加热节温器,以避免在全开节气门(WOT)情况下以高转速旋转时水温升高引起的爆震。 

05

进排气系统设计


由于不同机型运行速度和所需的特性而单独设计和优化的进气歧管。此外,传统燃油版机型进气歧管必须为交流发电机留出空间。传统燃油版机型的进气歧管相对于当前的2NR发动机流量提升13%,而混动版机型的进气歧管通过优化了进气口的长度和横截面,相对对当前的1NZ发动机流量提升35%。为了最大程度地发挥脉冲效果并减少空气流通的压力损失。此外,进气歧管的总壁厚已从3mm减小到1.6mm,减重35%。


后处理采用了DOC+DPF设计,在GPF前面布置有压力传感器,该传感器通过测量废气和环境之间的压差来精确检测GPF堵塞情况。传统燃油版和混动版机型采用相同的排气歧管设计,排气歧管集成在缸盖中,因为气缸盖具有集成的水冷排气端口。与现有发动机相比,该排气系统通过将催化剂放置在84 mm附近,改善了催化剂的工作效果并扩大了λ= 1工作范围。

06

EGR系统


通过将EGR气体引导通过气缸盖和使用高效EGR冷却器,实现了在最大流量时冷却效率提高到90%,相比当前的NR系列发动机将EGR率提高了23%。低温EGR气体已允许使用树脂零件来引导气体在EGR冷却器之后分配到进气口。下图显示了EGR气道结构,该结构已集成到进气歧管中,并设计成使EGR气体均匀流向每个气缸,从而改善了燃油经济性。


07

燃油喷射系统设计


传统燃油机型采用了缸内直喷系统,使用与2.0L发动机相同的6孔喷油器。高压油泵借用2.0L/2.5L发动机,为发动机运行需求提供了2.4至20 MPa的压力,具有紧凑、高效的优点。
对于混动发动机,使用歧管喷射系统足以满足所需的发动机性能。为了减少湿壁现象,混动发动机采用带有10孔喷射器板的长喷嘴喷油器,以实现更高的雾化水平,并将燃油与进气口壁的粘附力降低73%。

08

NVH优化设计


根据测试结果,1.5 L发动机在节气门全开条件下的噪声趋势与2.0L/2.5L发动机保持相同水平。



通过扩大发动机和变速箱的接触面,动力总成的刚性比当前动力总成提高了6%。在相同的工况下,这种高的动力总成刚度使当前动力总成的发动机安装支架尖端的振动水平提高了5%。同时利用CAE分析优化气缸体,气缸盖,曲轴箱,正时链条箱和气缸盖罩等主要零部件的刚度,发动机实现了更好的NVH和轻量化,做到同排量最轻。
     
1.5L两种机型的曲轴是通用的,在2号气缸的曲柄销上没有配重块,使得相比NR系列发动机重量减少了7%。


传统燃油版由于工况复杂,为了控制震动采用三缸机标配的平衡轴。平衡轴与曲轴等速,反向旋转,以抵消一阶震动力矩。平衡轴从动齿轮由树脂制成,它包括一个橡胶减震器以减少齿轮噪音。


混动机型的主要差异在于取消了平衡轴,主要是因为发动机没有怠速工况,且通常以高于1000 rpm的速度运行。但为了控制一定的震动水平,设计了不平衡的特殊减震器皮带轮,以将曲轴平衡比从50%增加到60%。

注:文章中引用的图片来源网络

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