為應(yīng)對日趨嚴(yán)格的燃油經(jīng)濟(jì)性和越來越高的排放目標(biāo)，采用現(xiàn)階段發(fā)動機(jī)領(lǐng)域的新技術(shù)開發(fā)出新一代2GR-FKS/FXS發(fā)動機(jī)。基于2GR-FE發(fā)動機(jī)廣受好評的動力性和燃油經(jīng)濟(jì)性，對2GR-FKS/FXS發(fā)動機(jī)的主要零部件進(jìn)行了重新設(shè)計。開發(fā)的主要目標(biāo)是：（1）優(yōu)異的動力性；（2）最大限度地提高熱效率，全面符合各國燃油經(jīng)濟(jì)性和排放法規(guī)要求的環(huán)保性能；（3）大幅度減輕運(yùn)動件的質(zhì)量，提高V6發(fā)動機(jī)的響應(yīng)性。為實(shí)現(xiàn)上述互相對立的目標(biāo)，發(fā)動機(jī)開發(fā)時使用了改進(jìn)型的D-4S燃油噴射系統(tǒng)，可選擇使用直接噴射和進(jìn)氣道噴射，同時，還采用了其他先進(jìn)技術(shù)，如帶中間位置鎖止機(jī)構(gòu)的可變氣門正時技術(shù)和排氣歧管冷卻系統(tǒng)。

豐田汽車公司正在開發(fā)一系列經(jīng)濟(jì)性高效燃燒（ESTEC）開發(fā)理念的發(fā)動機(jī)。本文介紹新開發(fā)的2GR-FKS/FXS型3.5LV6發(fā)動機(jī)，在滿足全球客戶需求的同時，符合各國日趨嚴(yán)格的燃油經(jīng)濟(jì)性和排放法規(guī)的要求。

大排量自然吸氣多缸發(fā)動機(jī)正逐漸被具有出色的燃油經(jīng)濟(jì)性的小排量渦輪增壓發(fā)動機(jī)取代。然而，多缸發(fā)動機(jī)固有的平順性和直接油門響應(yīng)性仍強(qiáng)烈吸引著一些用戶，尤其是北美用戶。

新一代發(fā)動機(jī)基于2004年量產(chǎn)的2GR-FE/FSE發(fā)動機(jī)開發(fā)而來，使用豐田獨(dú)有的D-4S燃油噴射系統(tǒng)和增強(qiáng)型混合動力車專用的阿特金森循環(huán)技術(shù)。開發(fā)目標(biāo)是在最大限度地減小阿特金森循環(huán)帶來的不利影響的同時，實(shí)現(xiàn)出色的燃油經(jīng)濟(jì)性和優(yōu)異的動力性。通過對整個系列發(fā)動機(jī)約550個零部件進(jìn)行重新設(shè)計，包括氣缸蓋和缸體，實(shí)現(xiàn)了開發(fā)目標(biāo)。

1開發(fā)理念

開發(fā)1款與小型化渦輪增壓發(fā)動機(jī)環(huán)保性相媲美、具有持久吸引力，同時又能最大發(fā)揮出V6發(fā)動機(jī)優(yōu)點(diǎn)的發(fā)動機(jī)是此次開發(fā)的理念。此理念要達(dá)到如下目標(biāo)：

（1）環(huán)保性能全面符合各國燃油經(jīng)濟(jì)性和排放法規(guī)的要求；

（2）優(yōu)異的動力性；

（3）體現(xiàn)V6自然吸氣發(fā)動機(jī)的平順性和動力響應(yīng)性；

（4）在GR全系列發(fā)動機(jī)中采用具有高效率的3.5L排量，同時開發(fā)的發(fā)動機(jī)可用于前驅(qū)車、后驅(qū)車、乘用車、商用車、傳統(tǒng)車和混合動力車等車型。

表1列出了系列發(fā)動機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)，圖1是發(fā)動機(jī)橫剖面圖。

2主要特征

2.1 提高燃油經(jīng)濟(jì)性的措施

2.1.1 阿特金森循環(huán)

豐田在混合動力車（HV）發(fā)動機(jī)上采用阿特金森循環(huán)已經(jīng)有很長的歷史。盡管采用阿特金森循環(huán)和高膨脹比的發(fā)動機(jī)可以降低排氣熱損失，但這種對策存在以下問題：

（1）發(fā)動機(jī)進(jìn)氣量少導(dǎo)致功率低；

（2）低溫下發(fā)動機(jī)起動困難。

混合動力車采用電機(jī)來解決上述問題。傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)做以下改進(jìn)也可采用阿特金森循環(huán)：

（1）大包角的進(jìn)氣凸輪軸；

（2）帶中間位置鎖止機(jī)構(gòu)且擴(kuò)大作動角的液壓可變氣門正時機(jī)構(gòu)（VVT）；（3）可變進(jìn)氣系統(tǒng)；

（4）增強(qiáng)活塞冷卻。

2.1.2 帶中間位置鎖止機(jī)構(gòu)的液壓VVT

在采用阿特金森循環(huán)提高低負(fù)荷工況燃油經(jīng)濟(jì)性的同時，對液壓可變氣門正時進(jìn)行以下改進(jìn)，可保證發(fā)動機(jī)全負(fù)荷工況的動力性和發(fā)動機(jī)的起動性：

（1）采用VVT-iW；

（2）增加鎖止機(jī)構(gòu)，確保發(fā)動機(jī)停機(jī)后重新起動時的氣門正時位于最優(yōu)的中間位置（圖2）；

（3）采用正開口的VVT機(jī)油控制閥來降低機(jī)油路中的壓力損失（圖3）。

上述措施通過采用阿特金森循環(huán)來提高燃油經(jīng)濟(jì)性，同時確保發(fā)動機(jī)的低溫起動性和改善油門響應(yīng)。

2.1.3 燃油供給系統(tǒng)

原D-4S燃油噴射系統(tǒng)只在部分舊款發(fā)動機(jī)上使用，而新款發(fā)動機(jī)全系列全部采用專門開發(fā)的第4代新D-4S燃油噴射系統(tǒng)。

采用可變壓力燃油供給系統(tǒng)來提高燃油經(jīng)濟(jì)性，該系統(tǒng)的配置如圖4所示。與常規(guī)恒壓系統(tǒng)不同，新系統(tǒng)將燃油壓力控制在最優(yōu)水平，以降低輸油泵的功耗。

新設(shè)計的緊湊型高壓油泵裝有2個高性能的脈動阻尼器，以吸收3.5L發(fā)動機(jī)高功率工況產(chǎn)生的燃油脈動。對高壓油泵的形狀優(yōu)化，使脈動衰減器可以采用較薄的材料。圖5示出了高壓油泵的橫剖面。

2.1.4 高溫?zé)峁芾?/p>

為了降低發(fā)動機(jī)摩擦和冷卻損失，理想的方法是將節(jié)溫器閥門設(shè)置在較高的溫度下開啟，但這會在發(fā)動機(jī)高負(fù)荷區(qū)域引起爆燃導(dǎo)致功率降低。為此，采用裝有加熱器、閥門開啟溫度為87℃的可調(diào)溫控節(jié)溫器。圖6示出了這種節(jié)溫器的結(jié)構(gòu)布置，圖7示出了其工作原理圖。這種節(jié)溫器通過降低摩擦和冷卻損失來提高中、低負(fù)荷區(qū)域的燃油經(jīng)濟(jì)性，同時在具有與高負(fù)荷區(qū)域采用常規(guī)熱管理等級的功率。

2.2 改善排放性能的措施

采用排氣歧管一體式氣缸蓋，水套分為上、下兩層。圖8示出了排氣歧管的形狀，圖9示出了排氣歧管和水套的布置。這種結(jié)構(gòu)可將排氣溫度控制在目標(biāo)范圍內(nèi)，使催化器較早起燃，確保在高負(fù)荷區(qū)域的可靠性。

. 改善

2.3 提高功率的措施

通過減輕活塞和連桿的質(zhì)量，以及曲軸相應(yīng)的平衡重的質(zhì)量，提高了發(fā)動機(jī)中運(yùn)動件的轉(zhuǎn)速，以進(jìn)一步增強(qiáng)發(fā)動機(jī)的性能。



通過計算機(jī)輔助工程（CAE）應(yīng)力分析和溫度場分布的詳細(xì)測量，對活塞的鑄造工藝進(jìn)行了改進(jìn)。這些方法使得活塞質(zhì)量減輕了10％，最大限度地減薄了活塞環(huán)岸背面的過厚的結(jié)構(gòu)。圖10比較了傳統(tǒng)活塞和新開發(fā)活塞的形狀。

通過采用較薄的桿身截面，使連桿質(zhì)量減輕3％。這是通過改變粉末鍛造配料、提高屈服強(qiáng)度來實(shí)現(xiàn)的。

減輕了曲軸往復(fù)部分質(zhì)量，這樣就可以采用較輕的平衡重。這些措施使得曲軸的質(zhì)量和轉(zhuǎn)動慣量分別減輕了3％和6％。

2.4 降低噪聲和振動的措施

發(fā)動機(jī)零部件高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的噪聲需要采用有效的對策加以消除。其措施如下：

（1）對諧振器的容積和布局進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)噪聲水平隨著發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷線性變化；

（2）對發(fā)動機(jī)罩上聚氨基甲酸乙酯的形狀和位置進(jìn)行優(yōu)化，限制高頻噪聲，同時改善發(fā)動機(jī)燃燒的1-3階分量，從而產(chǎn)生目標(biāo)的發(fā)動機(jī)高轉(zhuǎn)速音質(zhì)； （3）通過減輕運(yùn)動件的質(zhì)量，最大限度地減小振動，降低發(fā)動機(jī)鏈條產(chǎn)生的機(jī)械噪聲，從而使發(fā)動機(jī)聲音清脆悅耳。

2.5 其他措施

采用塑料缸蓋罩、機(jī)油集濾器和冷卻液管路。通過采用滑模注射（DSI）成型工藝并將需要焊接的曲面集成到零件中，氣缸排之間的墊片也可采用塑料材質(zhì)。

3性能

3.1 燃油經(jīng)濟(jì)性

通過改善燃油經(jīng)濟(jì)性和熱效率的措施，使發(fā)動機(jī)最低燃油消耗率達(dá)到224g/（Kw·h）、熱效率達(dá)到38％。圖11是制動燃油消耗率（BSFC）的特性圖。高負(fù)荷下的高燃油效率區(qū)域得以擴(kuò)大主要通過提高壓縮比，低負(fù)荷下的高燃油效率區(qū)域得以擴(kuò)大主要通過采用阿特金森循環(huán)。因此，該系列發(fā)動機(jī)能夠提高從重型商用車、多功能運(yùn)動車型（SUV）到輕型轎車等寬廣范圍用途車輛的燃油經(jīng)濟(jì)性。

3.2 動力性

由于采用上述各種先進(jìn)技術(shù)和工藝改進(jìn)，3.5L V6發(fā)動機(jī)具有優(yōu)異的動力性。圖12是1款前驅(qū)SUV配裝的發(fā)動機(jī)的性能曲線。

這款發(fā)動機(jī)采用聲控可變進(jìn)氣歧管長度進(jìn)氣系統(tǒng)（ACIS）來抵消SUV車重帶來的不利影響。此系統(tǒng)避免了發(fā)動機(jī)在高轉(zhuǎn)速時扭矩的降低，同時增強(qiáng)轉(zhuǎn)速2400r/min以上常規(guī)工況范圍的扭矩。

圖13是配裝的發(fā)動機(jī)動力后驅(qū)轎車性能曲線。由于這種轎車的質(zhì)量較輕，此發(fā)動機(jī)不采用ACIS就可以降低進(jìn)氣壓力損失。發(fā)動機(jī)最大轉(zhuǎn)速是6600r/min，是該系列發(fā)動機(jī)中最高的。這使車輛具有那種動態(tài)加速的推背感，特別適合用于高級轎車。

3.3 排放性能

這些發(fā)動機(jī)符合世界范圍內(nèi)日趨嚴(yán)格的排放法規(guī)，包括北美的ULEV 70（適用于傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)）和SULEV30（適用于混合動力發(fā)動機(jī)）、日本的J-SULEV、歐洲的歐6排放法規(guī)。對催化器進(jìn)行微小改動，可以保證這些發(fā)動機(jī)滿足未來更嚴(yán)格的排放法規(guī)。

4結(jié)語

綜上所述，新3.5L 6缸ESTEC 2GR-FKS/FXS發(fā)動機(jī)大量采用先進(jìn)技術(shù)，因此這些發(fā)動機(jī)可以全面符合各國日趨嚴(yán)格的排放法規(guī)，同時又保證了用戶駕駛愉悅感的動力性。這次發(fā)動機(jī)開發(fā)還采用了1個通用框架結(jié)構(gòu)，可以將4個獨(dú)立的發(fā)動機(jī)系列定義為1個單一的發(fā)動機(jī)系列。這種方法也可以使得每款發(fā)動機(jī)的試驗(yàn)合并，便于各種車輛平臺采用該系列發(fā)動機(jī)。利用這些發(fā)動機(jī)在特征上的優(yōu)勢，豐田計劃將此款發(fā)動機(jī)應(yīng)用在全球眾多的車型上。