凯美瑞轿车发动机技术解读

文：翁武泉

凯美瑞轿车发动机技术解读

文：翁武泉

2015年1月上市的广汽丰田凯美瑞轿车，搭载了6AR-FSE发动机。该款发动机的喷油系统采用了缸内直喷+进气口喷射的形式，进气系统配备了广角相位调整机构。由于这2项技术的应用，发动机在未增加排气量的情况下，动力性能有了大幅度提升（图1）。下面就针对这款发动机的技术特点进行简要的介绍，希望读者能够借此对发动机的前沿技术有所了解。

1.喷油系统

丰田公司将缸内直喷+进气口喷射的组合方式称为D-4S 系统。 在该系统中，发动机控制单元通过测量发动机的进气量，确定基本喷油量，然后再根据其他传感器的信号，确定发动机的工作状态。对于不同的工作状态，2种喷油器的喷油相位和喷油量均不相同。喷油控制的目标是，最大限度地优化混合气的燃烧。

（1）分层燃烧

混合气的分层燃烧可以加速其燃烧过程，提高燃烧效率。发动机冷起动后，为了尽快实现分层燃烧，在排气行程即将结束、进气门尚未开启时，便将燃油喷入进气口。这样，当进气门打开时，已初步挥发的燃油便立即被吸入气缸。此外，在压缩行程将要结束时，缸内喷油器还要喷射一部分燃油，这样形成的分层混合气，在火花塞附近区域比其他区域浓（图2）。这可使点火提前角减小，从而提高废气温度。废气温度提高后，可快速加热催化剂，并明显改善尾气排放性能。

（2）均质燃烧

为了优化混合气的燃烧，在做功、排气和进气行程中，发动机控制单元都会精确控制进气口喷油器的喷油量和喷油相位。此外，发动机控制单元也会在进气行程前期，控制缸内喷油器的喷油量和喷油相位（图3）。在车辆行驶中，发动机控制单元会结合或单独使用2 种不同类型的喷油器，来产生最佳的均质混合气。这种喷油系统避免了单一缸内直喷系统常见的颗粒物排放问题。在车辆行驶中，喷油系统可利用喷射燃油的蒸发效应，冷却压缩空气，从而同时提高进气效率和输出功率。

（3）怠速喷油

发动机暖机后，怠速运转时，缸内喷油器停止工作。在这种情况下，采用进气口喷油方式，保证混合气的稳定燃烧，从而使发动机能够非常安静地运转。

（4）喷油扇面的优化

D-4S废止了老式缸内直喷系统中所采用的涡流形成方式，进气端口改进为高流量型（图4），这种系统更能体现直喷的优点。D-4S燃油喷射系统采用高压单缝喷嘴型喷油器，这种喷油器可使燃油更好地雾化，并使其扩散至更广的扇形区域内。控制系统在最佳时刻将燃油喷入燃烧室，从而使燃油最大程度地与空气混合。由于提高了燃油喷射的扩散性，所以实现了均质混合气、高性能和高动力输出。

（5）喷油器的特点

缸内喷油器的密封件采用了特氟隆材料，与缸盖接触部位使用隔振垫，以降低喷油器噪声，并提高密封性能。进气口喷油器总成采用 O 形圈+挡圈方式，降低工作噪声、提高静音性能并确保紧固件的气密性。此外，进气口喷油器还采用高雾化的12孔长喷嘴。这样，既优化了进气口内的气流，又降低了燃油粘附量，从而提高了燃效并减少排放。

2种喷油器都对移动部件和电磁线圈进行了优化（图5），以实现燃油喷射量动态范围的扩展和零件优良的高温性能，从而提高燃效并减少排放。

（6）高压油轨

高压油轨使用铸铁制成（图6），油压传感器安装在油轨总成上。喷油器和油压传感器与油轨的连接，采用金属对金属的密封连接，以确保行车安全。安装缸内喷油器的每个位置上都装有卡箍，它们向喷油器施加恒定的弹簧力，可在发动机起动期间油压较低的状态下，防止燃烧室气压施加在喷油器上的冲击力使其移动。这些卡箍在降低振动和噪声的同时，还提高了喷油器的密封性能。

（7）密封圈的安装

在安装缸内喷油器的密封圈时，必须使用专用工具 SST。首先将带有密封圈的护套装在喷油器的喷头上，然后用手指将密封圈向下推入喷油器的凹槽内（图7）。然后将 SST缓慢地滑到密封圈位置，并保持5 s以上，使已经被撑大的密封圈恢复到原有的尺寸。最后检查并确认密封圈未划伤、变形或从喷油器凹槽中凸出。

2.广角可变气门正时

新款发动机进气部分采用了智能广角可变气门正时系统，称作VVT-iW；排气部分仍然沿用传统的可变正时系统VVT-i。采用这种搭配后，发动机从低转速至高转速区域内均实现了大扭矩输出。

VVT-iW的执行机构采用了中间相位锁止技术，即在相位无需调整时，将进气凸轮轴保持在相位调整的0°位置。进气采用VVT-iW后，发动机能够在奥托和阿特金森循环之间灵活转换。在低负荷时，进气门开启相位由0°～27°扩大到-30°～50°（图8），从而真正实现阿特金森循环，消除了泵气损失；在较高的转速下，发动机可迅速返回到奥托循环，以增强动力输出。

（1）进气相位执行机构

该机构采用了3 叶片式执行器（图9），通过减少腔室数量的方式，实现了广角相位调整的目标。执行机构采用了2 个锁销，在相位调整指令为0°时，将转子与链轮锁定。实际上，相位执行机构在大部分时间内，还是工作在相位调整的0°位置上的。将相位锁止，可以减少发动机的功耗和零件磨损。

执行机构使用了螺旋式回位弹簧，它一方面可以对转子起到减振作用，另一方面，在转子回零时，可以使2个锁销迅速对准孔位。相位执行机构在发动机起动过程中，能主动提高进气效率，确保了起动的顺利。

（2）相位控制阀

相位控制阀安装在链轮固定螺栓的内部（图10），这种方式缩短了控制油道的长度，提高了发动机在低温下的响应特性。相位控制阀由电磁阀来控制，随着阀芯在轴线上的位置变化，形成了控制相位执行器转子的控制油压。相位控制阀同时实现了锁销控制和凸轮轴相位控制的功能。

3.水冷式废气再循环系统

为了提高排放控制的效果，同时也为了提高发动机的输出扭矩，废气再循环系统采用了水冷方式（图11）。发动机的排气气流经过冷却液的散热后，回送到进气歧管。这样一来，大大提高了气体密度，从而改善了发动机的整体性能。

4.发电机控制

此控制系统包括蓄电池传感器、发电机总成、各种传感器、开关和发动机控制单元（图12）。发动机控制单元根据各种传感器的信号检测车辆的行驶状态，并根据来自发电机总成和蓄电池传感器的信号来控制发电量。