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6AR-FSE发动机关键技术详解备忘录
9472 49 发布于 2016-02-17 11:39:12 只看楼主 热门标准
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2015全新凯美瑞(七代中期改款)使用的是6AR-FSE发动机,这款发动机采用了VVT-iW智能广角可变气门正时系统,实现阿特金森循环和奥托循环,从而使发动机达到12.7:1的高压缩比,配合着D-4S双喷射系统、水冷EGR废气再循环技术使得油耗下降,功率提升。6AR-FSE采用了的是缸径为86mm×行程为86mm横切面为正方形的缸体,这种短行程发动机注重高速性能,功率大。但采用了D-4S双喷射系统,在不同工况下采用不同的喷油模式,提升燃油效率,减少碳氢化合物和氮氧化合物排放;同时大大减少积碳的形成。该款发动机最大功率为123kW,最大转矩199N·m,功率完全可以媲美2.5自然吸气发动机。而且官方给出3年或6万公里免费基础保养的服务,可以节约一定的用车成本。全新的2.0L直喷发动机相比旧款2.0L发动机,带来直接的效果是最大功率由原来108kW提升至123kW提升14%,最大扭矩由190Nm提升至199Nm提升5%。百公里综合油耗由原来的8.4L降至7L油耗下降20%。全新的2.0L直喷发动机动力上的提升还是相当明显。VVT-iW智能广角可变气门正时系统1996年丰田研制出第一代D-4发动机燃烧系统,结合SCV(涡流控制阀)和EGR(废气再循环技术)使性能大大提升;1999年丰田又开发了第二代D-4发动机燃烧系统采用了狭缝喷油嘴喷油器和壳状的燃烧室,分层稀燃最佳工作范围加大,最稀空燃比可达50。第三代D-4S双喷射系统配备了两种喷射方式,缸内直喷和歧管喷射。发动机冷启动时,采用进气歧管喷射;低中负荷时,采用混合喷射,提升扭矩,降低油耗;高负荷时,采用缸内直喷,提升功率。VVT-i可变气门正时系统是丰田看家本领之一的技术。VVT-iW相对于VVT-i,在原来的机构上,多增加一组活动组件,增加气门角度可调节的范围,从原来的50°增到80°,可更加灵活控制气门启闭时间,确保发动机在任何工况下都实现最佳的空燃比。VVT-iW智能广角可变气门正时系统通过特殊锁止装置,使发动机在阿特金森循环和奥托循环两种工作模式下工作。这就是“W”,“W”在日语中发音和“Double”相同。低工况时气门迟闭,排出部分新鲜空气,令压缩行程小于膨胀行程,实现热效率高的阿特金森循环,达到省油的效果;高工况时气门提前开启,进排气效率更高,取得奥拓循环低扭强劲的优点。两种循环互补优缺点,一句话总结:少吃多干。
水冷式EGR废气再循环技术水冷式EGR废气再循环技术是通过引导部分废气经过冷气后重新进去气缸参与燃烧。EGR废气再循环技术主要是控制高温高氧气下燃烧产生的的氮氧化合物NOx排放。早期的EGR废气再循环技术没有冷却废气的作用,这样直接将废气引入气缸燃烧,会提升进气温度,降低充气效率,恶化了燃油经济性。水冷式EGR废气再循环技术加入了冷却废气的技术,并且采用超灵敏EGR阀,时刻根据发动机工况,调整EGR率,使其保持在10%~20%范围之间。同时适当引入废气再燃烧,让废气中的氮氧化合物NOx充分燃烧,适当降低氧浓度,提高混合气比热容,在燃料燃烧放出的热量不变的情况,从而使最高燃烧温度降低,抑制NOx产生,降低排气温度。如今日系车都换装了自己的新技术比如本田的“地球梦”,马自达的“创驰蓝天”等技术。马自达的“创驰蓝天”也采用了高压缩比,压缩比高达13:1,2.0L车型最大功率提升到116kW,峰值扭矩为202N.m,功率比凯美瑞低了7KW,“创驰蓝天”发动机同样也采用了缸内直喷的技术、凹孔活塞以及独特的排气歧管设计从而达到高动力低油耗,但在不利的环境条件下,主要是高温环境下,功率扭矩会大幅降低。
6AR-FSE的进化方式很丰田。它保留了成熟的技术体系,而对现有的发动机架构进行尽可能多的优化。看似不起眼的每一个小细节的改变,目标都是让6AR-FSE日臻完善。它们默默无闻地服务着,换来的是用户短时间内感受不到,却能随着相处时间的增长,愈加积累起信赖的感觉。



发动机内部优化及低摩擦化
6AR-FSE采用了偏置的曲轴,这样可以让发动机在做功行程时,活塞对两侧缸壁的压力更加平均,发动机运转更加顺畅震动更小并且提高发动机寿命。在活塞运动到下止点附近,一组机油喷头会将机油“倒灌”在活塞底部为活塞散热。6AR-FSE竟然得到了这种以往通常出现在高性能发动机上的技术,如此厚遇着实让车主们有点小惊喜。摩擦力是发动机动力发挥的天敌,降低摩擦可以提高发动机的平顺性、提升动力以及降低油耗。例如6AR-FSE使用了低张力的活塞环,降低活塞环与缸壁之间的摩擦力,而这需要高加工精度的零部件保证气缸的气密性,防止漏气和烧机油的情况发生。一句话总结:优化结构,降低摩擦,更结实更耐用。

发动机关键技术盘点
在涡轮增压发动机大有普及的势头里,丰田依然坚守着自然进气这种传统的方式。即便凯美瑞的同级对手如大众帕萨特/迈腾、福特蒙迪欧、别克君威等车型都推出了小排量涡轮增压作为入门动力,凯美瑞2.0的小改款依然不为所动,只带来一款全新设计的2.0L自然进气发动机。为什么丰田涡轮技术普及这么保守?

第一,对于丰田来说,涡轮增压发动机是用来压榨发动机动力性能的,留意一下丰田八九十年代的涡轮增压技术就知道,绝少看得到升功率不到100匹的涡轮增压发动机。事实上丰田在涡轮增压发动机技术方面的造诣,到今天为止还让全球无数车迷津津乐道,能压榨出过千匹动力的3.0直六发动机2JZ-GTE(丰田“牛魔王”Supra的心脏是也),九十年代称霸WRC的3S-GTE(丰田塞利卡轿跑车),无一不是将性能作为第一诉求。第二,基于第一个原因,对于非高性能取向的用途,丰田还在扎扎实实地挖掘着传统自然进气发动机的潜力,无论是燃油经济性还是动力性,永远不要小看丰田的研究成果。

开启2.0L发动机的“2.0时代”

6AR-FSE属于丰田AR系列发动机家族的一员,和它的几位亲戚如汉兰达的2.7L、凯美瑞的2.5L共用了一部分的结构。虽然是6AR-FSE是同族发动机里排量最小的,但它却是运用最多新技术的发动机,拥有12.7:1超高压缩比的,输出功率达到了123kW的同时,也实现了199Nm扭矩,所以升功率最高,数据规格甚至直逼2.5的2AR-FE。通过一系列新技术的运用,包括VVT-iW新世代可变气门正时技术、D4-S双喷射系统、水冷EGR、一系列降低摩擦技术等,完成了大功率、低油耗两个看似不可能并存的要求。

发动机动力的两大来源,空气和汽油,6AR-FSE均针对这两大动力来源进行了根本性的升级。VVT-iW是一位比VVT-i更高效的空气管家,D4-S则是丰田技术下放的诚意体现。

VVT-iW气门正时技术,实现高达80°的气门正时变化范围(注:以曲轴转动角度计算,下同)

“W”在日语中的发音和“Double”相同,这里的W正正是表达“Double”的意思。结构上,VVT-iW相较于VVT-i,在原来的机构上,多增加了一组活动组件(Double),增加了气门角度可调节范围,从原来的54°增加到了80°,可以更灵活地控制气门开闭时机,确保发动机在任何工况都实现最高效的进气,取得油耗和动力的最优解。6AR-FSE可以在阿特金森循环与奥拓循环两种工作模式(Double)之间转换。气门迟闭,排出部分新鲜空气,令压缩行程小于膨胀行程,实现热效率高的阿特金森循环,达到省油的效果;气门提前开启,进排气效率更高,取得奥拓循环低扭强劲的优点。一句话总结:按照驾驶员的意图,更有针对性地优化进气效率。

D4-S双喷射系统,取两者之优,解两者之困

6AR-FSE,引擎代号中间的S就是代表了丰田的混合式缸内直喷燃油系统D4-S。D4-S原本只在丰田GT86、雷克萨斯GS350还有NX200t等较高定位车型上才能看到,如今D4-S技术普及到凯美瑞的入门动力系统,对于准买家来说无疑是一个绝佳的消息。


水冷EGR阀:环保不再是负担

EGR废气再循环系统,通过将部分废气导入进气歧管重新参与燃烧,降低NOx氮氧化合物的生成,提高发动机的环保性。水冷EGR系统,将炽热的废气降温后再“排入”进气通道,降低了整体进气温度,同时提升了氧气密度,从而减少EGR对动力输出的影响。6AR-FSE发动机使用了电装公司新开发的水冷EGR系统,在冷却效率不变的前提下,比市面上最小的同类系统体积减少了30%,令发动机体积更紧凑。一句话总结:削弱了再循环废气的“存在感”。

科普:EGR
EGR是英文Exhaust Gas Recirculation三个字的缩写,意思是废气再循环系统。它是针对引擎排气中有害气体之一的氮氧化合物NOx所设置的排气净化装置。 氮氧化物排到大气中,碰到强烈的紫外线时,会生成光化学烟雾。这种光化学烟雾,会造成眼睛疼痛,严重的话还会呼吸困难。长期呼吸被氮氧化物和黑烟等污染的空气,也容易带来呼吸器官的疾病和癌症。 在化学上,氮是所谓的惰性气体,不容易起氧化作用,但温度高到一个程度,还是会形成氮氧化物的。因此若要降低引擎排气中的氮氧化物含量,就必须设法降低引擎的燃烧温度。目前车辆使用的方法就是在进气管中导入一些已经燃烧过的废气,与新鲜空气混合,使之再次燃烧,作用为降低混合气的含氧浓度、吸收燃烧释放出的热量,使燃烧速度减慢、燃烧温度降低,便减少了NOx的生成数量,现代引擎不论是汽油或柴油的都有EGR废气再循环系统,并且都用计算机来控管废气的进气量,以期许在环保和动力上取得最大的利益和平衡。 发动机控制电脑即ECU根据发动机的转速、负荷(节气门开度)、温度、进气流量、排气流量,温度控制电磁阀适时地打开,进气管真空度经电磁阀进入EGR阀真空膜室,膜片拉杆将EGR阀门打开,排气中的少部分废气经EGR阀进入进气系统,与混合气混合后进入气缸参与燃烧。少部分废气进入气缸参与混合气的燃烧,降低了燃烧时气缸中的温度,因NOX是在高温条件下生成的,故抑制了NOX的再次生成,从而降低了废气中的NOX的含量。但是,过度的废气参与再循环,将会影响混合气的着火、性能,从而影响发动机的动力性,特别是在发动机怠速、低速、小负荷及冷机时,再循环的废气会明显地影响发动机性能。所以,当发动机在怠速、低速、小负荷 及冷机时,ECU控制废气不参与再循环,避免发动机性能受到影响;当发动机超过一定的转速、负荷及达到一定的温度时,ECU控制少部分废气参与再循环,而且,参与再循环的废气量根据发动机转速、负荷、温度及废气温度的不同而不同,以达到废气中的NOX最低。 ERG工作原理及运用 发动机的有害排放物是造成大气污染的一个主要来源,随着环境保护问题的重要性日趋增加,降低发动机有害排放物这一目标成为当今世界上发动机发展的一个重要方向。随着世界石油制品的消耗量逐年上升,国际油价居高不下,柴油车的经济性日渐突出,这使得柴油机在车用动力中占据着越来越重要的地位。所以开展柴油机有害排放物控制方法的研究,是从事柴油机设计者的首要任务。本文在这里简述降低有害排放物的控制技术中的一种-----废气再循环系统。 废气再循环系统(Exhaust Gas Recirculation)简称EGR,是将柴油机产生的废气的一小部分再送回气缸。再循环废气由于具有惰性将会延缓燃烧过程,也就是说燃烧速度将会放慢从而导致燃烧室中的压力形成过程放慢,这就是氮氧化合物会减少的主要原因。另外,提高废气再循环率会使总的废气流量(mass flow) 减少,因此废气排放中总的污染物输出量将会相对减少。EGR系统的任务就是使废气的再循环量在每一个工作点都达到最佳状况,从而使燃烧过程始终处于最理想的情况,最终保证排放物中的污染成份最低。由于废气再循环量的改变会对不同的污染成份可能产生截然相反的影响,因此所谓的最佳状况往往是一种折衷的,使相关污染物总的排放达到最佳的方案。比方说,尽管提高废气再循环率对减少氮氧化物(NOx)的排放有积极的影响, 但同时这也会对颗粒物和其他污染成份的增加产生消极的影响。 增压中冷柴油机实现废气再循环一般有两种方式:一种是将涡轮前的排气引入中冷器之后,称为高压废气反向。采用可变截面涡轮增压器,可以扩大废气再循环有效工作范围,降低氮氧化物(NOX)和微粒(PT),燃油耗也不升高,这可能是将高压废气再循环系统用于增压中冷柴油机的最好方法。另一种是将涡轮后的排气引入压气机之前,称为低压废气再循环系统,它可有效降低氮氧化物,而废气循环工作范围较大,与柴油机匹配能有效地发挥其功能。 现在我们运用得最多的是低压废气再循环系统,其系统的主要元件是数控式EGR阀。数控式EGR阀安装在右排气歧管上,作用是独立地对再循环到发动机的废气量进行准确的控制,而不管歧管真空度的大小。EGR阀通过3个孔径递增的计量孔控制从排气歧管流回进气歧管的废气量,以产生7种不同流量的组合。每个计量孔都由1个电磁阀和针阀组成,当电磁阀通电时,电枢便被磁铁吸向上方,使计量孔开启。旋转式针阀的特性保证了当EGR阀关闭时,具有良好密封性。EGR阀通常在下列条件下开启: 1.发动机暖机运转。 2.转速超过怠速。 目前采用的废气再循环系统还有一种类型,日野汽车公司开发的脉冲式废气再循环系统在柴油机进气过程中,排气门稍有提升,使部分高压废气回流到汽缸内。排气门的这个作用是通过修改排气门凸轮的形状和将废气再循环系统微升来实现的。在脉冲式废气再循环系统中,废气被重新送回气缸内,因此废气的压力应高到足以使气流反向。要达到这样高的压力只有通过优化气门微升和定时,从而利用废气的压力波才能实现,在该废气再循环系统中,废气压力“脉冲”被有效利用。 废气再循环(EGR)传感器 EGR传感器的用途是使车辆符合世界各国的废气排放标准。EGR传感器向引擎电子控制系统反馈废气流量信息。除去上述用途,EGR传感器的结构使得它还适用于踏板位置检测和采暖通风与空调系统中。 1.作用: 废气再循环(EGR)系统用于降低废气中的氧化氮(NOX)的排出量。氮和氧只有在高温高压条件下才会发生化学反应,发动机燃烧室内的温度和压力满足了上述条件,在强制加速期间更是如此。 当发动机在负荷下运转时,EGR阀开启,使少量的废气进入进气歧管,与可燃混合气一起进入燃烧室。怠速时EGR阀关闭,几乎没有废气循环至发动机。汽车废气是一种不可燃气体(不含燃料和氧化剂),在燃烧室内不参与燃烧。 它通过吸收燃烧产生的部分热量来降低燃烧温度和压力,以减少氧化氮的生成量。进入燃烧室的废气量随着发动机转速和负荷的增加而增加。 2.工作原理: EGR系统的主要元件是数控式EGR阀,数控式EGR阀安装在右排气歧管上,其作用是独立地对再循环到发动机的废气量进行准确的控制,而不管歧管真空度的大小。 EGR阀通过3个孔径递增的计量孔控制从排气歧管流回进气歧管的废气量,以产生多种不同流量的组合。每个计量孔都由1个电磁阀和针阀组成,当电磁阀通电时,电枢便被磁铁吸向上方,使计量孔开启----阀门开启。旋转式针阀的特性保证了当EGR阀关闭时,具有良好密封性。 EGR阀通常在下列条件下开启:1.发动机暖机运转。2.转速超过怠速。ECM根据发动机冷却水温传感器、节气门位置传感器和空气流量传感器来控制EGR系统。


这是能找到的、仅有的6AR-FSE发动机特性曲线,看不清楚。期望广丰研发工程师给个清晰的发动机万有曲线和外特性曲线图

最后编辑于2016-02-17 16:32:47
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