[精益求精]丰田M20系列2.0L发动机超深度开发解密上

1摘要

我在之前的文章中，深度介绍了丰田新一代全球架构（TNGA）平台以及TNGA平台下首款Dynamic Force Engine 2.5L的自然吸气发动机A25系列。本文将介绍第二款发动机，2.0L的自然吸气发动机M20系列。这款发动机很先进，在前辈A25发动机吃过螃蟹后，该发动机进一步精益求精，查漏补缺，成为目前民用级2.0L自然吸气发动机的综合性能之王，凌驾于目前市面上的近乎所有2.0L NA发动机（只有部分性能车，比如水平对置2.0L或者本田红头机能在某些参数上领先）。

其搭载在凯美瑞/亚洲龙上的M20C版本功率达到了131kW，接近部分2.0T涡轮增压发动机，其油耗能做到5.5L/100km，比肩众多搭载小排量涡轮增压发动机的A级车。

表1 M20 发动机家族系列

下面将详细地对该发动机进行开发解密。

2前言

随着国际上节能减排大环境的影响，对汽车动力总成的要求将越来越严格。为了满足这些要求，动力系统变得更加多样化，比如电驱动、内燃机电气化和燃料电池等。这些新系统对技术的推进是重要的，但同时，丰田认为内燃机仍然是重要的组成部分，因此需要进一步挖掘燃油经济性并遵守排放法规。此外，丰田在热效率的追求上造诣颇深，很早就在混动车型实现40%的热效率，但是，过于追求热效率往往会降低驾驶感受（动力性能），所以必须平衡动力性与热效率，以实现足够的"驾驶乐趣"。为了实现这两个相互矛盾的设计目标，丰田对发动机的基本结构进行了全方位优化。通过高速燃烧理念，使两者都能提高。作为新TNGA发动机系列的第一款重磅发动机，2.5L的A25系列发动机得以开发，并首先安装在全新2018款凯美瑞中。

当然，只有一款发动机是远远不够的，丰田将TNGA概念应用到新的2.0L发动机上。丰田TNGA构架的核心理念就是设计通用化，因此在开发过程中，2.0L发动机也沿用了2.5L发动机的燃烧设计。针对因排量不同的差异点，进行了针对性优化，比如对喷油器孔的结构进行了修改，以抑制气缸直径变小导致的湿壁恶化。此外，这与新开发的无级变速器（Direct Shift CVT，又称WCVT）相结合，使动力性和燃油经济性在更高水平上达到平衡成为可能。本文将详细介绍了这些成果。

PS：相关文章我都已经写过，可以关注我看下相关文章。

3 发动机目标

目前主流B级车的动力性和燃油经济性趋势如图1所示。在开发新车型时，设定目标是实现国际上最高水平的燃油经济性和动力性能（平衡燃油经济性和动力性）。此外，设计目标不仅仅只针对节气门全开（WOT）下0到100km/h的加速性能，也考虑实际驾驶经常用到的50km/h到80km/h的全负荷加速性（30mph~50mph）。

图1 0-100km/h加速时间与燃油经济性的关系

热效率和升功率的变化趋势如图2所示。一般来说，热效率和升功率是一个矛盾关系。之前量产丰田发动机的最大热效率为40%，升功率约为40kW/L。全新TNGA架构的凯美瑞的A25发动机系列打破了这种权衡，发动机有40%热效率，并且升功率超过60kW/L，混动发动机达到41%，52kW/L，实现了世界上最高的热效率。TNGA的设计理念也应用于2.0升发动机。常规发动机的目标是达到40%的热效率，升功率更进一步，超过62kW/L。这种高升功率将实现足够的动力性能。

图2 热效率与升功率的关系

4 TNGA燃烧概念

如图3所示，TNGA发动机的核心概念就是高速燃烧。通过高速燃烧实现了热效率和升功率之间的矛盾。在热效率方面，可以强化阿特金森循环，并扩大EGR极限比例，降低泵气损失和冷却损失，此外，它还可以减少爆震，从而压缩比进一步提高。在升功率方面，它抑制了未燃燃料的低温氧化反应，改善了爆震的问题，并有助于提高发动机性能。

图3 丰田新全球建筑燃烧战略

在讲述A25系列发动机时也强调，丰田过去发动机系列采用了不同的技术和不同的基本结构，如图4所示，因此每个发动机的开发过程不同，造成了人力与资本的浪费。对于TNGA系列，从一开始就对其基本结构进行了通用化改进，有助于实现更高效的开发。

图4 TNGA架构概念

5新型2.0L 发动机的改进

5.1进气门设计

在普通发动机上，发动机的功率是满足动力性能要求的重要条件，混动发动机可以通过电机输出辅助来获得良好的动力性能，如表2所示。

表2 M20发动机的设计目标

另一方面，发动机运行中经常使用爆震极限附近的高效区域，因此，利用外部EGR抑制泵气损失和扩大MBT区域是有效方式，由于EGR会阻碍燃烧从而破坏燃烧的稳定性，为了获得较高的EGR系数，需要保证足够的湍流。M20发动机在不改变原型机基本结构的情况下，通过设置进气道来满足这些进气性能要求。详细设计如图5所示。

图5 基于CFD的进气道设计

图6 燃烧室进气流场图

如图7所示，该图为不同进气道下滚流比和流量系数的关系。新设计的进气道采用激光熔覆技术（见A25发动机介绍），在相同流量系数下，滚流比提高了约2.7倍。

图7 滚流比和流量系数关系

5.2 排气门设计

为了获得更高的升功率，除了通过优化进气道形状来提高容积效率和燃烧效率外，还对排气道的形状进行了修正。图8显示了两个原型排气道的CFD结果，图9显示了排气道流量系数的实验结果。从这些数据可以看出，在低压差下（中小负荷），两中排气道之间没有明显的差别，但是在高压差（大负荷）条件下，排气道B的流量系数更高，CFD结果表明，优化后的排气道形状抑制了尾气流出的离散性，扩大了有效截面面积。如图10所示，在发动机高速运转时，排气的泵损失降低，从而提高了发动机性能。

图8 不同排气门在不同压力下的结果

图9 排气门流量系数的对比

图10 排气道优化设计降低排气的泵气损失

5.3 M20发动机规格

表3 为该新型发动机与上代1.8L发动机的对比，M20也经过了多次优化，实际设计指标更高，比如凯美瑞上升功率达到了65.5kW/L。红色方框是我认为该发动机比较先进的地方，尤其是2A/F所对应的控制策略，有效的在不增加催化器成本下，满足了国6B排放，该设计方案全球领先，光这个设计可以让催化器成本降低上千元，从而让丰田车具备市场竞争力。

PS：控制相关的和A25高度接近，详细设计内容参阅我之前写的A25系列文章。

表3 发动机规格对比

5.4 发动机控制策略

图11的左图显示了CHR在实际驾驶中的发动机使用工况以及各区间的油耗改进策略。发动机在中、低负荷工况下使用频率较高，针对此区域主要是降低泵气损失、冷却损失和机械损失。M20发动机为了减少泵气损失，在低负荷工况采用气门重叠角，增加了阿特金森循环循效果，在中负荷工况下增加了EGR比例。同时，在高负荷工况下，采用大比例的EGR缓解爆震。

图11的右表显示了不同工况负荷下的控制概念。简单来说，就是低负荷气门使用阿特金森循环循，使用PFI提高雾化性，降低冷却效果减少冷却损失，降低机油压力减少机械损失；中低负荷使用气门重叠扩大内部EGR效果，采用D-4S喷射控制，让来不及雾化的汽油用直喷喷射，降低冷却效果和降低机油压力；高负荷气门采用提高滚流比策略，采用D-4S喷射控制，扩大外部EGR比例（滚流比增加可以提高EGR系数），增加冷却效果控制爆震，提高机油压力增加冷却性能；全负荷下气门力求进入更多气体，关闭EGR保证燃烧稳定，采用DI多次喷射，冷却性能提高并降低目标冷却温度，机油压力也提高。

图11 发动机基本控制思想

5.5 热效率和全负荷性能

图12示出了M20发动机和上代1.8L发动机之间的热效率对比。随着负荷工况的提高，机械损失比越低，热效率越好，然而到达某爆震极限点后，点火角无法达到MBT，热效率出现下降，爆震极限线周围为最高热效率点。一般来说， DI发动机最高热效率点在BMEP 0.7-0.8MPa左右。随着发动机排量的增加，发动机的最佳热效率区间扭矩会更高，这意味着日常驾驶区域使用到的扭矩区域燃油经济性普遍较低。M20发动机由于高速燃烧策略可以适当增加EGR系数，能够在中低负荷区间下也能达到最大热效率，因此，达到40%的最大热效率。此外，如图20所示，扭矩与功率得到全方位提升， 全负荷下升功率62.5 kW/L以上，这一方面超过了A25发动机。

图12 热效率图对比

图13 全负荷性能

5.6 整车性能

在M20搭载的首款车型C-HR上，除了采用新发动机外，还采用了全新无级变速器（Direct Shift CVT，也称WCVT），实现了宽传动比，提高了传动效率。如图14所示，与当前的CVT相比，同样的驾驶工况下，发动机转速更低，负荷更大，车辆可以保持在高热效率区域运行。因此，如图15所示，我们可以看到在WLTC工况下，平均热效率显著提高。此外，由于起步挡位是AT，没有传动迟滞，因此0-100km/h的加速时间提高了7%或更多。

PS：详细CVT的解析参照我的文章。

图14 现有CVT和WCVT对比

图15 热效率与0-60mph加速时间的比较