[精益求精]丰田M20系列2.0L发动机超深度开发解密下
接上文：
6 DI喷射改善（降低排放技术）
如前文所述，基于TNGA燃烧设计理念，M20发动机硬件上也先沿用A25发动机。燃烧系统也采用DI和PFI相结合的D-4S系统，并将TNGA开发的锥形多孔DI喷油器和新型PFI喷油器（新型喷雾布局）推广到M20发动机上。然而，由于气缸直径的减小，直喷燃油喷雾的长度不变的话，对气缸壁面的湿壁效应更加严重（Pistion wetting），严重影响PM/PN排放。因此，对DI喷雾进行了改进。通过实际分析，如果沿用A25发动机喷油器的话，缸内燃油残留的分析结果如图16所示。Y轴为总喷射量的燃料润湿率。无论喷油时刻如何调整，燃油壁面附着都无法缓解。如图17的CAE分析也显示了气缸排量降低导致的气缸直径缩小，气缸湿壁变得更加严重。燃油湿壁程度越高，低温下排放量越大，PM（颗粒物）越差，冷启动机油增多越明显，暖机下的WOT性能也会被爆震影响（局部发生早然）。
图16 不同气缸排量下湿壁程度对比
图17 A25和M20气缸湿壁效应的对比
此外，如图18所示，通过CFD分析，在靠近喷油器油束的气缸壁面，壁面燃油附着呈现几何倍数的增加，因此有必要适当减小油束的喷雾长度。一种减少喷雾长度的方法是减小喷孔直径。也就是说，通过减小喷孔直径，可以减少流量，达到降低喷雾长度的目的。但是，为了满足总单次喷射量的要求，就必要扩大其它的喷孔直径。
图18 CFD模拟燃油壁面附着和喷雾/气缸的关系
喷雾模拟结果如图19所示，左边为统一喷孔直径，右边为不同直径，通过分析，总体喷雾被某些大喷孔的喷雾影响，喷雾长度反而变长了。同时，在不同流量的喷孔中，喷孔上的沉积物（积碳）的脱离力根据不同喷孔而变化。因此，对积碳的预防与控制处也是一项具有挑战性的任务。
图19 喷孔孔径的影响
换个角度来思考，直喷多孔喷油器的喷孔形状为锥形膨胀喷孔，高压燃油在喷孔出口处的分散，形成与锥形表面一致的膨胀分散流，从而实现雾化。图20显示了基于改变锥角角度（Taper angle）下对喷雾厚度和穿透性的分析，该分析结果表明锥角厚度确实会影响到喷雾长度。随着锥角的增大，喷雾厚度与长度进一步减小，从而促进了雾化。但是在实际的喷雾布局中，由于锥角的扩大，壁面燃油附着反而更加严重了。
图21显示了相同布局、不同喷油器锥角下的燃油附着结果。从结果来看，上一段分析提出的锥角扩大是会改变喷雾形状的。但是由于锥角扩大后，相互间造成了喷雾干涉，导致局部壁面附着更加严重。
图20 锥角控制喷雾长度
图21 喷孔锥角对喷雾形状的影响
为了克服这一矛盾，只将边上需要抑制喷雾长度的喷孔进行锥孔扩大，其他喷孔不动，并且调整了每个喷雾之间的间隙。改进前后的喷雾评价结果如图22所示，结果表明，扩锥角喷孔的喷雾长度变短，且与改进前相比，中间喷孔的喷雾长度也有所降低。根据图23所示的CFD分析结果，该喷雾形状可以减少气缸内了湿壁效应。
图22 单形状锥孔和多形状锥孔下喷雾特性的对比
图23 CFD结果对比演示图
7 驾驶性（Fun to Drive）
对于车辆动力性能来说，全负荷下加速是重要指标之一。同时，在日常驾驶中，需要有加速感、平顺感、直接感等感官感受，才能实现足够的驾驶舒适性和驾驶乐趣。丰田为该发动机匹配了手动变速器（MT）和全新无极变速器（WCVT）。
新型无级变速器除了在燃油经济性、加速性能和NVH性能方面有显著提高外，还通过提高传动比提高发动机高效区间的使用频率。对于该新结构，不仅利用现有钢带轮所保持的金属带传递动力，还增加了用于起动和低速行驶的齿轮传动机构，与钢带传动相比，在低速侧设置的高效直接档用于起动和急加速，发挥出发动机的性能。通过采用M20发动机与WCVT，通过高扭矩的最大利用实现了良好的加速响应。图24通过比较C-HR和竞争对手的车辆，显示了车辆在全负荷起步加速时的G值情况。通过起动的齿轮传动，实现了NA发动机特有的直接加速感和快速响应，在与小尺寸涡轮增压发动机的竞争中，响应性上具有优势。
图24 全负荷加速下G值
此外，为了在日常驾驶中获得良好的驾驶感受，体现出运动感，我们在开发过程中重点关注"线性"（车速/驱动力/发动机声音相互间的衔接）。图25显示了车辆在全负荷加速度下，从档位驱动切换到钢带驱动，以及随后的钢带驱动升档过程。从图中看出，虽然丰田表示齿轮切换至钢带是顺滑的（smoothly），但是实际上还是有较为明显的冲击的，切换到钢带模式后，丰田人为设计了几个档位，模拟出AT的直接换挡感觉。
图25 全负荷加速度下的齿轮传动特性
图26示出了在40km／h速度下，25%油门踏板的加速性对比，通过对驱动力特性的修正和换档控制及操作区域的优化，加速响应性得到提高。传统CVT加速滞后的问题得到解决。
图26 车辆g在扫掠加速度下的性能比较
8 小结
丰田TNGA平台下全新动力总成2.0L NA+WCVT，都是比较先进的技术。丰田以前给大家的感觉就是可靠性不错但是动力系统平平无奇，这套动力总成给丰田车型C-HR带来部分运动感，应用在凯美瑞身上也深化了省油的优势，提升了丰田车型的产品力。