前言
很久没有翻译技术文献了……这次带来的是雷克萨斯的2UR-GSE引擎,分别搭载在IS F及RC F车型上。虽然代号一致,但搭载在两款车型上的2UR-GSE,还是有所区别。
IS F用2UR-GSE
1 概要
提升产品的环境友好性固然重要,但制造一辆“愉悦驾驶”的车辆也是重中之重,后者是汽车的内在魅力。
雷克萨斯高性能IS F(图1)中的“F”代表‘愉悦驾驶’(Fun to Drive),这表明了该车型对驾驶乐趣的终极追求。基于LS车型上的、低油耗低排放及优秀动力输出的1UR-FSE/2UR-FSE,我们针对IS F特别开发新的2UR-GSE。新的动力单元满足“动力延伸感”、“响应性”及“声浪”这3个维度的开发目标,在感性及知觉上吸引驾驶员。该引擎是丰田自动车株式会社及雅马哈发动机株式会社共同开发的。本文将围绕上述3个开发目标,以及环境性能,对新引擎作介绍。
图1 IS F
2 引擎概要
本引擎在确保环境性能的同时,优化了作为运动型引擎的扭矩分布,另外还提升了最大功率。
5.0L的排气量保证了低转速的充足扭矩,而且引擎转速提升时,扭矩也可以线性提升,从而达成在高转速下的爽快动力感受。相比之前的2UR-FSE,新引擎的功率提升21 kW。
为满足日本、欧洲及美国的排放法规,与开发基础的UR系列引擎相同的丰田D-4S及VVT-iE,被应用至新2UR-GSE上。为提升高转速区间的进气效率,新的气缸盖、进排气系统及钛合金进气门被应用。
为对应运动驾驶,新引擎追加了回油泵的设计,同时还采用了水冷机油冷却器。图2为新引擎的概要,而表1则是新引擎的基本规格。
图2 新引擎概要
表1 引擎基本规格
3 特征
3.1 动力延伸感
为提升最大功率,同时保证扭矩的线性提升以满足“动力延伸感”的开发目标,以下项目被重点关注:
(1)进气道
开发新的高流量进气道,以满足高转速下提升进气效率的要求。气道喷射喷油器的小型化,喷油器往进气道的突出部分减少,同时进气道截面形状设定为椭圆形,达成更加直线化、光顺的进气道形状(图3)。相比于2UR-FSE,流量系数提升11%(图4)。
图3 进气道
图4 气门流量系数
(2)进气歧管
不可变高流量进气歧管,替代了开发基础UR系列引擎上的2级可变进气歧管,高转速下的动力延伸感得以实现。
(3)气门系统
除了提升气门升程,我们还降低了气门系统的惯性质量,并提升了其刚度。通过采用钛合金材质,进气门的重量降低40%。为提升刚度,之前的液压气门间隙调整器,被替换成固定式设计。相比2UR-FSE,进气气门升程提升9%,排气气门升程提升3%(图5)。
图5 气门升程对比
(4)车辆吸气系
在双模式进气系统中,在引擎低转速区间,空气仅从主进气通道进入引擎。而在引擎中高转速区间,第二进气通道将打开以降低压损,以保证引擎高输出所需的空气流量(图6)。
图6 双模式进气系统
(5)排气歧管
即便空间布局非常狭窄,双型(dual type)排气歧管降低了高转速时的排气干涉,从而提升了容积效率(图7)。
图7 排气歧管
(6)摩擦降低
油底壳中的挡油板进行了优化,从而降低了搅拌机油的阻力。同时由于采用钛合金进气门,相比于2UR-FSE,气门弹簧负荷降低了约20%,气门系统的阻力也得以降低。
(7)总结
得益于上述措施,最大功率转速点得以提升(+200 rpm)。另外对比2UR-FSE,最大功率提升21 kW,而且扭矩特性满足动力延伸感的要求(图8)。
图8 引擎性能曲线
3.2 响应性
新引擎的开发着眼于响应性,这是NA引擎的重要特征。为提升响应性,需要降低操作油门踏板与进气量之间的迟滞。基于此,降低进气歧管的容积是有效的手段。在新引擎中,我们达成最佳的紧凑容积比,但没有降低引擎性能,这是通过CFD优化进气歧管形状达成的(图9)。相比1UR-FSE,当节气门关闭时,进气歧管的压力响应时间减低30%(图10)。
图9 进气歧管
图10 进气压力响应对比
图11 换挡时间对比
另外,通过对变速器及引擎的紧密控制,我们达成世界上最快的升挡(0.1秒)及迅速的补油降挡,从而满足愉悦驾驶的要求。
3.3 声浪
作为运动型引擎,新引擎声浪的开发目标,着眼于整体的低音,其包括低转速的排气声、中转速有力的进气声及高转速干净的机械声。
前述的双模式进气系统,被用来优化中转速的进气声。该系统的切换时机进行了优化。在低转速时,以排气声为中心,辅以仅来自进气系统主进气通道的有力进气声,达成低鸣。而在3600 rpm以上,第二进气通道打开,两个进气通道共同达成有力的进气声。
在高转速区间,与噪声具有相同频率的机械声,将被隔音材料隔绝,从而达成干净的机械声要求。其中之一就是凸轮轴颈支撑的设计优化,还有就是采用钛合金气门。另外,如果此时进气歧管有强烈的共鸣,会导致整体声浪的浑浊感。通过优化进气歧管的结构以降低共鸣,在高转速区间达成干净且线性的声浪表现(图12)。
图12 不同形状进气歧管进气声对比
结果是,当车辆行驶时,车内声浪会基于引擎转速达成3种变化(图13)。另外,降挡补油达成快速降挡,从而产生的进气声,同样满足愉悦驾驶的要求。
图13 3阶段声浪分布
3.4 对应运动驾驶
为防止在运动驾驶高G值下,机油从气缸盖回流的恶化,在新引擎中布置了回油泵,有力地从左右两侧气缸的气缸盖中回收机油。两侧气缸各安装一个回油泵,而即便在1.2G情况下,相比没有回油泵的情况,新引擎机油压力的降低仅是前者的一半,从而保证所需的机油压力(图14)。另外通过采用水冷式机油冷却器,即便在激烈驾驶时,也可以将机油温度降低5℃或以上,以尽可能发挥引擎的性能。上述措施在运动驾驶时,都可以保证稳定的机油润滑。
图14 回油泵
3.5 环境性能
为同时达成动力及环境性能,新引擎搭载了在UR系列引擎同样采用的D-4S及VVT-iE,前者在每个气缸采用两个燃油喷射系统,后者则采用了电机控制,即便在低温下也能达成大角度气门正时调节。
另外,新引擎还优化了缸体结构,同时追加了热处理,而且采用水套隔板以抑制气缸缸径的变化。
总的结果是,搭载新引擎的IS F,规避了北美油耗中的Gas Guzzler Tax,满足了ULEV II排放法规。新引擎具有4.0L的油耗水平,但实车的加速性能达到了6.0L的水平,油耗和动力性能得以两立(图15)。
图15 油耗及加速性能
4 结论
我们相信,该引擎可以展示,运动型引擎的其中一个开发方向是对愉悦驾驶的追求。该引擎覆盖了从城市驾驶到运动驾驶的大范围使用场景,同时保证驾驶的乐趣。即便处于对引擎环境友好性严苛的时代,今后我们仍致力于开发环境友好及愉悦驾驶的相关引擎技术。
RC F用2UR-GSE
1 概要
即便处于对环境保护高度关注的年代,驾驶员对车辆响应性及驾驶兴奋感的要求,并没有得到轻视;更有甚者,消费者对搭载高性能引擎及关注驾驶员感受的跑车的期待,是与日俱增的。我们开发了全新的2UR-GSE,这是一台5.0L V8自然吸气引擎。而肩负“F”之名的最新雷克萨斯高端运动车型RC F,将搭载该引擎。我们的开发目标是在适应当今时代的环境要求下,新引擎可以结合压倒性的动力输出,以及一些可感触的魅力,后者包括声浪、响应及舒适的加速性。基于此,新引擎的大部分部件被重新设计,并采用了我们最佳的技术,包括我们最新的直喷技术、进气侧采用电机控制的双VVT、高转速和高动力输出技术等。该引擎也是丰田自动车株式会社及雅马哈发动机株式会社共同开发的。
2 引擎概要及基本规格
表1展示的是新2UR-GSE引擎的基本规格。
表1 引擎规格
新引擎着眼于以下主要开发目标,以保证其性能相比过往引擎明显提升。
(1)压倒性高动力、高转速以提升可感触性能
●对比过往引擎,新引擎最大功率提升40 kW,而最高转速提升500 rpm。全转速区间的扭矩提升,则有效提升了动力性能;而拓宽转速范围,同时提升最高扭矩出现的转速,则提升了动力的延伸感。
●运动零件的轻量化,通过对气门系统及进气系统的规格变化,提升响应性及达成干净的声浪表现。
(2)引擎单体油耗及实车油耗
●引擎最高热效率37.8%,并引入阿特金森循环;Lambda=1的限制车速为225 km/h,同时控制怠速转速并实现低摩擦化。
(3)对应当下时代排放性能
●满足世界最严苛的排放法规,包括北美的LEV Ⅲ及欧洲的Euro 6。
(4)赛道驾驶
●除了水冷式机油冷却器,还追加了空冷式机油冷却器。
表2整理了达成上述目标的具体措施,以下章节会详细展开说明。
表2 采用技术
3 技术特征
图1为新引擎的剖视图。
图1 引擎剖视图
3-1 气缸盖
采用高流量、高滚流比进气道,同时优化气道截面形状,以提升引擎性能(图2、3)。
图2 进气道优化
图3 进气道性能
另外,优化活塞侧的燃烧室形状,同时压缩比从以往的11.8提升至12.3,这些都提升了热效率。再者,通过优化水套设计以提升冷却液流速,降低了燃烧室温度,从而抑制了爆震并提升了动力性能(图4)。
图4 气缸盖水套优化
3-2 气门系统
进气门增大气门升程及扩大持续角,提升了引擎的动力性能。电动VVT增大了持续角的控制范围,让采用阿特金森循环成为了可能。除了进气门,排气也采用了钛合金材质,后者来自于LFA的1LR-GUE引擎,以支持更高的引擎转速。
3-3 进气系统
新引擎加大了节气门直径以提升引擎性能,基于此,进气歧管设定为上下一体化的结构。同样为了引擎动力性能,导气管的长度进行了优化;而节气门下游的进气容积降低了10%,以提升响应性。进气系统的结构对声浪有明显的影响。如果进气歧管中有明显的共鸣,将增加了声浪的浑浊感。基于IS F的经验,新引擎的进气歧管同样采用了抑制共鸣的结构,从而保证干净且线性的声浪(图5)。
图5 进气歧管对比
3-4 排气系统
针对过往引擎的进行了改良,新的排气歧管即便在狭窄的布置空间中,也能降低高转速区间的排气干涉,从而提升容积效率。另外为降低排气压损(背压),排气歧管的出口的直径得以加大(图6)。
图6 排气歧管对比
3-5 往复运动部件
曲轴曲柄销直径缩小至为48mm(以往的为53mm),同时连杆采用高强度锻造材料;往复运动部件得以大幅度轻量化,惯性质量比以往降低8%,这对响应性及高转速都有所贡献。另外,通过优化油底壳的储油量及挡板的设计,降低了搅拌机油的阻力,从而提升的引擎动力且降低了油耗。
3-6 燃油系统
新引擎采用丰田D-4S系统,每个气缸布置两套喷油系统(缸内直喷+气道喷射)。直喷喷射压力的提高(从13提升至18 MPa),同时优化直喷喷射油雾形状,同时实现了提升动力及降低排放。特别在PM排放方面,与以往相比减低了约80%(欧洲测试模式)。
3-7 冷却系统
基于此前引擎的水冷式机油冷却器,新引擎还追加了空冷式机油冷却器,后者会在高机油温度下介入工作。该设计保证了引擎高负荷下的稳定机油润滑,让赛道连续驾驶成为了可能(图7)。
图7 冷却系统
4 引擎动力、环境性能
4-1 全负荷性能
通过上述的高转速、高动力技术,新引擎的最高转速提升500 rpm,在7100 rpm达成最大功率351 kW,比以往提升了40 kW(图8)。另外全转速区间的扭矩提升,有效提升了动力延伸感(图9)。
图8 功率性能提升项目
图9 引擎性能曲线
4-2 油耗
4-2-1 油耗优化技术
进气侧VVT控制角度扩大,在低负荷、低转速的城市街道工况,进气气门延迟关闭以降低泵气损失的阿特金森循环得以使用(图10、11)。
图10 气门正时设定
图11 阿特金森循环下气门正时设定
在高速稳态行车工况,通过优化气门正时降低排气温度,将Lambda=1的限制最高车速,提升至225 km/h。
另外,新引擎还降低了带空调轻负载的引擎怠速转速(从680降低至580 rpm),以降低实际油耗。
新引擎BSFC如图12所示。达成最高热效率37.8%的同时,实现大工况区域的低油耗。
图12 引擎BSFC
4-2-2 油耗及动力两立
除了说前述针对城市街道及高速行车工况的气门正时设定,新引擎的气门控制还着眼于全负荷时高填充效率,同时还关注高转速低负荷至全负荷区间的响应性。由此,达成油耗及动力两立的结果。
另外,针对赛道驾驶的SPORTS+模式,调整了点火时机及节气门控制特性,强化了动力输出及响应性;而在ECO模式,节气门控制特性将关注油耗,同时降低空调工作频率以降低油耗。如此,驾驶员可以根据自身需求,选择上述两种驾驶模式。
4-3 排放性能
搭载该引擎的雷克萨斯RC F,可以应对北美LEV Ⅲ(ULEV70)、欧洲Euro6、中国国5及日本国内J-SULEV等世界各国的最新排放法规。
5 总结
即便处于对环境性能更加严苛的时代,新引擎作为一款运动型引擎,依旧保证了驾驶者可以感受到的压倒性动力及可感触性能。未来,我们将继续开发动力输出、可感触性能及排放性能更上一层楼的引擎,以满足消费者的期望。
以上~