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撰文／天津一汽夏利汽车股份有限公司产品开发中心 林静
2NR-FE和3NR-FE发动机是为丰田公司在印度汽车市场上市的入门级小型轿车Etios开发的.此次开发的理念是发动机最简单的零部件结构具有高水准的性能.尽管这两款发动机首次采用了气缸盖没有独立的排气歧管,但发动机最基本的性能还是提高了.文章介绍了2NR-FE和3NR-FE发动机的开发项目.
开发目标
最近,汽车市场如印度和巴西在紧凑型轿车上竞争激烈.丰田公司特别为这一新兴汽车市场开发了Etios轿车,并于2011年1月在印度的新德里上市.
Etios轿车是以新兴市场的前沿理念(emerging market frontierconcept,EFC)开发的.有媒体报道,丰田公司的这款Etios轿车将在2013年向中国市场引入,售价约合人民币8万元.
虽然为Etios轿车搭载的发动机是以1.3L 1NR发动机为原型机（1.3L 1NR发动机2008年在欧洲上市）而开发的,但是为了满足新兴市场的需求,发动机的排量变了,重新设计了某些部件.
Etios轿车首次在印度亮相,印度汽车市场的主要特点如下：
(1)与国民收入水平相比,轿车相对比较贵.
(2)发动机排量≤1.2L可享受优惠政策.
(3)燃油论文范文昂贵,燃油经济性非常重要.
(4)城市道路拥挤、交通堵塞、车辆起起停停.
(5)Etios轿车满足欧IV标准.
考虑这些因素定位Etios轿车,其发动机开发应满足：
(1)发动机结构简单.
(2)燃油经济性好.
(3)城市交通拥堵,发动机在中、低扭矩范围内操控性能好.
(4)可靠性高.
发动机开发经常会涉及可变气门机构及其它复杂系统.可变气门机构及其它复杂系统最初在顶级车采用,现在丰田公司也开始在其他级别的轿车上采用这些系统.开发Etios轿车的目标是以最简单的结构获取最佳的性能,进一步提高发动机基础特性是开发过程中最大的挑战.发动机结构
2NR-FE和3NR-FE发动机为直列四缸,铝缸体.这2款发动机的缸径是72.5mm,冲程行程不同,所以排量不同.表1为2NR-FE和3NR-FE发动机的主要技术参数.
缸盖
这2款发动机最主要的特点是从外观就可看出它们与其他发动机不同,丰田公司首次在发动机缸盖上把排气歧管与缸盖设计成为一体,而不是独立分开的,并且把不锈钢钢管嵌入到缸盖上,可起到的作用是：
(1)排气歧管到催化转化器的距离和接触面积减小,加速了铂族金属(PGM)的活化时间,用很少的铂族金属就可获得良好的排放处理性能.
(2)冷启动时,冷却剂温度升温较快,提高了发动机预热性能,并且通过降低发动机怠速和摩擦损失提高了燃油经济性.
要想开发基本性能论文范文的发动机,设定压缩比的数值尽量高是非常重要的.为了达到这个目标,Etios轿车搭载的发动机,其燃烧室采用丰田传统的屋脊型燃烧室,产生楔形涡流,每个气缸有4个气门.由于采用了紧凑、抗爆震的燃烧室,即使使用普通级别的汽油(RON：91)压缩比也可设定为10.5.
1NR-FE基础型（原型机）发动机采用滚子式气门摇臂,而2NR-FE和3NR-FE发动机气门机构简单,是直接作用式DOHC（双顶置凸轮轴）.采用这种直接作用机构,与1NR-FE基础型发动机相比,它的缸盖在高度和宽度上更加紧凑.2NR-FE和3NR-FE发动机的气门直径与1-NR-FE基础型发动机相同,但气门的性能提高了.
由于不是独立的排气歧管,排气口的设计是关键.尽管排气口沟槽很短,以及接触面最小,但排气口的截面应尽量大.设计时应考虑量产,缸盖铸件的尺寸有限制,排气口放在沿着缸盖的整个长度的某一个位置上.在中心配流歧管的后部设计一个通道,用以保证油路通畅.采用直接作用气门机构不需要过多的润滑剂,油路可以输送充足的机油.油路还可以作为油面高度测量计,省去了油位指示器.
排气口排出的热量输送到水套后,从上水套和下水套冷却,以防发动机可靠性能降低.下水套有一个凹槽,保证了缸盖下表面的刚性.
T5热处理方法（时效硬化）首次在丰田汽油机缸盖上应用.在设计阶段做了全面的CAE分析,在制造阶段,缸盖浇铸后其强度和硬度都达到了规定的要求,这是一项重大的成果.
2NR-FE和3NR-FE发动机每个部件的形状和尺寸有很大的选择空间.为了进一步提高发动机的性能,缸盖的强度必须能承受发动机燃烧时燃烧压力对它的影响.另外,冷却液出口是塑料件,适用于各种不同的冷却部件,通用性强.
缸体
尽管2NR—FE和3NR-FE发动机气缸中心距与1NR-FE发动机一样,但对2NR-FE和3NR-FE发动机的缸体进行了重新设计,重量减轻了.缸体前部整体轮廓小了,这是因为冷却液进口装在缸体内,缸壁的厚度全部降低,但仍满足缸体强度极限和生产制造要求.省去保证缸体上每个部件刚度的外加强肋,用CAE分析验证其强度和刚度.与基础型发动机相比,缸体的重量降低了1.1kg,而且有足够的强度承受发动机燃烧产生的燃烧压力.同时,缸径变形有了很大的改善.
运动件
曲轴和连杆用刚性材料锻造而成的.为了降低噪声和提高NVH性能,1.5L发动机的曲轴带8个平衡重块.活塞是铝合金材料,在汽油发动机制造中,丰EEl首次采用回转式硬型铸造工艺.在铸造过程中,熔融金属从活塞的上表面被浇铸,此时铸模倾斜.然后铸模逐渐回转到活塞的右上方,熔融金属被浇铸.此铸造工艺最大程度地减少了原材料的浪费,而且铸造质量非常高.
活塞裙部涂上一层树脂,活塞环变薄了,应变力降低了,所以摩擦力变小了.另外,活塞的表面和活塞环要经过特殊处理,以确保活塞的可靠性,即使使用不同品质的燃油,可靠性都不会受影响.
燃油、进气和排气系统
燃油喷射是由进气歧管压力检测系统控制,燃油喷射系统的结构非常简单.进气歧管分成2部分.考虑到使用手动变速器时,液压储能器的储油量相对较少,这样可以提高发动机对加速踏板的反应速度.另外,通过精确地调整加速踏板的开启角度,电子阻风门控制系统可以提高汽车的操纵灵活性.
如文中所描述的排气歧管,由于没有独立的排气歧管部件,排气系统直接与催化转化器连接.欧IV排放标准很明确地规定排气系统可直接、单独与这种催化器连接,发动机更具竞争力,可满足更加严格的排放法规,可达欧V排放标准,所以这2款发动机很具发展潜力.
冷却和润滑系统
风扇、散热器以及水泵的冷却性能的最佳化是通过提高冷却剂热传导效率完成的.用固定燃油喷嘴冷却活塞.这些油嘴是专门设计的,用以保证活塞和活塞环的可靠性,同时用以提高发动机功率,降低爆震.油嘴在发动机转速很低的情况下就可喷出大量的燃油.
由于油嘴喷油使油产生了很高的温度,需要提高活塞冷却性能.在油底壳的底面装一个铸成的底托,扩大了油底壳的面积,这样就降低了燃油温度.
性能
动力
发动机开发的目的是保证发动机在中低扭矩区域内满足印度汽车市场的需求.为了达到这个目标,制定了相应措施.因为没有独立的排气歧管,造成进气口很短的进气系统和排气系统相互影响.
气门:新入手的豪爵铃木锐爽EN125-2F 发动机气门声音好明显
发动机压缩比为10.5,这个数值极具论文范文性,下面的设计要点可保证发动机在中低速区域获得充分的排量.
——最佳化的气门正时；
——气门直径与原型机相同；
——排气口直径最大,压力损失降低；
——气门的开启和关闭速度提高,尽可能提高气门的开启时间.
以上提到这些特点的改进,使2NR-FE和3NR-FE发动机进气容积的充气效率与丰田高端发动机装配可变气门正时的充气容积相等.
把高压缩比与几乎不带气门叠角的气门正时结合起来说明实际的压缩比与压缩比的平均值高.因此采用下面的措施提高抗爆性能.
——通过固定油嘴给活塞加压；
——活塞与缸盖挤压区域之间的间隙要实现最佳化；
——围着火花塞和气门的缸壁厚度使之最薄,把水套放在离燃烧室尽量近的位置；
——使用爆震控制系统.
在油嘴周围需强行进行外部冷却可通过提起点火正时确定,为的是发动机在中低速区域内减少爆震.
燃油经济性
印度比其他国家石油论文范文贵,人们在购买小轿车时,燃油经济性是非常重要的因素.
综上所述,通过采取各种各样的如：设定高压缩比、活塞涂上树脂涂层、降低活塞环的应力、选用低黏度的机油等措施使燃油经济性有了很大的提高.也就是说,不采用高技术含量如可变气门正时或其它的部件,而重点改进发动机最基本性质,使燃油经济性得以提高.
另外,发动机标定也可提高燃油经济性,采用一体化的排气歧管可快速热机,降低了发动机怠速时间,省去了热机点火正时迟后,优化发动机速度范围,优化切断燃油供给时间以及点火正时控制.
1.2L 3NR-FE发动机的燃油经济性是18.31km/L,1.5L 2NR-FE发动机的燃油经济性是17.57km/L.
1.2L 3NR-FE发动机装在两厢Etios轿车上,1.5L 2NR-FE发动机装在三厢Etios轿车上.2款发动机的可选件满足不同的消费群体、不同的消费市场.
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