豐田汽車公司新型GD系列車用柴油機

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豐田汽車公司新型GD系列車用柴油機

近期，豐田汽車公司推出了1款具有更大扭矩、更高工作效率及更低排放的新型渦輪增壓轎車柴油機(圖1)。該新型GD系列轎車柴油機采用了豐田汽車公司新一代絕熱柴油燃燒技術，以顯著減少冷卻損失。

熱擺動壁面隔熱(TSWIN)技術的使用有助于2.8L 1GD-FTV發動機成為具有44%最大熱效率(室內測量)的發動機之一。盡管與當前的KD系列發動機相比排量較小，但最大扭矩提高了25%，低速扭矩提高了11%，同時，燃油效率提升15%。

豐田汽車公司將逐步淘汰目前在全球部署的KD系列柴油機，并全面采用GD系列發動機。預計到2016年，該系列發動機年產量將達到70萬臺左右，并推介到全球90個市場。到2020年，按計劃擴展到至少150個全球市場。

新開發的1GD-FTV轎車柴油機目前可用于2015年5月在泰國推出的新款Hilux小型皮卡，并用于6月17日在日本推出的部分重新設計的Land Cruiser Prado車型。相同的發動機系列包括2GD-FTV 2.4L直噴渦輪增壓柴油機。

表1 GD系列發動機主要規格

先進的絕熱柴油燃燒

豐田汽車公司新的柴油燃燒系統采用多種設計與工藝，進口形狀更有助于增加進氣流量，與上一代KD系列柴油機相比，新型GD系列柴油機進氣口截面增加約11%(圖2)。

在燃油噴射方面，預噴射在噴射之前將與環境空氣狀態進行精確匹配，縮短了點火延遲，甚至在世界上最惡劣的環境下也能實現穩定燃燒，同時確保發動機能夠安靜運行和保持高的熱效率。

新開發的活塞燃燒室形狀和共軌燃油噴射系統實現了發動機更高的燃燒壓力和更先進的燃油噴射壓力控制，以優化燃油噴射，將空氣使用效率最大化，實現更高的熱效率和更低的排放。

豐田汽車公司在全球首次使用TSWIN技術，在活塞上采用SiO2增強型陽極滲透電鍍鋁(SiRPA)材料,燃燒過程中的冷卻損失降低了大約30%。SiRPA是1種高絕熱和散熱材料，其易于加熱也易于冷卻。

燃燒室通常使用的金屬(鐵或鋁)的表面在整個發動機循環過程中具有幾乎恒定的表面溫度，其結果是在燃燒期間，工作氣體和壁表面之間的溫度相差較大，這是產生燃燒室熱損失的主要原因。

傳統的絕熱型發動機(包括具有陶瓷熱障涂層的發動機)在整個循環中的內壁面幾乎總是高溫，這導致容積效率降低，工作氣體溫度較高，并誘發發動機爆燃的發生。

“溫度擺動”涂層是1種低熱導率和低熱容量材料，可以使燃燒室內壁表面溫度變化加大。具有該涂層的內壁表面溫度變化跟隨瞬態氣體溫度變化，因其沒有加熱進氣，從而減少了熱損失。

豐田汽車公司技術人員表示，在渦輪增壓發動機中采用“溫度擺動”涂層的效果要比在自然吸氣柴油機的大，其主要原因為：(1) 由于在柴油機中基于較大的氣缸壓力和較大的氣體流速，傳熱系數較大，內壁溫度波動較大；(2) 在工作氣體和燃燒室壁表面之間氣體溫度峰值較低，導致溫差較小；(3) 隨著渦輪增壓器絕熱被回收，排氣能量增加。

渦輪增壓器

新型GD發動機的緊湊型高效率可變幾何渦輪增壓器(由豐田內部生產)比目前市場上的等效產品體積小30%，并配有新開發的渦輪機以提高工作效率，新開發的葉輪可提供瞬時加速度響應，并有助于在整個寬廣轉速范圍內獲得最大扭矩。通過降低尺寸和提高效率，新開發的渦輪增壓器為GD系列發動機在升壓壓力增加速率上提供了約50%的更快響應。

尿素選擇性催化還原(SCR)系統

具有豐田專利的緊湊型高分散性尿素選擇性催化還原(SCR)系統可以去除高達99%的氮氧化物(NOx)排放，這將有助于車輛符合歐6及日本國土交通省設置的2010排放標準。