丰田推出“雷克萨斯GS”:HEV燃效提高4成

2012-04-23 19:11:22来源: 日经汽车技术

    丰田2012年1月发布了首次全面改进的“雷克萨斯GS”。售价为510万日元起,全球月目标销量约为5000辆。其中一半以上计划在北美销售。日本的每月销售计划为600辆。该车有3款车型,技术方面取得长足进步的是混合动力车“GS450h”。虽然燃效提高4成,但保持了与原来同等的输出功率。注重销售的车型是2.5L排量的“GS250”。该车偏重于中国市场。由位于爱知县的田原工厂生产。

  受东日本大地震及泰国洪灾的影响,2011年雷克萨斯品牌所有车型的总销量仅为约40万辆。但丰田常务董事大原一夫称,该公司提出了“2012年达到约50万辆”、销量增加近3成的目标,并充满信心地表示,“新款GS将成为实现这一目标的推动力”。

  指挥GS开发的首席工程师金森善彦特别强调了该车的设计。金森表示,“上一代GS与德国宝马及戴姆勒的竞争车型相比,外观设计上没有突出特点”,而新款GS吸取了这一教训,前格采用了两个梯形重叠在一起的“纺锤格栅”(图1)。由此突出了“外观方面的特点”(金森)。今后还打算将这一设计推广到雷克萨斯品牌的其他车型上,“让人一眼就能看出是雷克萨斯”(金森)。

 
图1:“雷克萨斯GS”的外观
配备3.5L排量发动机的“350”。其特点是采用了前格栅重叠有两个梯形的设计。

    新款GS有发动机排量为3.5L的“GS350”、排量为2.5L的“GS250”以及混合动力车(HEV )“GS450 h ”(表)三款车型。前两款车型于2012年1月上市,HEV于3月上市。所有车型均配备V型6缸汽油发动机。

  其中,从上一代开始新追加的车型是配备2.5L排量发动机“4GRFSE”的GS250。丰田打算将GS250的价位降低到500~550万日元以在发达国家“吸引30~40多岁的年轻顾客”(金森),同时这一价位还是重视全球最大的中国市场而设定的。原因是,在中国购买3.0L排量以上车型时,购置税高达25%,仅靠3.5L车型很难增加销量。

  但因为是将原来按照3.5L排量标准开发的车型改为2.5L,所以输出功率与燃效难以取得平衡。尽管GS250的最高输出功率为158kW,比GS350低3成以上,但燃效为10.8km/L(JC08模式),仅比后者高出1成多。即便如此,“要开拓快速增长的中国市场,也需要开发3L以下车型”(GS营销负责人)。

理论空燃比区域扩大

    技术方面取得巨大进步的是混合动力车GS450h(图2)。在燃效比原车型提高约4成的同时,保持了与原来同等的输出功率。车身并不轻,重量为1820kg,但在JC08模式下燃效可达到18.2km/L。在德国宝马的“5系”及戴姆勒的“E系”等“同级别HEV中绝对领先”(金森)。


图2 发动机与混合动力系统
大的构成部件与上一代车型相同,但改进了多处细节。

    为提高燃效作出巨大贡献的是,改进了发动机和混合动力系统。在提高的4成燃效中,二者分别作出了1/3的贡献。

  发动机为“2GR-FXE”,与原来的HEV同为3.5L排量直喷式。为了提高燃效,新采用了通过可变阀门正时机构“VVT”推迟吸气阀关闭时间的阿特金森循环(图3)。而且,还在提高压缩比的基础上,扩大了理论空燃比燃烧区域。发动机的最高热效率比原来提高了2%,达到约38%(图4)。可在2000rpm左右转速下扭矩为二百数十N·m时达到最高值。


图3 发动机阀门运动图
关闭吸气阀的时间与普锐斯基本相同,都非常晚。
 
图4 通过阿特金森循环扩大了燃烧效率较高的区域
在发动机的工作曲线上,几乎所有区域都在240g/kWh以下。

    压缩比由原来的11.8提高到了13.0。为了抑制爆震,扩大了汽缸盖与活塞之间的挤流区域,从而使其更易形成空气漩涡(图5)。燃料与空气更易混合。而且,为了在提高压缩比的情况下也能稳定点火,将火花塞的间隙由原来的1.1mm改成了0.8mm,使其更容易放电。


图5 活塞形状
随着喷射形状的改变,新款车通过使其略微膨胀扩大了挤流区域,从而更易形成漩涡。

    理论空燃比燃烧区域原为发动机转速为2300rpm以下的区域,新型发动机则大幅扩大到了约3600rpm(图6)。但在高速区按理论空燃比燃烧的话,会导致尾气温度升高,从而超过三元催化剂的耐热温度。此次,通过将催化剂的耐热温度由925℃提高至945℃扩大理论空燃比燃烧区域。


图6 扩大了理论空燃比(λ=1)区域
连发动机转速超过3500rpm的区域都能以理论空燃比运转。

将直喷喷雾形状改为很薄的扇形

    另一方面,通过阿特金森循环等措施来追求燃效的话,会导致输出功率降低。但丰田认为,“GS这样的高档车不应降低功率性能”(发动机开发负责人)。于是,该公司改进了从上一代开始采用的、并用直喷及进气口喷射的“D-4S”技术,并通过更改吸气口形状,使得空气和燃料更易混合。最高输出功率为217kW,基本与上一代的218kW相同。

  D-4S将直喷用喷嘴喷射口的狭缝由两个减至一个,并进一步将狭缝宽度缩小到了200μm左右(图7)。通过将燃料喷射形状由原来的两股形改为扇形,使燃料能够大面积且较薄地喷射到汽缸内。由此可使燃料与空气更易混合。为了在狭缝宽度变窄的情况下使燃料喷射量相同,将电装生产的直喷用喷嘴的喷射压力由13MPa提高到了20MPa。虽然丰田未透露吸气口的变更详情,但在空气阻力与原来几乎同等的情况下,将滚流(Tumble)比提高到了原来的近两倍。由此加快了燃烧速度。


图7 以扇形喷射
直喷喷嘴的喷雾形状。呈很薄的扇形。以前喷射口有两个狭缝,新款车将其改为一个,而且缝隙更小。

    除此之外,发动机的另一大改进点是提高了静音性。具体而言,采用D-4S技术改变了分开使用直喷与进气口喷射的控制。在怠速等低转速区,只使用进气口喷射(图8)。其原因是,直喷用喷嘴的喷射压力比进气口喷射用喷嘴高近10倍,喷射燃料时的声音容易变大。“我们发现,在输出功率和扭矩较小的区域,采用进气口喷射和直喷,燃效几乎没有差别”(发动机负责人),由此实现了高静音性。


图8 怠速时采用进气口喷射
可提高静音性。该图为代表例,根据驾驶情况切换的范围改变。

    而且,还提高了进气口喷射用喷嘴的安装刚性。原来安装在汽缸盖罩上,改进后安装在了较厚的凸轮轴壳体上。

将转换器与逆变器合为一体

    混合动力系统仍采用两个马达、行星齿轮机构及两级变速减速机构相结合的结构,并没有多大变化(图9)。“通过多处细节改进提高了燃效”(混合动力系统负责人)。


图9 混合动力系统的构成
通过改变减速机构的摩擦材料等减小了拖拽阻力。

    以同时使用机械式制动器与马达再生制动器的再生协调制动器为例,降低了使用机械式制动器的比例,“只在停车前使用”(上述负责人)。由此可增加再生电量。

  而且,还可根据情况改变施加给马达的电压。混合动力系统中装有丰田与松下的合资公司Primearth EV Energy生产的镍氢(Ni-MH)充电电池,电压为288V。利用电装生产的功率控制单元(PCU)将该电压最大升至650V之后再施加给马达。

  虽然最大电压为650V,与原来相同,但此次减少了以最大电压驱动马达的情况,增加了以400~600V左右电压驱动的情况。原因是升压比很大时,逆变器的损失也会增加。在不需要较高输出功率的情况下,“可主动降低电压”(前面提到的负责人)。

  此次还将这种电压控制运用到了实现多种行驶模式上。GS有“ECO”、“NORMAL”、“SPORT S”及“SPORTS+”四种行驶模式可供选择,选择其中的SPORTS+时,施加给马达的电压在绝大多数情况下都是650V。而且,还可通过提高马达转速来提高发动机转速。

  此次还大幅提高了HEV的易用性。扩大了行李舱容量,达到了约为原车型1.5倍的465L。

  以前,安装在后座靠背后方的镍氢充电电池组延伸到了行李舱一侧,导致行李舱变小,连乘员数量的高尔夫球袋都放不下。此次,通过将电池模块层叠为两层,沿前后方向缩短了电池组(图10)。还缩小了发动机舱内安装的逆变器,使其与后方的DC-DC转换器合为一体(图11)。原来光逆变器部分的体积就有约10L,新款车将其与转换器合为一体,体积基本与原来相同。


图10 通过将电池组分两层配置扩大了行李舱
电池组构成图。分上下两层配置吸气系统。
 
图11 动力控制单元的构成
与DC-DC转换器合为一体,体积为10L左右,与原来基本相同。(a)外观。(b)构成图

    逆变器的小型化是通过采用从两面冷却功率半导体元件的构造而实现的。散热性能提高,可使占逆变器大部分体积的冷却器缩小。

关键字:丰田  推出

编辑:鲁迪 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/qcdz/2012/0423/article_5364.html
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