关于丰田新型1.2L ESTEC涡轮增压直喷汽油机性能分析

丰田汽车公司正在开发一系列符合经济型高热效率燃烧（ＥＳＴＥＣ）开发理念的发动机。继2.0Ｌ缸内直喷涡轮增压发动机８AＲ－ＦＴＳ投放市场后，介绍８ＮＲ－ＦＴＳ发动机的开发。８ＮＲ－ＦＴＳ发动机为１．２Ｌ直列４缸火花点燃式的小型化涡轮增压缸内直喷汽油机。基于８ＡＲ－ＦＴＳ发动机相同的基本理念，８ＮＲ－ＦＴＳ发动机集成了各种节能技术，诸如集成排气歧管的气缸盖、通过带有中间锁止装置的智能广角可变气门正时系统（ＶＶＴ－ｉＷ）实现的阿特金森循环，以及为实现快速燃烧采取的缸内强化涡流。该发动机采用缸内直喷的直喷涡轮增压（Ｄ－４Ｔ）系统，替代了兼备进气道喷射和缸内直喷的涡轮增压高版本汽油机（Ｄ－４ＳＴ）系统。结合单涡道涡轮增压器和ＶＶＴ系统的控制，实现了发动机低速工况下的高扭矩特性。该发动机还采用了起停控制策略，通过在第一个压缩的气缸内分层喷射，实现了快速无冲击重新起动。发动机可以匹配６档手动变速器（６ＭＴ）或无级变速器（ＣＶＴ）。尤其在ＣＶＴ模式下，通过换档控制，减小了涡轮增压器的滞后期；通过“常规”和“运动”两种驾驶模式的转换，能够实现具有驾驶乐趣的动力性能和出色的燃油经济性。

继２．０Ｌ直喷涡轮增压８ＡＲ－ＦＴＳ发动机投放市场后，丰田汽车公司开发了新型１．２Ｌ直列４缸小型化缸内直喷涡轮增压汽油机８ＮＲ－ＦＴＳ。该发动机于２０１５年３月在日本上市，２０１５年５月在欧洲上市，替代现有的１．６～１．８Ｌ自然吸气式发动机。表１示出新型８ＮＲ－ＦＴＳ发动机与８ＡＲ－ＦＴＳ发动机的主要区别。新型８ＮＲ－ＦＴＳ发动机配置了ＩＨＩ涡轮增压器公司制造的单涡道涡轮增压器，是自２００３年开发３ＧＲ／４ＧＲ－ＦＳＥ发动机以来，丰田公司首次开发的无进气道喷射的新型缸内直喷发动机。发动机匹配６ 档手动变速器（６ＭＴ）或无级变速器（ＣＶＴ）。

１ 发动机规格和燃烧理念

表２为８ＮＲ－ＦＴＳ发动机主要规格参数，属于丰田ＥＳＴＥＣ发动机系列（ＥＳＴＥＣ为丰田下一代发动机技术的代名词，指“高效燃烧的低燃油耗”技术）。发动机压缩比为１０，使用研究法辛烷值（ＲＯＮ）为９５或以上的燃油，满足欧６和Ｊ－ＳＵＬＥＶ排放法规。

这些发动机实现快速燃烧的基本途径是提高进气流量和增强缸内涡流。８ＮＲ－ＦＴＳ发动机是丰田公司最小排量的缸内直喷发动机，缸径相对小。因此，为了使燃油喷雾在接触气缸壁前与空气混合，需要更强烈扰动的进气流。为提高进气道形状设计的灵活性和安装便利，该发动机采用了无进气道喷射的缸内直喷技术。如图１所示。采用这种配置可对气道形状进行优化，提高进气流量，增强缸内滚流。此外，在为使催化器快速起燃而推迟点火正时的条件下，为实现稳定燃烧，将传统的浅盘型活塞改为碟盘曲线形活塞，而且不会减弱缸内滚流（图２）。这些措施防止了滚流衰减并加强了缸内压缩行程后期的涡流（图３）。

该发动机采用了与丰田公司其他缸内直喷发动机相同的扇形喷雾。不同的是斜巢喷孔和油膜厚度更窄（图４），这项喷雾改进增加了燃油和空气之间的剪切力，促进了燃油的雾化。与传统扇形喷雾相比，喷雾长度下降了２３％，从而降低了气缸壁上的燃油附壁量。此外，为减少燃油对进气门的冲击，以及减少燃油通过气门头部背后散射到气缸壁上的燃油，优化了气门倾角和喷油角度（图５）。

此外，将单个循环内的燃油喷射分为多次喷射，减小了喷雾油束的长度。图６示出不同发动机和不同喷油器的机油稀释率。燃油喷雾和配气机构的优化减少了燃油附壁量，改善了机油稀释问题，同时也改善了混合气的空燃比。

２ 涡轮增压器和排气系统

将排气歧管集成于气缸盖实现了紧凑的排气系统。为改善冷起动工况下的催化性能，将催化器置于涡轮增压器出口附近。

在涡轮侧，为确保发动机在极低转速下具有大扭矩特性和高瞬态响应性，采用了在较宽涡轮转速范围内高效率低惯性的单涡道涡轮增压器。此外，采用了能够灵活控制废气旁通阀（ＷＧＶ）开度的主动控制式废气旁通系统。发动机起动时，ＷＧＶ打开向催化器提供高温燃气，减少催化剂起燃时间。为减小排气损失，在发动机低负荷运行区域也打开ＷＧＶ。通过降低泵气损失和改善燃烧特性（减小缸内残余废气量），提高了燃油经济性。

2.1 空燃比传感器安装位置和流道形状

为了能够在ＷＧＶ 任意开度、任意旁通比和流量条件下精确检测空燃比，对空燃比传感器周围的流道形状专门进行了设计。尤其是在ＷＧＶ 打开时，该设计仅将来自ＷＧＶ 的废气导向空燃比传感器。使未受涡轮搅动的气体与传感器接触，实现各缸空燃比的精确检测。为防止水造成传感器的损坏，对传感器和流道表面的位置也进行了确定（图７和图８）。

3 全负荷性能

小型化涡轮增压发动机的优势之一是能够获得较大的低速扭矩，这有助于改善车辆的燃油经济性，因为在与传统发动机相同功率条件下变速箱可以置于较高档位，使发动机运行在较低转速工况下。此外，采用手动变速箱，在发动机和车辆的低速工况时可以获得充足的扭矩。可以通过减少换档频率，而且避免了发动机转速不必要的增长。因此，驾驶员可以获得理想的动力性能和较好的燃油经济性，关键在于确保充足的低速扭矩，各家公司采用了各种方法降低最大扭矩对应的发动机转速。

通常，为了提高增压压力，需要增加进入涡轮的排气能量（即增加排气流量和排气温度）。但是，发动机在低速时较少的气量很难满足高增压压力的需求。可行的应对措施是改变气门正时，将进气门关闭正时设置到接近下止点（ＢＤＣ），防止进气倒流，确保足够的进气流量。然而，这会导致在上止点（ＴＤＣ）附近有较大的进排气重叠角。以直列４缸发动机为例，相邻气缸的排气倒流增加了这个气缸中的残余废气。最后，进入气缸内的空气量不会增加。此外，高温残余废气增加，压缩行程缸内温度升高导致敲缸现象（图９～１０）。图９中，ηｖｂ定义为修正到环境温度和压力条件下的容积效率。该值对应于节流阀全开无增压的容积效率。

为避免此种现象，丰田汽车公司在８ＡＲ－ＦＴＳ发动机上采用了双涡道涡轮增压器，降低了进排气门重叠期间相邻气缸的排气倒流。然而，因封装和生产限制，当前的８ＮＲ－ＦＴＳ发动机采用单涡道涡轮增压器。通过减小排气凸轮作用持续角，从而减小进排气重叠角度和倒流脉冲（图１１）。图１２为改变排气持续角前后，基于模拟和发动机实际运行的容积效率ηｖ 和ηｖｂ的验证结果。结果显示，排气持续角减小时，残余废气量减少，进气量增加。

发动机燃油对机油的稀释可能导致低速早燃（ＬＳＰＩ）。为减小燃油稀释量，在各个进气和压缩行程进行３次喷油（图１３）。对喷油正时进行了调整，避免了燃油与进气门和气缸内壁接触和附壁。这项措施有效地消除了早燃，将其发生的频率降低到对活塞和活塞环无损坏的程度。

相比之下，在发动机高速下提高增压压力具有折中效果。较大背压和大量的残余废气导致敲缸现象，从而使点火正时延迟，排气温度较高。因此，基于涡轮进口燃气的温度限制，需减少燃油喷射量来降低排气温度。与传统催化器相比，将催化剂载体的孔间壁厚减小１／３，以降低背压。此外，催化剂载体的强度提升，形成了六边形催化器。这些措施确保了排放物的转化性能。

采取的其他措施包括集成排气歧管的缸盖（图１４）、排气冷却、降低背压、减少残余废气，以及扩展过量空气系数（λ）＝１燃烧区域等。集成排气歧管的气缸结构紧凑，确保了每个气道的均匀冷却，并消除了倒流的影响。冷却主要集中在弧形的排气歧管，提高了排气冷却效率。同样设计了较长的单独排气道，最大程度地提高涡轮增压器效率。集成排气歧管的冷却设计得以优化，降低了发动机在高负荷工况的废气高温。另一方面，发动机低速时排气温度相对较低，排气和冷却液之间的温差变小，冷却液流量减少。

图１５为全负荷特性。在转速为１５００ｒ／ｍｉｎ时就达到了低速最大扭矩１８５Ｎ·ｍ，发动机最大功率８５ｋＷ 时，λ＝０．８９。

４ 燃油消耗

4.1 发动机测功机上的燃油消耗

燃油经济性差的主要原因之一是发动机在低负荷工况的泵气损失。为降低８ＡＲ－ＦＴＳ发动机的泵气损失，丰田汽车公司采用了带有中间锁止装置的ＶＶＴ－ｉＷ 系统，推迟进气门关闭正时的阿特金森循环。

为提高发动机低负荷区域的燃油经济性，８ＮＲＦＴＳ发动机也采用了ＶＶＴ－ｉＷ 系统。然而，受负重叠期的影响，仅进气侧的配气相位移动，泵气损失降幅不明显。在负重叠期，泵气损失或压缩损失反而增高。可行对策也是推迟排气门正时，加大重叠角。然而，为实现发动机低速大扭矩特性，发动机排气持续角小，如果重叠角加大，排气门开启正时推迟远离下止点，这增加了泵气损失，恶化了燃油经济性。

图１７示出了不同气门正时和重叠角的燃油消耗变化。

图１７的等高线示出燃油经济性的恶化过程（以百分比表示），最佳燃油经济性对应的排气持续角为２４０°ＣＡ。排气门开启角（ＥＶＯ）置于３０～３５°ＣＡＢＢＤＣ时，进排气重叠角的作用以及膨胀比增大，使得燃油消耗得以改善（Ａ线）。在Ａ线和Ｂ线之间，仅进排气重叠角提高了燃油经济性。然而，为延长重叠期，将ＥＶＯ置于ＢＤＣ后（Ｂ线）时，压缩行程泵气损失增大，燃油经济性恶化。因此，阿特金森循环对改善燃油经济性效果并未完全实现。

在中等负荷下，背压随增压压力的增大而增加。换言之，增压压力提高会导致较高的泵气损失。因此，为提高该运行区域的燃油经济性，需将增压压力降低到最小，充足气量的需求也要优化。通过调节进气正时及尽可能靠近ＢＤＣ关闭进气门得以实现。基于以上原因及全负荷工况的持续性，发动机仅限于在极低负荷下应用阿特金森循环（图１８）。随着负荷增加，进气门关闭正时从晚关调整为早关，因此在整个工况范围内达到了良好燃油经济平衡性。由于ＶＶＴ的设定值随着容积效率波动必须有大的调整变化，采用ＶＶＴ－ｉＷ系统可提高相位移动的速度。

通过燃烧方法也可提高燃油经济性。在低、中和高负荷各区域，优化每一循环的喷油次数和喷油正时。为预防阿特金森循环低温压缩气体条件下燃烧恶化，提高发动机低速或高负荷下的燃烧速度，将燃油调整到在压缩行程进行喷射，在火花塞附近形成弱分层混合气。在中等负荷下，由于下止点时的进气流速减小，燃油靠近下止点处进行喷射，以提高缸内涡流并加速燃烧速度（图１９）。喷油正时的调节在热机和冷机运行期间进行。尤其是在冷态工况下，通过增大弱分层混合气区域改善燃烧（图２０）。

机械摩擦损失也大幅降低。采用偏置曲轴降低了活塞的摩擦损失，提高了有效热效率。在进排气门周围采用了较细的摇臂、较小的气门弹簧座、蜂窝形气门弹簧和中空充钠排气门，减小了惯性质量和气门弹簧的负荷。其他的减摩措施包括采用防滑正时链条、低摩擦材料的链条导轮、活塞裙部精细表面重整技术和低摩擦曲轴油封，优化发动机各部分的润滑油分配、采用高效率的泵齿形线。采用新研发的高强度连杆材料，可以减小往复惯性质量，从而可以采用轻量化曲轴。

图２１示出发动机整个工况范围内的燃油消耗率和λ。最小燃油消耗率为２３６ｇ／（ｋＷ·ｈ）（有效热效率：３６．２％）。集成排气歧管的缸盖的部分作用是使λ＝１的燃烧区域扩展到１９０ｋｍ／ｈ（最大速度１９５ｋｍ／ｈ），几乎整个发动机运行区域的燃烧都处于化学计量比的燃烧。

4.2 起停控制策略

在车辆停止时为使发动机停车后重起，开发了基于第一压缩气缸的分层喷射和燃烧的重起控制策略。该控制策略已经用于８ＡＲ－ＦＴＳ发动机。与传统的气道喷射发动机重起控制相比，该系统旨在更快重起发动机，并通过限制发动机转速冲击实现平稳重起。

与传统气道喷射控制方式相同，为增加缸内进气量，发动机停机前立即打开节气门。利用缸内压缩气体压力的回弹作用将活塞控制在ＢＴＤＣ９０°ＣＡ附近停止。重起时，起动机驱动曲轴转动，在压缩行程上止点前进行喷射。火花塞周围形成易燃混合气，点火时刻推迟。如图２２所示，采用这种喷射控制，发动机重起时间比传统气道喷射方式快大约２００ｍｓ。

大幅推迟点火时刻同样可以控制扭矩的升高率，从而限制发动机转速冲击。因此，需要较低的制动保持压力，实现无冲击平顺重起。

4.3 热管理

为提高暖机过程的燃油经济性，通过ＣＡＥ优化了发动机、ＣＶＴ和车内加热器（空调）的冷却液流量。在暖机期间，为确保车内的舒适性，并通过降低发动机摩擦损失提高燃油经济性，热量分布优先考虑发动机和空调。此外，发动机机体内部的结构可以使机油和冷却液之间进行热交换。暖机期间，热量从冷却液传递到机油，会提高每个摩擦副的温度。相反，在高温和高负荷工况下，热量从机油传递到冷却液，具有冷却机油的效果，免除了安装机油冷却器的需求。

新开发的８ＮＲ－ＦＴＳ发动机也采用了一些８ＡＲＦＴＳ发动机所采用的技术。在冷机条件下，温控系统通过减小机体冷却液流量促进机体温度上升，并通过系统暂停活塞冷却喷嘴工作，中断活塞冷却机油供给，根据驾驶工况调整机油流量，防止对活塞和活塞环的过度冷却，减小活塞及活塞环与缸套的滑动摩擦。集成排气歧管的气缸盖也回收排气热量，加快冷却液温度的上升，提高气缸及其他部件的温度。这些技术措施有助于改善燃油经济性（图２３）。

与先前的自然吸气１．８Ｌ发动机相比，基于发动机的燃油经济性改善、改进的起停控制、热管理系统，通过提高低速扭矩实现的发动机转速下降，以及交流电机和电池优化的充电／放电控制，在新欧洲行驶循环（ＮＥＤＣ）工况下的车辆燃油经济性提高约２５％。

5 冷起动燃烧特性的改善

该发动机不使用气道喷射，在极其寒冷的温度下，燃油雾化和油气混合气便成为一大问题。通过使用类似于改善发动机燃油经济性的多次喷射策略，解决了这个问题。图２４为极寒温度下发动机起动时多次喷射的示意图。进气行程每一喷射使燃烧室内形成稀混合气，压缩行程进行喷射在火花塞周围形成可燃混合气。进气行程分次喷射限制了喷雾长度，减小了气缸壁上的燃油附壁量。因此，与传统气道喷射发动机相比，该发动机在极低温条件下的起动时间更短。

6 车辆动态特性

6.1 低速响应

为改善车辆的动态特性，在提高发动机全负荷特性的同时，减小涡轮增压器迟滞期也是重要的。

８ＮＲ－ＦＴＳ的开发目标是实现快速的瞬态响应特性，最小化包括中冷器在内的进气系统的体积，并降低进气压力损失。稳压腔的容积减小到１．１Ｌ，单位排量稳压腔容积是丰田汽车中最小的。中冷系统为水冷设计，最小化了涡轮增压后的进气系统容积。中冷器采用了独立于发动机冷却系统的低温冷却回路，而且采用１个电动水泵。冷却回路控制冷却液流量，根据发动机运行工况保持最佳冷却效果，最小化了水泵的功耗。中冷器采用独立于发动机冷却系统的低温冷却回路。为提高冷却效率，改进了中冷器的内部结构，在水路侧增加了翅片，并优化了增压气体侧的翅片和通道形状（图２５）。

通过这些控制同样可以提高动态性能。除ＷＧＶ控制外，还进行了扫气控制，暂时将气门重叠角增大超过常规设置，以提高增压压力，使其大于背压。进入涡轮的气体增加，保证了增压压力。如图２６所示，扫气控制缩短了涡轮迟滞期。

6.2 发动机与ＣＶＴ匹配开发

该涡轮增压发动机的主要特征之一是能够与ＣＶＴ进行匹配。首先，研究了最佳ＣＶＴ换档控制及其与涡轮增压发动机的匹配开发。图２７示出节气门全开（ＷＯＴ）时从３０ｋｍ／ｈ开始加速的条件下，２种换档控制的车辆纵向加速度曲线（Ｇ）。曲线Ａ为发动机转速快速提高的加速度数据。曲线Ｂ为控制发动机转速提高的加速度数据。曲线Ｃ为同样条件下加装手动变速器的车辆加速度数据。曲线Ａ中，加速度初始保持稳定，然后减小，之后突然增大。曲线Ｂ中，加速度实现了与手动变速器车辆相同的线性提升。

图２８示出在图２７中的数据条件下，每循环的容积效率随发动机转速的变化。曲线Ａ，进气流量突然增加前，转速达到约４０００ｒ／ｍｉｎ，容积效率实际并无提升。这是因为如果发动机转速与自然吸气发动机以同样的方式快速提高，增压提升率与进气量升高率相抵。因此，每燃烧循环的容积效率并不增加。此外，随换档惯性损失增加，开始出现降速。相比之下，曲线Ｂ示出增压压力线性响应提升，通过ＣＶＴ极其灵活的换档控制性能控制发动机转速提升量和提升率。此外，控制发动机转速提高率也最小化了换档惯性损失，实现了加速度的线性增加，有助于降低ＣＶＴ所谓的加速滞后感。因此，该涡轮增压发动机与ＣＶＴ的匹配使ＣＶＴ换档控制优化了增压压力响应和驱动力响应。

图２９示出采用ＣＶＴ和手动变速器从４０ｋｍ／ｈ开始的加速度曲线。尽管换档期间惯性损失量使采用ＣＶＴ时的加速提升稍有延迟，但车辆的加速感觉与驾驶员的意图相一致，这也是ＣＶＴ的主要特点之一。在逐步加速工况下，随驾驶员的操作（油门下压量和速度）优化换档控制（即换档量和速度），ＣＶＴ实现了与手动变速器相同的线性加速度，在快速加速下达到了加速度的线性和最大值响应。平稳加速，驾驶员不会感到涡轮增压器迟滞。

图３０示出装配双离合器变速器（ＤＣＴ）或ＣＶＴ车辆从停止开始加速的车辆纵向加速度Ｇ 曲线。ＤＣＴ总传动比小１０％。离合器啮合导致ＤＣＴ起动响应延迟，而ＣＶＴ因变矩器具有扭矩的放大功能，拥有更好的初始起动性能。此外，尽管变矩器损失使中间区域的加速度稍低于ＤＣＴ，但其扭矩放大作用使ＣＶＴ几乎与总传动比较小的ＤＣＴ具有同样的峰值加速度。鉴于综合加速特性，采用ＣＶＴ能实现平稳的线性感受。

除常规运行模式外，ＣＶＴ还配有运动模式。如上所述，常规模式下，ＣＶＴ凭借其高的低速扭矩实现线性加速。运动模式下，通过换档控制改变发动机扭矩改善加速响应，实现非常快速的加速响应（图３１），如此快速的加速响应也通过提高增压压力实现。这是通过提高锁止期间的发动机转速、增加给定油门位置的发动机扭矩需求实现。此外，为改善增压压力响应而提高发动机转速，换档控制较常规模式执行更快，进一步增强了加速响应。通过这些措施，运动模式实现了更为直接的加速感受，使车辆驾驶更具乐趣。

7 结语

本文描述了丰田新型１．２Ｌ小型化涡轮增压ＥＳＴＥＣＤ－４Ｔ（８ＮＲ－ＦＴＳ）发动机的硬件和软件特性。该发动机的主要特征总结如下：

（１）通过增强进气流动和缸内涡流，采用每循环多次喷油策略，在无气道喷射的情况下发动机实现了快速燃烧。

（２）采用单涡道涡轮增压器、较小的排气持续角和扫气控制，发动机从１５００ｒ／ｍｉｎ开始就达到了最大扭矩。

（３）通过冷却集成排气歧管气缸盖内的废气，λ＝１区域得以扩展。

（４）通过在压缩行程缸内直喷使发动机立即平顺重起的起停控制、改善发动机燃烧特性，以及采用高速比的换档控制等，实现了顶级车辆的燃油经济性。

（５）总之，该涡轮增压发动机与最佳ＣＶＴ换档控制相结合，最小化了加速滞后感，实现了新的令人兴奋的动态性能和出色的燃油经济性。