豐田汽車公司正在開發(fā)一系列符合經(jīng)濟(jì)型高熱效率燃燒（ＥＳＴＥＣ）開發(fā)理念的發(fā)動機(jī)。繼2.0Ｌ缸內(nèi)直噴渦輪增壓發(fā)動機(jī)８AＲ－ＦＴＳ投放市場后，介紹８ＮＲ－ＦＴＳ發(fā)動機(jī)的開發(fā)。８ＮＲ－ＦＴＳ發(fā)動機(jī)為１．２Ｌ直列４缸火花點(diǎn)燃式的小型化渦輪增壓缸內(nèi)直噴汽油機(jī)?；冢福粒遥疲裕影l(fā)動機(jī)相同的基本理念，８ＮＲ－ＦＴＳ發(fā)動機(jī)集成了各種節(jié)能技術(shù)，諸如集成排氣歧管的氣缸蓋、通過帶有中間鎖止裝置的智能廣角可變氣門正時(shí)系統(tǒng)（ＶＶＴ－ｉＷ）實(shí)現(xiàn)的阿特金森循環(huán)，以及為實(shí)現(xiàn)快速燃燒采取的缸內(nèi)強(qiáng)化渦流。該發(fā)動機(jī)采用缸內(nèi)直噴的直噴渦輪增壓（Ｄ－４Ｔ）系統(tǒng)，替代了兼?zhèn)溥M(jìn)氣道噴射和缸內(nèi)直噴的渦輪增壓高版本汽油機(jī)（Ｄ－４ＳＴ）系統(tǒng)。結(jié)合單渦道渦輪增壓器和ＶＶＴ系統(tǒng)的控制，實(shí)現(xiàn)了發(fā)動機(jī)低速工況下的高扭矩特性。該發(fā)動機(jī)還采用了起停控制策略，通過在第一個(gè)壓縮的氣缸內(nèi)分層噴射，實(shí)現(xiàn)了快速無沖擊重新起動。發(fā)動機(jī)可以匹配６檔手動變速器（６ＭＴ）或無級變速器（ＣＶＴ）。尤其在ＣＶＴ模式下，通過換檔控制，減小了渦輪增壓器的滯后期；通過“常規(guī)”和“運(yùn)動”兩種駕駛模式的轉(zhuǎn)換，能夠?qū)崿F(xiàn)具有駕駛樂趣的動力性能和出色的燃油經(jīng)濟(jì)性。

繼２．０Ｌ直噴渦輪增壓８ＡＲ－ＦＴＳ發(fā)動機(jī)投放市場后，豐田汽車公司開發(fā)了新型１．２Ｌ直列４缸小型化缸內(nèi)直噴渦輪增壓汽油機(jī)８ＮＲ－ＦＴＳ。該發(fā)動機(jī)于２０１５年３月在日本上市，２０１５年５月在歐洲上市，替代現(xiàn)有的１．６～１．８Ｌ自然吸氣式發(fā)動機(jī)。表１示出新型８ＮＲ－ＦＴＳ發(fā)動機(jī)與８ＡＲ－ＦＴＳ發(fā)動機(jī)的主要區(qū)別。新型８ＮＲ－ＦＴＳ發(fā)動機(jī)配置了ＩＨＩ渦輪增壓器公司制造的單渦道渦輪增壓器，是自２００３年開發(fā)３ＧＲ／４ＧＲ－ＦＳＥ發(fā)動機(jī)以來，豐田公司首次開發(fā)的無進(jìn)氣道噴射的新型缸內(nèi)直噴發(fā)動機(jī)。發(fā)動機(jī)匹配６ 檔手動變速器（６ＭＴ）或無級變速器（ＣＶＴ）。

１ 發(fā)動機(jī)規(guī)格和燃燒理念

表２為８ＮＲ－ＦＴＳ發(fā)動機(jī)主要規(guī)格參數(shù)，屬于豐田ＥＳＴＥＣ發(fā)動機(jī)系列（ＥＳＴＥＣ為豐田下一代發(fā)動機(jī)技術(shù)的代名詞，指“高效燃燒的低燃油耗”技術(shù)）。發(fā)動機(jī)壓縮比為１０，使用研究法辛烷值（ＲＯＮ）為９５或以上的燃油，滿足歐６和Ｊ－ＳＵＬＥＶ排放法規(guī)。

這些發(fā)動機(jī)實(shí)現(xiàn)快速燃燒的基本途徑是提高進(jìn)氣流量和增強(qiáng)缸內(nèi)渦流。８ＮＲ－ＦＴＳ發(fā)動機(jī)是豐田公司最小排量的缸內(nèi)直噴發(fā)動機(jī)，缸徑相對小。因此，為了使燃油噴霧在接觸氣缸壁前與空氣混合，需要更強(qiáng)烈擾動的進(jìn)氣流。為提高進(jìn)氣道形狀設(shè)計(jì)的靈活性和安裝便利，該發(fā)動機(jī)采用了無進(jìn)氣道噴射的缸內(nèi)直噴技術(shù)。如圖１所示。采用這種配置可對氣道形狀進(jìn)行優(yōu)化，提高進(jìn)氣流量，增強(qiáng)缸內(nèi)滾流。此外，在為使催化器快速起燃而推遲點(diǎn)火正時(shí)的條件下，為實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定燃燒，將傳統(tǒng)的淺盤型活塞改為碟盤曲線形活塞，而且不會減弱缸內(nèi)滾流（圖２）。這些措施防止了滾流衰減并加強(qiáng)了缸內(nèi)壓縮行程后期的渦流（圖３）。

該發(fā)動機(jī)采用了與豐田公司其他缸內(nèi)直噴發(fā)動機(jī)相同的扇形噴霧。不同的是斜巢噴孔和油膜厚度更窄（圖４），這項(xiàng)噴霧改進(jìn)增加了燃油和空氣之間的剪切力，促進(jìn)了燃油的霧化。與傳統(tǒng)扇形噴霧相比，噴霧長度下降了２３％，從而降低了氣缸壁上的燃油附壁量。此外，為減少燃油對進(jìn)氣門的沖擊，以及減少燃油通過氣門頭部背后散射到氣缸壁上的燃油，優(yōu)化了氣門傾角和噴油角度（圖５）。

此外，將單個(gè)循環(huán)內(nèi)的燃油噴射分為多次噴射，減小了噴霧油束的長度。圖６示出不同發(fā)動機(jī)和不同噴油器的機(jī)油稀釋率。燃油噴霧和配氣機(jī)構(gòu)的優(yōu)化減少了燃油附壁量，改善了機(jī)油稀釋問題，同時(shí)也改善了混合氣的空燃比。

２ 渦輪增壓器和排氣系統(tǒng)

將排氣歧管集成于氣缸蓋實(shí)現(xiàn)了緊湊的排氣系統(tǒng)。為改善冷起動工況下的催化性能，將催化器置于渦輪增壓器出口附近。

在渦輪側(cè)，為確保發(fā)動機(jī)在極低轉(zhuǎn)速下具有大扭矩特性和高瞬態(tài)響應(yīng)性，采用了在較寬渦輪轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)高效率低慣性的單渦道渦輪增壓器。此外，采用了能夠靈活控制廢氣旁通閥（ＷＧＶ）開度的主動控制式廢氣旁通系統(tǒng)。發(fā)動機(jī)起動時(shí)，ＷＧＶ打開向催化器提供高溫燃?xì)?，減少催化劑起燃時(shí)間。為減小排氣損失，在發(fā)動機(jī)低負(fù)荷運(yùn)行區(qū)域也打開ＷＧＶ。通過降低泵氣損失和改善燃燒特性（減小缸內(nèi)殘余廢氣量），提高了燃油經(jīng)濟(jì)性。

2.1 空燃比傳感器安裝位置和流道形狀

為了能夠在ＷＧＶ 任意開度、任意旁通比和流量條件下精確檢測空燃比，對空燃比傳感器周圍的流道形狀專門進(jìn)行了設(shè)計(jì)。尤其是在ＷＧＶ 打開時(shí)，該設(shè)計(jì)僅將來自ＷＧＶ 的廢氣導(dǎo)向空燃比傳感器。使未受渦輪攪動的氣體與傳感器接觸，實(shí)現(xiàn)各缸空燃比的精確檢測。為防止水造成傳感器的損壞，對傳感器和流道表面的位置也進(jìn)行了確定（圖７和圖８）。

3 全負(fù)荷性能

小型化渦輪增壓發(fā)動機(jī)的優(yōu)勢之一是能夠獲得較大的低速扭矩，這有助于改善車輛的燃油經(jīng)濟(jì)性，因?yàn)樵谂c傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)相同功率條件下變速箱可以置于較高檔位，使發(fā)動機(jī)運(yùn)行在較低轉(zhuǎn)速工況下。此外，采用手動變速箱，在發(fā)動機(jī)和車輛的低速工況時(shí)可以獲得充足的扭矩。可以通過減少換檔頻率，而且避免了發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速不必要的增長。因此，駕駛員可以獲得理想的動力性能和較好的燃油經(jīng)濟(jì)性，關(guān)鍵在于確保充足的低速扭矩，各家公司采用了各種方法降低最大扭矩對應(yīng)的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速。

通常，為了提高增壓壓力，需要增加進(jìn)入渦輪的排氣能量（即增加排氣流量和排氣溫度）。但是，發(fā)動機(jī)在低速時(shí)較少的氣量很難滿足高增壓壓力的需求。可行的應(yīng)對措施是改變氣門正時(shí)，將進(jìn)氣門關(guān)閉正時(shí)設(shè)置到接近下止點(diǎn)（ＢＤＣ），防止進(jìn)氣倒流，確保足夠的進(jìn)氣流量。然而，這會導(dǎo)致在上止點(diǎn)（ＴＤＣ）附近有較大的進(jìn)排氣重疊角。以直列４缸發(fā)動機(jī)為例，相鄰氣缸的排氣倒流增加了這個(gè)氣缸中的殘余廢氣。最后，進(jìn)入氣缸內(nèi)的空氣量不會增加。此外，高溫殘余廢氣增加，壓縮行程缸內(nèi)溫度升高導(dǎo)致敲缸現(xiàn)象（圖９～１０）。圖９中，ηｖｂ定義為修正到環(huán)境溫度和壓力條件下的容積效率。該值對應(yīng)于節(jié)流閥全開無增壓的容積效率。

為避免此種現(xiàn)象，豐田汽車公司在８ＡＲ－ＦＴＳ發(fā)動機(jī)上采用了雙渦道渦輪增壓器，降低了進(jìn)排氣門重疊期間相鄰氣缸的排氣倒流。然而，因封裝和生產(chǎn)限制，當(dāng)前的８ＮＲ－ＦＴＳ發(fā)動機(jī)采用單渦道渦輪增壓器。通過減小排氣凸輪作用持續(xù)角，從而減小進(jìn)排氣重疊角度和倒流脈沖（圖１１）。圖１２為改變排氣持續(xù)角前后，基于模擬和發(fā)動機(jī)實(shí)際運(yùn)行的容積效率ηｖ 和ηｖｂ的驗(yàn)證結(jié)果。結(jié)果顯示，排氣持續(xù)角減小時(shí)，殘余廢氣量減少，進(jìn)氣量增加。

發(fā)動機(jī)燃油對機(jī)油的稀釋可能導(dǎo)致低速早燃（ＬＳＰＩ）。為減小燃油稀釋量，在各個(gè)進(jìn)氣和壓縮行程進(jìn)行３次噴油（圖１３）。對噴油正時(shí)進(jìn)行了調(diào)整，避免了燃油與進(jìn)氣門和氣缸內(nèi)壁接觸和附壁。這項(xiàng)措施有效地消除了早燃，將其發(fā)生的頻率降低到對活塞和活塞環(huán)無損壞的程度。

相比之下，在發(fā)動機(jī)高速下提高增壓壓力具有折中效果。較大背壓和大量的殘余廢氣導(dǎo)致敲缸現(xiàn)象，從而使點(diǎn)火正時(shí)延遲，排氣溫度較高。因此，基于渦輪進(jìn)口燃?xì)獾臏囟认拗疲铚p少燃油噴射量來降低排氣溫度。與傳統(tǒng)催化器相比，將催化劑載體的孔間壁厚減?。保?，以降低背壓。此外，催化劑載體的強(qiáng)度提升，形成了六邊形催化器。這些措施確保了排放物的轉(zhuǎn)化性能。

采取的其他措施包括集成排氣歧管的缸蓋（圖１４）、排氣冷卻、降低背壓、減少殘余廢氣，以及擴(kuò)展過量空氣系數(shù)（λ）＝１燃燒區(qū)域等。集成排氣歧管的氣缸結(jié)構(gòu)緊湊，確保了每個(gè)氣道的均勻冷卻，并消除了倒流的影響。冷卻主要集中在弧形的排氣歧管，提高了排氣冷卻效率。同樣設(shè)計(jì)了較長的單獨(dú)排氣道，最大程度地提高渦輪增壓器效率。集成排氣歧管的冷卻設(shè)計(jì)得以優(yōu)化，降低了發(fā)動機(jī)在高負(fù)荷工況的廢氣高溫。另一方面，發(fā)動機(jī)低速時(shí)排氣溫度相對較低，排氣和冷卻液之間的溫差變小，冷卻液流量減少。

圖１５為全負(fù)荷特性。在轉(zhuǎn)速為１５００ｒ／ｍｉｎ時(shí)就達(dá)到了低速最大扭矩１８５Ｎ·ｍ，發(fā)動機(jī)最大功率８５ｋＷ 時(shí)，λ＝０．８９。

４ 燃油消耗

4.1 發(fā)動機(jī)測功機(jī)上的燃油消耗

燃油經(jīng)濟(jì)性差的主要原因之一是發(fā)動機(jī)在低負(fù)荷工況的泵氣損失。為降低８ＡＲ－ＦＴＳ發(fā)動機(jī)的泵氣損失，豐田汽車公司采用了帶有中間鎖止裝置的ＶＶＴ－ｉＷ 系統(tǒng)，推遲進(jìn)氣門關(guān)閉正時(shí)的阿特金森循環(huán)。

為提高發(fā)動機(jī)低負(fù)荷區(qū)域的燃油經(jīng)濟(jì)性，８ＮＲＦＴＳ發(fā)動機(jī)也采用了ＶＶＴ－ｉＷ 系統(tǒng)。然而，受負(fù)重疊期的影響，僅進(jìn)氣側(cè)的配氣相位移動，泵氣損失降幅不明顯。在負(fù)重疊期，泵氣損失或壓縮損失反而增高?？尚袑Σ咭彩峭七t排氣門正時(shí)，加大重疊角。然而，為實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)低速大扭矩特性，發(fā)動機(jī)排氣持續(xù)角小，如果重疊角加大，排氣門開啟正時(shí)推遲遠(yuǎn)離下止點(diǎn)，這增加了泵氣損失，惡化了燃油經(jīng)濟(jì)性。

圖１７示出了不同氣門正時(shí)和重疊角的燃油消耗變化。

圖１７的等高線示出燃油經(jīng)濟(jì)性的惡化過程（以百分比表示），最佳燃油經(jīng)濟(jì)性對應(yīng)的排氣持續(xù)角為２４０°ＣＡ。排氣門開啟角（ＥＶＯ）置于３０～３５°ＣＡＢＢＤＣ時(shí)，進(jìn)排氣重疊角的作用以及膨脹比增大，使得燃油消耗得以改善（Ａ線）。在Ａ線和Ｂ線之間，僅進(jìn)排氣重疊角提高了燃油經(jīng)濟(jì)性。然而，為延長重疊期，將ＥＶＯ置于ＢＤＣ后（Ｂ線）時(shí)，壓縮行程泵氣損失增大，燃油經(jīng)濟(jì)性惡化。因此，阿特金森循環(huán)對改善燃油經(jīng)濟(jì)性效果并未完全實(shí)現(xiàn)。

在中等負(fù)荷下，背壓隨增壓壓力的增大而增加。換言之，增壓壓力提高會導(dǎo)致較高的泵氣損失。因此，為提高該運(yùn)行區(qū)域的燃油經(jīng)濟(jì)性，需將增壓壓力降低到最小，充足氣量的需求也要優(yōu)化。通過調(diào)節(jié)進(jìn)氣正時(shí)及盡可能靠近ＢＤＣ關(guān)閉進(jìn)氣門得以實(shí)現(xiàn)?；谝陨显蚣叭?fù)荷工況的持續(xù)性，發(fā)動機(jī)僅限于在極低負(fù)荷下應(yīng)用阿特金森循環(huán)（圖１８）。隨著負(fù)荷增加，進(jìn)氣門關(guān)閉正時(shí)從晚關(guān)調(diào)整為早關(guān)，因此在整個(gè)工況范圍內(nèi)達(dá)到了良好燃油經(jīng)濟(jì)平衡性。由于ＶＶＴ的設(shè)定值隨著容積效率波動必須有大的調(diào)整變化，采用ＶＶＴ－ｉＷ系統(tǒng)可提高相位移動的速度。

通過燃燒方法也可提高燃油經(jīng)濟(jì)性。在低、中和高負(fù)荷各區(qū)域，優(yōu)化每一循環(huán)的噴油次數(shù)和噴油正時(shí)。為預(yù)防阿特金森循環(huán)低溫壓縮氣體條件下燃燒惡化，提高發(fā)動機(jī)低速或高負(fù)荷下的燃燒速度，將燃油調(diào)整到在壓縮行程進(jìn)行噴射，在火花塞附近形成弱分層混合氣。在中等負(fù)荷下，由于下止點(diǎn)時(shí)的進(jìn)氣流速減小，燃油靠近下止點(diǎn)處進(jìn)行噴射，以提高缸內(nèi)渦流并加速燃燒速度（圖１９）。噴油正時(shí)的調(diào)節(jié)在熱機(jī)和冷機(jī)運(yùn)行期間進(jìn)行。尤其是在冷態(tài)工況下，通過增大弱分層混合氣區(qū)域改善燃燒（圖２０）。

機(jī)械摩擦損失也大幅降低。采用偏置曲軸降低了活塞的摩擦損失，提高了有效熱效率。在進(jìn)排氣門周圍采用了較細(xì)的搖臂、較小的氣門彈簧座、蜂窩形氣門彈簧和中空充鈉排氣門，減小了慣性質(zhì)量和氣門彈簧的負(fù)荷。其他的減摩措施包括采用防滑正時(shí)鏈條、低摩擦材料的鏈條導(dǎo)輪、活塞裙部精細(xì)表面重整技術(shù)和低摩擦曲軸油封，優(yōu)化發(fā)動機(jī)各部分的潤滑油分配、采用高效率的泵齒形線。采用新研發(fā)的高強(qiáng)度連桿材料，可以減小往復(fù)慣性質(zhì)量，從而可以采用輕量化曲軸。

圖２１示出發(fā)動機(jī)整個(gè)工況范圍內(nèi)的燃油消耗率和λ。最小燃油消耗率為２３６ｇ／（ｋＷ·ｈ）（有效熱效率：３６．２％）。集成排氣歧管的缸蓋的部分作用是使λ＝１的燃燒區(qū)域擴(kuò)展到１９０ｋｍ／ｈ（最大速度１９５ｋｍ／ｈ），幾乎整個(gè)發(fā)動機(jī)運(yùn)行區(qū)域的燃燒都處于化學(xué)計(jì)量比的燃燒。

4.2 起停控制策略

在車輛停止時(shí)為使發(fā)動機(jī)停車后重起，開發(fā)了基于第一壓縮氣缸的分層噴射和燃燒的重起控制策略。該控制策略已經(jīng)用于８ＡＲ－ＦＴＳ發(fā)動機(jī)。與傳統(tǒng)的氣道噴射發(fā)動機(jī)重起控制相比，該系統(tǒng)旨在更快重起發(fā)動機(jī)，并通過限制發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速沖擊實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)重起。

與傳統(tǒng)氣道噴射控制方式相同，為增加缸內(nèi)進(jìn)氣量，發(fā)動機(jī)停機(jī)前立即打開節(jié)氣門。利用缸內(nèi)壓縮氣體壓力的回彈作用將活塞控制在ＢＴＤＣ９０°ＣＡ附近停止。重起時(shí)，起動機(jī)驅(qū)動曲軸轉(zhuǎn)動，在壓縮行程上止點(diǎn)前進(jìn)行噴射。火花塞周圍形成易燃混合氣，點(diǎn)火時(shí)刻推遲。如圖２２所示，采用這種噴射控制，發(fā)動機(jī)重起時(shí)間比傳統(tǒng)氣道噴射方式快大約２００ｍｓ。

大幅推遲點(diǎn)火時(shí)刻同樣可以控制扭矩的升高率，從而限制發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速沖擊。因此，需要較低的制動保持壓力，實(shí)現(xiàn)無沖擊平順重起。

4.3 熱管理

為提高暖機(jī)過程的燃油經(jīng)濟(jì)性，通過ＣＡＥ優(yōu)化了發(fā)動機(jī)、ＣＶＴ和車內(nèi)加熱器（空調(diào)）的冷卻液流量。在暖機(jī)期間，為確保車內(nèi)的舒適性，并通過降低發(fā)動機(jī)摩擦損失提高燃油經(jīng)濟(jì)性，熱量分布優(yōu)先考慮發(fā)動機(jī)和空調(diào)。此外，發(fā)動機(jī)機(jī)體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)可以使機(jī)油和冷卻液之間進(jìn)行熱交換。暖機(jī)期間，熱量從冷卻液傳遞到機(jī)油，會提高每個(gè)摩擦副的溫度。相反，在高溫和高負(fù)荷工況下，熱量從機(jī)油傳遞到冷卻液，具有冷卻機(jī)油的效果，免除了安裝機(jī)油冷卻器的需求。

新開發(fā)的８ＮＲ－ＦＴＳ發(fā)動機(jī)也采用了一些８ＡＲＦＴＳ發(fā)動機(jī)所采用的技術(shù)。在冷機(jī)條件下，溫控系統(tǒng)通過減小機(jī)體冷卻液流量促進(jìn)機(jī)體溫度上升，并通過系統(tǒng)暫?；钊鋮s噴嘴工作，中斷活塞冷卻機(jī)油供給，根據(jù)駕駛工況調(diào)整機(jī)油流量，防止對活塞和活塞環(huán)的過度冷卻，減小活塞及活塞環(huán)與缸套的滑動摩擦。集成排氣歧管的氣缸蓋也回收排氣熱量，加快冷卻液溫度的上升，提高氣缸及其他部件的溫度。這些技術(shù)措施有助于改善燃油經(jīng)濟(jì)性（圖２３）。

與先前的自然吸氣１．８Ｌ發(fā)動機(jī)相比，基于發(fā)動機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性改善、改進(jìn)的起?？刂啤峁芾硐到y(tǒng)，通過提高低速扭矩實(shí)現(xiàn)的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速下降，以及交流電機(jī)和電池優(yōu)化的充電／放電控制，在新歐洲行駛循環(huán)（ＮＥＤＣ）工況下的車輛燃油經(jīng)濟(jì)性提高約２５％。

5 冷起動燃燒特性的改善

該發(fā)動機(jī)不使用氣道噴射，在極其寒冷的溫度下，燃油霧化和油氣混合氣便成為一大問題。通過使用類似于改善發(fā)動機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性的多次噴射策略，解決了這個(gè)問題。圖２４為極寒溫度下發(fā)動機(jī)起動時(shí)多次噴射的示意圖。進(jìn)氣行程每一噴射使燃燒室內(nèi)形成稀混合氣，壓縮行程進(jìn)行噴射在火花塞周圍形成可燃混合氣。進(jìn)氣行程分次噴射限制了噴霧長度，減小了氣缸壁上的燃油附壁量。因此，與傳統(tǒng)氣道噴射發(fā)動機(jī)相比，該發(fā)動機(jī)在極低溫條件下的起動時(shí)間更短。

6 車輛動態(tài)特性

6.1 低速響應(yīng)

為改善車輛的動態(tài)特性，在提高發(fā)動機(jī)全負(fù)荷特性的同時(shí)，減小渦輪增壓器遲滯期也是重要的。

８ＮＲ－ＦＴＳ的開發(fā)目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)快速的瞬態(tài)響應(yīng)特性，最小化包括中冷器在內(nèi)的進(jìn)氣系統(tǒng)的體積，并降低進(jìn)氣壓力損失。穩(wěn)壓腔的容積減小到１．１Ｌ，單位排量穩(wěn)壓腔容積是豐田汽車中最小的。中冷系統(tǒng)為水冷設(shè)計(jì)，最小化了渦輪增壓后的進(jìn)氣系統(tǒng)容積。中冷器采用了獨(dú)立于發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)的低溫冷卻回路，而且采用１個(gè)電動水泵。冷卻回路控制冷卻液流量，根據(jù)發(fā)動機(jī)運(yùn)行工況保持最佳冷卻效果，最小化了水泵的功耗。中冷器采用獨(dú)立于發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)的低溫冷卻回路。為提高冷卻效率，改進(jìn)了中冷器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，在水路側(cè)增加了翅片，并優(yōu)化了增壓氣體側(cè)的翅片和通道形狀（圖２５）。

通過這些控制同樣可以提高動態(tài)性能。除ＷＧＶ控制外，還進(jìn)行了掃氣控制，暫時(shí)將氣門重疊角增大超過常規(guī)設(shè)置，以提高增壓壓力，使其大于背壓。進(jìn)入渦輪的氣體增加，保證了增壓壓力。如圖２６所示，掃氣控制縮短了渦輪遲滯期。

6.2 發(fā)動機(jī)與ＣＶＴ匹配開發(fā)

該渦輪增壓發(fā)動機(jī)的主要特征之一是能夠與ＣＶＴ進(jìn)行匹配。首先，研究了最佳ＣＶＴ換檔控制及其與渦輪增壓發(fā)動機(jī)的匹配開發(fā)。圖２７示出節(jié)氣門全開（ＷＯＴ）時(shí)從３０ｋｍ／ｈ開始加速的條件下，２種換檔控制的車輛縱向加速度曲線（Ｇ）。曲線Ａ為發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速快速提高的加速度數(shù)據(jù)。曲線Ｂ為控制發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速提高的加速度數(shù)據(jù)。曲線Ｃ為同樣條件下加裝手動變速器的車輛加速度數(shù)據(jù)。曲線Ａ中，加速度初始保持穩(wěn)定，然后減小，之后突然增大。曲線Ｂ中，加速度實(shí)現(xiàn)了與手動變速器車輛相同的線性提升。

圖２８示出在圖２７中的數(shù)據(jù)條件下，每循環(huán)的容積效率隨發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的變化。曲線Ａ，進(jìn)氣流量突然增加前，轉(zhuǎn)速達(dá)到約４０００ｒ／ｍｉｎ，容積效率實(shí)際并無提升。這是因?yàn)槿绻l(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速與自然吸氣發(fā)動機(jī)以同樣的方式快速提高，增壓提升率與進(jìn)氣量升高率相抵。因此，每燃燒循環(huán)的容積效率并不增加。此外，隨換檔慣性損失增加，開始出現(xiàn)降速。相比之下，曲線Ｂ示出增壓壓力線性響應(yīng)提升，通過ＣＶＴ極其靈活的換檔控制性能控制發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速提升量和提升率。此外，控制發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速提高率也最小化了換檔慣性損失，實(shí)現(xiàn)了加速度的線性增加，有助于降低ＣＶＴ所謂的加速滯后感。因此，該渦輪增壓發(fā)動機(jī)與ＣＶＴ的匹配使ＣＶＴ換檔控制優(yōu)化了增壓壓力響應(yīng)和驅(qū)動力響應(yīng)。

圖２９示出采用ＣＶＴ和手動變速器從４０ｋｍ／ｈ開始的加速度曲線。盡管換檔期間慣性損失量使采用ＣＶＴ時(shí)的加速提升稍有延遲，但車輛的加速感覺與駕駛員的意圖相一致，這也是ＣＶＴ的主要特點(diǎn)之一。在逐步加速工況下，隨駕駛員的操作（油門下壓量和速度）優(yōu)化換檔控制（即換檔量和速度），ＣＶＴ實(shí)現(xiàn)了與手動變速器相同的線性加速度，在快速加速下達(dá)到了加速度的線性和最大值響應(yīng)。平穩(wěn)加速，駕駛員不會感到渦輪增壓器遲滯。

圖３０示出裝配雙離合器變速器（ＤＣＴ）或ＣＶＴ車輛從停止開始加速的車輛縱向加速度Ｇ 曲線。ＤＣＴ總傳動比?。保埃?。離合器嚙合導(dǎo)致ＤＣＴ起動響應(yīng)延遲，而ＣＶＴ因變矩器具有扭矩的放大功能，擁有更好的初始起動性能。此外，盡管變矩器損失使中間區(qū)域的加速度稍低于ＤＣＴ，但其扭矩放大作用使ＣＶＴ幾乎與總傳動比較小的ＤＣＴ具有同樣的峰值加速度。鑒于綜合加速特性，采用ＣＶＴ能實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)的線性感受。

除常規(guī)運(yùn)行模式外，ＣＶＴ還配有運(yùn)動模式。如上所述，常規(guī)模式下，ＣＶＴ憑借其高的低速扭矩實(shí)現(xiàn)線性加速。運(yùn)動模式下，通過換檔控制改變發(fā)動機(jī)扭矩改善加速響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)非?？焖俚募铀夙憫?yīng)（圖３１），如此快速的加速響應(yīng)也通過提高增壓壓力實(shí)現(xiàn)。這是通過提高鎖止期間的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、增加給定油門位置的發(fā)動機(jī)扭矩需求實(shí)現(xiàn)。此外，為改善增壓壓力響應(yīng)而提高發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速，換檔控制較常規(guī)模式執(zhí)行更快，進(jìn)一步增強(qiáng)了加速響應(yīng)。通過這些措施，運(yùn)動模式實(shí)現(xiàn)了更為直接的加速感受，使車輛駕駛更具樂趣。

7 結(jié)語

本文描述了豐田新型１．２Ｌ小型化渦輪增壓ＥＳＴＥＣＤ－４Ｔ（８ＮＲ－ＦＴＳ）發(fā)動機(jī)的硬件和軟件特性。該發(fā)動機(jī)的主要特征總結(jié)如下：

（１）通過增強(qiáng)進(jìn)氣流動和缸內(nèi)渦流，采用每循環(huán)多次噴油策略，在無氣道噴射的情況下發(fā)動機(jī)實(shí)現(xiàn)了快速燃燒。

（２）采用單渦道渦輪增壓器、較小的排氣持續(xù)角和掃氣控制，發(fā)動機(jī)從１５００ｒ／ｍｉｎ開始就達(dá)到了最大扭矩。

（３）通過冷卻集成排氣歧管氣缸蓋內(nèi)的廢氣，λ＝１區(qū)域得以擴(kuò)展。

（４）通過在壓縮行程缸內(nèi)直噴使發(fā)動機(jī)立即平順重起的起?？刂啤⒏纳瓢l(fā)動機(jī)燃燒特性，以及采用高速比的換檔控制等，實(shí)現(xiàn)了頂級車輛的燃油經(jīng)濟(jì)性。

（５）總之，該渦輪增壓發(fā)動機(jī)與最佳ＣＶＴ換檔控制相結(jié)合，最小化了加速滯后感，實(shí)現(xiàn)了新的令人興奮的動態(tài)性能和出色的燃油經(jīng)濟(jì)性。