——部分内容节选《TOYOTA Technology Review》
摘要
上一篇文章中介绍了丰田卡罗拉雷凌身上的混动车型发动机的设计。本文将介绍卡罗拉雷凌上1.2T发动机，这款发动机是丰田最新研发的一款针对入门级车型的发动机，广泛应用于丰田旗下小型车上。在中国，几乎有70%以上的用户购买卡罗拉雷凌时都会选用这款机型。它也是丰田应对排放的利器，燃油经济性相当突出，这也是丰田对于买菜车动力水平的诠释。它有哪些黑科技呢？有哪些值得广大主机厂借鉴的地方呢？本文作者从研发工程师角度出发，为大家进行阐述。另外，这款发动机的标定与设计是我前东家的隔壁课做的。
PS：内容具有一定深度，需要有专业背景的人才能理解，大家遇到不明白的可以在评论中提出，欢迎大家多多交流哈。
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引言
丰田既汉兰达、皇冠、RX、NX、GS等车型上使用的2.0T（8AR-FTS）涡轮增压发动机后，开发了4气缸1.2T小排量涡轮增压发动机。这款发动机的目标就是替代目前丰田产品序列中的1.6L~1.8L自然吸气发动机，属于入门级产品，于2015年4月在日本、5月在欧洲市场投放。在中国，对这款发动机做了油品适应性改良，从95标号燃油要求改为92标号要求，并应用在卡罗拉，雷凌身上。
为了应对未来法规，丰田利用常年在混动发动机上对高热效率技术的积累，并应用于传统发动机，对高速燃烧、燃烧室内扫气、燃烧室温度控制等技术进行探究，从泵气损失、排气损失、冷却损失、摩擦损失等角度全方位在设计，产生了一批高热效率、低油耗的发动机群，这款发动机就是其中的一款机型。
基于８ＡＲ－ＦＴＳ发动机相同的设计理念，8ＮＲ－ＦＴＳ发动机也集成了各种主流节能技术，诸如集成排气歧管的气缸盖，通过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强化涡流。该发动机采用缸内直喷涡轮增压（Ｄ－４Ｔ）系统，考虑成本，对双喷射系统的2.0T发动机进行了简化。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。该发动机还采用了起停系统，选择的是压缩冲程分层喷射方式，实现了快速无冲击再起动。发动机匹配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，实现具有一定驾驶乐趣的动力性和出色的燃油经济性。发动机的热效率达到36.2%。
注1：启停系统有多种启动方式，有和冷启动一致的电机拖拽启停方式，有压缩冲程启停方式，有膨胀缸燃烧辅助启停方式，每种方式各有优缺店，它们的启停速度、平顺性、成本都不一样，这块以后有机会再聊。
注2：涡轮增压发动机受到涡轮影响，压缩比一般在10左右，燃烧温度高，容易造成早燃和爆震，点火角无法提前，且涡轮还需要消耗掉部分能量，一般最佳热效率是不如自然吸气发动机的，但是在NEDC法规认证中，小排量涡轮发动机的经济区间在NEDC范围内，所以工信部油耗漂亮。
表１示出８ＮＲ－ＦＴＳ（1.2T）发动机与８ＡＲ－ＦＴＳ（2.0T）发动机的主要区别。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，发动机匹配 ６档手动变速器（６ＭＴ）或无级变速器（CVT）。
表1发动机对比
1发动机规格和燃烧理念
发动机的基本参数如表2所示，为了实现高速燃烧，需要更高的进气流动和气缸内涡流。这款发动机作为丰田旗下最小的排量的直喷发动机，气缸直径很小。对此，为了让直喷喷雾在喷到气缸壁面前就能够与空气充分混合，气缸内必须有强烈的空气流动。这款发动机从进气管形状自由度与搭载便利性以及成本出发，选择了直喷系统，进气管形状也进行了最优化，提高进气流量，增强缸内滚流，见图1。如图2所示，横轴为滚流比，纵轴为流量系数，可以看出，丰田系列发动机在提高滚流比上是走在前列的，这得益于丰田很早就开始研究滚流效果。
图1滚流示意图
图2 流量系数和滚流比
此外，基于使催化器快速起燃而推迟点火正时的条件下，为了实现稳定燃烧，将传统的浅盘型活塞改为碟盘曲线形活塞，而且不会衰减缸内滚流（图3）。
图3 活塞形状对比
通过这些措施，一方面提高了滚流比，另一方面抑制了滚流衰减，特别加强了缸内压缩行程后期的涡流（图4）。
图4 不稳定滚流比和涡轮强度的对比
注：提高缸内涡轮的意义是提高燃烧速度，因为在汽油机中依靠火花塞点火再逐渐传播需要一个过程，虽然很快，但是相对于发动机转速和气缸上下活塞运动的速度来说，有点慢了，我们知道，为了提高性能、油耗、排放都希望燃烧有效压力最高，但是因为燃烧速度的原因，压力会损失掉一部分，所以，现在几乎所有的主机厂都在为提高燃烧速度努力。
表2 1.2T发动机规格
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。不同的是油膜厚度更窄（图5），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，喷雾的长度下降了２３％，从而降低了气缸壁上的燃油附壁量。此外，为了减少燃油对进气门的冲击，以及减少燃油撞击气门头部背面散射到气缸壁上的燃油，优化了气门倾角和喷油角度（图6）。
图5 扇形喷雾对比
图6 气缸壁面燃油附着对比
此外，将单个循环内的燃油喷射分为多点喷射，在不同的活塞位置时刻进行喷射，一方面实现分层燃烧，促进火焰传播速度，另一方面减小了喷雾油束的长度。
图7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。如图所示，在不改变控制的前提下，单纯改变喷油器结构（新型インジェクタ），燃油稀释率降低33%，进一步对进气门进行优化后（バルプ狭角変更），燃油稀释率降低58%，对发动机控制策略进行优化，比如采用多次喷射后（マルチ噴射），还可以降低26%。效果显著。
注：从图中也可以看出，只提高硬件是不够的，必须与控制策略协同才能够达到良好的改善效果，目前国内通过采购和设计，在硬件上可以达到同等水平，但是控制策略国内主机厂和国外差距巨大。
图7 燃油对机油稀释率影响
２ 涡轮增压器和排气系统
该发动机采用目前主流的将排气歧管集成于气缸盖实现了紧凑的排气系统。为了改善冷起动工况下的催化器起燃性能，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，如图8所示。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，如图9所示。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。为了减小排气损失，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。
图8 涡轮结构图
图9 电控废气阀门（WGV）
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10和图11）。
注：空燃比传感器位置的布置是很重要的，它直接关系到发动机燃烧的稳定性。因为实际4气缸发动机在运行时，每个气缸的工作状态都不一样，实际气流是脉冲流，传感器感布置的不好很容易使传感器受到某一个气缸的影响较多，一般国内的主机厂对这块的重视不够，导致传感器精度不足，进而在标定的时候难以控制，实际容易出现一系列问题。
图10 涡轮增压器和催化器布置图
图11 空燃比传感器附近的废气流
（未完待续……）
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来源：知乎 www.zhihu.com
作者：知乎用户（登录查看详情）
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