——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，几乎油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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（接上文）
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，将进气门打开角度提前，使关闭正时设置到接近气缸下止点（ＢＤＣ），防止进气回流（也就是完全不采用阿特金森循环），确保足够的进气流量。然而，因为气门工作角度不变，这会导致在气缸上止点（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12～１3）。图12中，ηｖｂ定义为修正到环境温度和压力条件下的充填效率。该值对应于节流阀全开无增压的充填效率。
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，减少了进排气门重叠期间相邻气缸的排气倒流。然而，因成本和空间限制，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（240°CA变为210°CA），从而减小进排气重叠角度和回流脉冲（图１4）。图１5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，采用多点喷射策略（Multiple injection），示意图如图16所示，在各个进气和压缩行程进行３次喷油（图１7），进气行程内2次、压缩行程内1次。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。
注1：实际多次喷射策略很复杂，需要考虑很多因素，包括但不局限于物理硬件的局限，喷油嘴最少喷射量的多少，燃油压力是多少，喷射开始时间和终了时间，每回喷射的比例多少比较合适，对性能的影响，对燃烧稳定性的影响，对PM、PN的影响等等。丰田TNGA发动机使用双喷射系统，还可以由进气管喷射替代某一回的喷射，高压直喷支持4回喷射，一个循环中，共有5次喷射可供设计。在不同工况、不同要求下喷射策略都不一样，配合着可变燃压系统，实际策略相当复杂，甚至诞生很多新的策略，比如喷油嘴局部升程控制等。由于选择性太多，我们在标定和设计策略时也曾为最优解愁。这块也是国内主机厂无能为力的地方，即使国内主机厂买了博世的高燃喷油系统、由于控制系统是基于联电德尔福的方案，你无法设计出新的策略，最终效果就大打折扣。后面会提到一些。
注2：低速早燃（LSPI， Low Speed Pre-Ignition）原理介绍。引起低速早燃最重要的原因就是积碳，对于直喷发动机来说，引起积碳的原因就是喷油器把油喷射到气缸壁面，顺着活塞与活塞环堆积起来，在下次压缩时自发燃烧，形成早燃。积碳形成示意图如图18所示，对气缸内燃烧压力如图19所示。
另外，在高速工况下，提高增压压力并不一定能提高发动机性能。较大排气背压和大量的残余废气易导致敲缸现象，从而使点火正时延迟，排气温度升高。这里存在一个矛盾的地方，一方面希望进气量大从而做工更多，要求提高增压压力；另一方面由于燃烧剧烈早燃爆震的问题不得不延迟点火，这样会导致热效率下降，性能下降，难以协调。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。这些措施确保了催化器的工作性能。
采取的其他措施包括集成排气歧管的缸盖（图20）、排气冷却、降低背压、减少残余废气，以及扩大过量空气系数（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，并消除了回流的影响。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21为全负荷特性。在转速为１５００rpm时 就达到了低速最大扭矩１８５Ｎ·ｍ，抑制发动机最大功率 ８５ｋＷ 时， λ ＝０．８９。
注：一般来说，当系统判断油门全开时，会强制让空燃比在过浓状态，一般λ 设计为0.85到0.9之间，这个时候油会多喷10%到15%且不参与做工，主要起着降低燃烧温度和提高燃烧速度作用。小排量涡轮发动机由于受到先天的排量劣势，在急加速的时候很容易进入性能空燃比状态，会油部分燃料不参与燃烧，油耗会增多。但是在法规工况下，中低负荷较多，小排量在低速低负荷下由于排量优势，油耗表现突出，这也就是目前世界范围内流行小排量涡轮增压发动机的原因，毕竟工信部油耗还是很重要的。
４ 燃油消耗
４．１ 发动机测功机上的燃油消耗
对于一般发动机来说，低负荷下燃油经济性差的主要原因之一是发动机的泵气损失。为了降低８ＡＲ－ＦＴＳ发动机（丰田2.0T发动机，广泛使用于丰田旗下中高端机型）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（图22），并且为了提高响应性，采用电动VVT，如图23所示。另外，采用了推迟进气门关闭正时的阿特金森循环，进一步提高了燃油经济性，阿特金森循环与奥托循环区别如图24所示。
为提高发动机低负荷区域的燃油经济性，８ＮＲ－ＦＴＳ发动机也采用了ＶＶＴ－ｉＷ 系统。然而，由于气门重叠角为负，仅依靠进气配气的相位移动，泵气损失几乎不下降。在气门重叠角为负的状态下，泵气损失或压缩损失明显增高。可行对策也只能是推迟排气门正时，加大重叠角。 然而，前面提到，该发动机为了实现低速大扭矩特性，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，这也极大的增加泵气损失，恶化了燃油经济性。图25示出了不同气门正时和重叠角的燃油消耗变化。图26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°ＣＡ ＢＢＤＣ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，在该款发动机上，阿特金森循环对改善燃油经济性效果并未完全实现。
注：这也是小排量涡轮发动机的通病，阿特金森循环实现困难，导致真实油耗并不见得比大排量带阿特金森循环发动机的油耗低。
在中等负荷下，涡轮开始工作，背压随涡轮压力的增大而增加。换言之，涡轮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，需将涡轮压力降低到最小，充填效率也要优化。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，如图27所示，发动机仅限于在极低负荷下应用阿特金森循环（基本为怠速工况）。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的设定值随着充填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。
通过燃烧改良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，使其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，以提高缸内涡流并增加燃烧速度（图28）。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，具体效果如图29所示，A区域采用了两回喷射，进气后半段和压缩前半段；B区域采用了两回，进气前半段和后半段；C区域采用了三回，进气前后半段和压缩前半段；D区域采用了一回，进气前半段。
注：关于气门正时这块，内容很深，很多工程师也不能很好的掌握。并且，这部分工作从理论上只能给出方向，实际效果必须通过台架标定得出，我们做标定的时候也会遇到理论与实际不符的情况，也在不断积累经验和数据。
这款发动机的机械摩擦损失也大幅降低。通过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排气门，减小了惯性质量和气门弹簧的负荷。其他的降低阻力的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30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理论空然比的燃烧。
注：这块很难得，前面提到过，小排量发动机由于物理限制会经常性的进行过浓喷射逻辑中去，但是卡罗拉雷凌1.2T是燃油经济性取向，在很宽广的范围内实现了理论空燃比，从而该发动机实际油耗表现也很突出，我相信广大卡罗拉雷凌用户也会感受到这点！
４．２ 起停控制策略
该发动机带有启停系统，采用了基于第一压缩气缸的分层喷射和燃烧的启停控制策略。该控制策略已经应用于８ＡＲ－ＦＴＳ发动机。与传统的进气歧管喷射发动机启停控制相比，该系统可以在极短的时间内再启动发动机，并通过限制发动机转速冲击实现平稳重起。
与传统进气歧管喷射控制方式相同，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。再启动时，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31所示，采用这种喷射控制，发动机再启动时间比传统进气歧管喷射方式快大约0.2s。
大幅推迟点火时刻同样可以限制扭矩，从而限制发动机转速冲击。因此，只需要较低的制动保持压力就可以实现平顺再启动。
注：该启停系统相对于进气歧管喷射方式的启停系统好了很多，算的上一种可用的系统，但是现在某些主机厂已经应用了更先进的启停策略——膨胀缸辅助燃烧式启停策略，这种启停方式启动更快，平顺性更好，更节能，代表目前启停系统的最高水平，以后我会介绍。总而言之，技术并不是从无到有就行，有和有之间也有很大的差距。
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和空调系统的冷却液流量。 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，结果如图32所示。靠这个结构，在最高功率点，机油温度能够降低8℃。
其他方面，采用了低温时对气缸体的冷却水流量进行抑制从而保温促进暖机的系统，采用了活塞机油喷射控制系统（根据工况判断是否要给活塞面喷机油，是否对活塞和活塞环进行过度冷却，降低汽缸壁和机械摩擦，并减少PN）。这个系统，在气缸体内对高压机油回路设计成两套回路，主回路给曲轴传动系统进行正常供油，辅助回路给活塞机油喷射系统供油，可以随时停止。另外采用了集成式排气歧管结构，能够回收排气热量，加快水温的上升，促进气缸壁的暖机，提高了燃油经济性。具体不同状态下冷却液的流向见图33。
与之前的自然吸气１．８Ｌ发动机相比，基于发动机的燃油经济性改善、起停控制策略的优化、热管理系统改良，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，在法规ＮＥＤＣ工况下的车辆燃油经济性提高约２５％。
（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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