豐田新型1.2L ESTEC渦輪增壓直噴汽油機

【日】 T.Shinagawa M.Kudo W.Matsubara T.Kawai

豐田新型1.2L ESTEC渦輪增壓直噴汽油機

【日】 T.Shinagawa M.Kudo W.Matsubara T.Kawai

豐田汽車公司正在開發(fā)一系列符合經(jīng)濟型高熱效率燃燒 (ESTEC)開發(fā)理念的發(fā)動機。繼2.0L缸內(nèi)直噴渦輪增壓發(fā)動機8AR-FTS投放市場后，介紹8NR-FTS發(fā)動機的開發(fā)。8NR-FTS發(fā)動機為1.2L直列4缸火花點燃式的小型化渦輪增壓缸內(nèi)直噴汽油機?；?AR-FTS發(fā)動機相同的基本理念，8NR-FTS發(fā)動機集成了各種節(jié)能技術，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系統(tǒng)(VVT-iW)實現(xiàn)的阿特金森循環(huán)，以及為實現(xiàn)快速燃燒采取的缸內(nèi)強化渦流。該發(fā)動機采用缸內(nèi)直噴的直噴渦輪增壓(D-4T)系統(tǒng)，替代了兼?zhèn)溥M氣道噴射和缸內(nèi)直噴的渦輪增壓高版本汽油機(D-4ST)系統(tǒng)。結(jié)合單渦道渦輪增壓器和VVT系統(tǒng)的控制，實現(xiàn)了發(fā)動機低速工況下的高扭矩特性。該發(fā)動機還采用了起?？刂撇呗?，通過在第一個壓縮的氣缸內(nèi)分層噴射，實現(xiàn)了快速無沖擊重新起動。發(fā)動機可以匹配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)濟性。

ESTEC發(fā)動機 缸內(nèi)直噴 低速高扭矩 快速燃燒 集成排氣歧管的氣缸蓋

0 前言

繼2.0L直噴渦輪增壓8AR-FTS[1]發(fā)動機投放市場后，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8NR-FTS。該發(fā)動機于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。表1示出新型8NR-FTS發(fā)動機與8AR-FTS發(fā)動機的主要區(qū)別。新型8NR-FTS發(fā)動機配置了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)動機以來，豐田公司首次開發(fā)的無進氣道噴射的新型缸內(nèi)直噴發(fā)動機。發(fā)動機匹配6檔手動變速器(6MT)或無級變速器(CVT)。

表1 8NR-FTS發(fā)動機和8AR-FTS發(fā)動機比較

1 發(fā)動機規(guī)格和燃燒理念

表2為8NR-FTS發(fā)動機主要規(guī)格參數(shù)，屬于豐田ESTEC發(fā)動機系列[1-2](ESTEC為豐田下一代發(fā)動機技術的代名詞，指“高效燃燒的低燃油耗”技術)。發(fā)動機壓縮比為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)。

表2 8NR-FTS發(fā)動機規(guī)格

這些發(fā)動機實現(xiàn)快速燃燒的基本途徑是提高進氣流量和增強缸內(nèi)渦流。8NR-FTS發(fā)動機是豐田公司最小排量的缸內(nèi)直噴發(fā)動機，缸徑相對小[3]。因此，為了使燃油噴霧在接觸氣缸壁前與空氣混合，需要更強烈擾動的進氣流。為提高進氣道形狀設計的靈活性和安裝便利，該發(fā)動機采用了無進氣道噴射的缸內(nèi)直噴技術。如圖1所示。采用這種配置可對氣道形狀進行優(yōu)化，提高進氣流量，增強缸內(nèi)滾流。此外，在為使催化器快速起燃而推遲點火正時的條件下，為實現(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)[1]。這些措施防止了滾流衰減并加強了缸內(nèi)壓縮行程后期的渦流(圖3)。

圖1 流量系數(shù)和滾流比

圖2 活塞形狀比較

圖3 不穩(wěn)定滾流比和渦流強度比較

該發(fā)動機采用了與豐田公司其他缸內(nèi)直噴發(fā)動機相同的扇形噴霧。不同的是斜巢噴孔和油膜厚度更窄(圖4)，這項噴霧改進增加了燃油和空氣之間的剪切力，促進了燃油的霧化。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)。

圖4 扇形噴霧比較

圖5 氣缸壁燃油附壁比較

此外，將單個循環(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)動機和不同噴油器的機油稀釋率。燃油噴霧和配氣機構(gòu)的優(yōu)化減少了燃油附壁量，改善了機油稀釋問題，同時也改善了混合氣的空燃比。

圖6 燃油對機油稀釋率

2 渦輪增壓器和排氣系統(tǒng)

將排氣歧管集成于氣缸蓋實現(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)動機在極低轉(zhuǎn)速下具有大扭矩特性和高瞬態(tài)響應性，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)動機起動時，WGV打開向催化器提供高溫燃氣，減少催化劑起燃時間。為減小排氣損失，在發(fā)動機低負荷運行區(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行了設計。尤其是在WGV打開時，該設計僅將來自WGV的廢氣導向空燃比傳感器。使未受渦輪攪動的氣體與傳感器接觸，實現(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行了確定(圖7和圖8)。

圖7 渦輪增壓器和催化器布置

圖8 λ傳感器附近的廢氣流

3 全負荷性能

小型化渦輪增壓發(fā)動機的優(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)濟性，因為在與傳統(tǒng)發(fā)動機相同功率條件下變速箱可以置于較高檔位，使發(fā)動機運行在較低轉(zhuǎn)速工況下。此外，采用手動變速箱，在發(fā)動機和車輛的低速工況時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)濟性，關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的發(fā)動機轉(zhuǎn)速[3-4]。

通常，為了提高增壓壓力，需要增加進入渦輪的排氣能量(即增加排氣流量和排氣溫度)。但是，發(fā)動機在低速時較少的氣量很難滿足高增壓壓力的需求?？尚械膽獙Υ胧┦歉淖儦忾T正時，將進氣門關閉正時設置到接近下止點(BDC)，防止進氣倒流，確保足夠的進氣流量。然而，這會導致在上止點(TDC)附近有較大的進排氣重疊角。以直列4缸發(fā)動機為例，相鄰氣缸的排氣倒流增加了這個氣缸中的殘余廢氣。最后，進入氣缸內(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。該值對應于節(jié)流閥全開無增壓的容積效率。

圖9 氣門正時和殘余廢氣的關系

圖10 進排氣壓力波

為避免此種現(xiàn)象，豐田汽車公司在8AR-FTS發(fā)動機上采用了雙渦道渦輪增壓器，降低了進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，當前的8NR-FTS發(fā)動機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)動機實際運行的容積效率ηv和ηvb的驗證結(jié)果。結(jié)果顯示，排氣持續(xù)角減小時，殘余廢氣量減少，進氣量增加。

圖11 排氣持續(xù)角減小的影響

發(fā)動機燃油對機油的稀釋可能導致低速早燃(LSPI)[5-6]。為減小燃油稀釋量，在各個進氣和壓縮行程進行3次噴油(圖13)。對噴油正時進行了調(diào)整，避免了燃油與進氣門和氣缸內(nèi)壁接觸和附壁。這項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致敲缸現(xiàn)象，從而使點火正時延遲，排氣溫度較高。因此，基于渦輪進口燃氣的溫度限制，需減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小1/3，以降低背壓。此外，催化劑載體的強度提升，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。同樣設計了較長的單獨排氣道，最大程度地提高渦輪增壓器效率。集成排氣歧管的冷卻設計得以優(yōu)化，降低了發(fā)動機在高負荷工況的廢氣高溫。另一方面，發(fā)動機低速時排氣溫度相對較低，排氣和冷卻液之間的溫差變小，冷卻液流量減少。

圖12 排氣持續(xù)角隨進氣量的變化(計算值與實際值)

圖13 避免LSPI的噴射正時

圖14 缸蓋內(nèi)冷卻水的流動

圖15為全負荷特性。在轉(zhuǎn)速為1500r/min時就達到了低速最大扭矩185N·m，發(fā)動機最大功率85kW時，λ=0.89。

圖15 全負荷性能

4 燃油消耗

4.1 發(fā)動機測功機上的燃油消耗

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

為提高發(fā)動機低負荷區(qū)域的燃油經(jīng)濟性，8NR-FTS發(fā)動機也采用了VVT-iW系統(tǒng)。然而，受負重疊期的影響，僅進氣側(cè)的配氣相位移動，泵氣損失降幅不明顯。在負重疊期，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，加大重疊角。然而，為實現(xiàn)發(fā)動機低速大扭矩特性，發(fā)動機排氣持續(xù)角小，如果重疊角加大，排氣門開啟正時推遲遠離下止點，這增加了泵氣損失，惡化了燃油經(jīng)濟性。圖17示出了不同氣門正時和重疊角的燃油消耗變化。圖17的等高線示出燃油經(jīng)濟性的惡化過程(以百分比表示)，最佳燃油經(jīng)濟性對應的排氣持續(xù)角為240°CA。排氣門開啟角(EVO)置于30～35°CA BBDC時，進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，僅進排氣重疊角提高了燃油經(jīng)濟性。然而，為延長重疊期，將EVO置于BDC后(B線)時，壓縮行程泵氣損失增大，燃油經(jīng)濟性惡化。因此，阿特金森循環(huán)對改善燃油經(jīng)濟性效果并未完全實現(xiàn)。

圖16 排氣VVT降低泵氣損失的作用

圖17 通過氣門正時實現(xiàn)阿特金森循環(huán)的效果

在中等負荷下，背壓隨增壓壓力的增大而增加。換言之，增壓壓力提高會導致較高的泵氣損失。因此，為提高該運行區(qū)域的燃油經(jīng)濟性，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)進氣正時及盡可能靠近BDC關閉進氣門得以實現(xiàn)。

基于以上原因及全負荷工況的持續(xù)性，發(fā)動機僅限于在極低負荷下應用阿特金森循環(huán)(圖18)。隨著負荷增加，進氣門關閉正時從晚關調(diào)整為早關，因此在整個工況范圍內(nèi)達到了良好燃油經(jīng)濟平衡性。由于VVT的設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[2]。

圖18 VVT調(diào)整

通過燃燒方法也可提高燃油經(jīng)濟性。在低、中和高負荷各區(qū)域，優(yōu)化每一循環(huán)的噴油次數(shù)和噴油正時。為預防阿特金森循環(huán)低溫壓縮氣體條件下燃燒惡化，提高發(fā)動機低速或高負荷下的燃燒速度，將燃油調(diào)整到在壓縮行程進行噴射，在火花塞附近形成弱分層混合氣。在中等負荷下，由于下止點時的進氣流速減小，燃油靠近下止點處進行噴射，以提高缸內(nèi)渦流并加速燃燒速度(圖19)。噴油正時的調(diào)節(jié)在熱機和冷機運行期間進行。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)。

圖19 通過調(diào)整噴射正時改善燃燒

機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。在進排氣門周圍采用了較細的搖臂、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)量和氣門彈簧的負荷。其他的減摩措施包括采用防滑正時鏈條、低摩擦材料的鏈條導輪、活塞裙部精細表面重整技術和低摩擦曲軸油封，優(yōu)化發(fā)動機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)的高強度連桿材料，可以減小往復慣性質(zhì)量，從而可以采用輕量化曲軸。

圖20 熱機和冷機條件下噴射策略

圖21示出發(fā)動機整個工況范圍內(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)域擴展到190km/h(最大速度195km/h)，幾乎整個發(fā)動機運行區(qū)域的燃燒都處于化學計量比的燃燒。

圖21 有效燃油消耗率特性圖

4.2 起停控制策略

在車輛停止時為使發(fā)動機停車后重起，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。與傳統(tǒng)的氣道噴射發(fā)動機重起控制相比，該系統(tǒng)旨在更快重起發(fā)動機，并通過限制發(fā)動機轉(zhuǎn)速沖擊實現(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)進氣量，發(fā)動機停機前立即打開節(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BTDC 90°CA附近停止。重起時，起動機驅(qū)動曲軸轉(zhuǎn)動，在壓縮行程上止點前進行噴射?；鸹ㄈ車纬梢兹蓟旌蠚?，點火時刻推遲。

如圖22所示，采用這種噴射控制，發(fā)動機重起時間比傳統(tǒng)氣道噴射方式快大約200ms。

圖22 新式起停系統(tǒng)的重起性能

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

4.3 熱管理

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

新開發(fā)的8NR-FTS發(fā)動機也采用了一些8AR-FTS發(fā)動機所采用的技術。在冷機條件下，溫控系統(tǒng)通過減小機體冷卻液流量促進機體溫度上升，并通過系統(tǒng)暫?；钊鋮s噴嘴工作，中斷活塞冷卻機油供給，根據(jù)駕駛工況調(diào)整機油流量，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。這些技術措施有助于改善燃油經(jīng)濟性(圖23)。

圖23 冷卻回路

與先前的自然吸氣1.8L發(fā)動機相比，基于發(fā)動機的燃油經(jīng)濟性改善、改進的起?？刂?、熱管理系統(tǒng)，通過提高低速扭矩實現(xiàn)的發(fā)動機轉(zhuǎn)速下降，以及交流電機和電池優(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)濟性提高約25%。

5 冷起動燃燒特性的改善

該發(fā)動機不使用氣道噴射，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)動機燃油經(jīng)濟性的多次噴射策略，解決了這個問題。圖24為極寒溫度下發(fā)動機起動時多次噴射的示意圖。進氣行程每一噴射使燃燒室內(nèi)形成稀混合氣，壓縮行程進行噴射在火花塞周圍形成可燃混合氣。進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)動機相比，該發(fā)動機在極低溫條件下的起動時間更短。

圖24 冷起動噴射策略和冷起動時間

6 車輛動態(tài)特性

6.1 低速響應

為改善車輛的動態(tài)特性，在提高發(fā)動機全負荷特性的同時，減小渦輪增壓器遲滯期也是重要的。8NR-FTS的開發(fā)目標是實現(xiàn)快速的瞬態(tài)響應特性，最小化包括中冷器在內(nèi)的進氣系統(tǒng)的體積，并降低進氣壓力損失。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)為水冷設計，最小化了渦輪增壓后的進氣系統(tǒng)容積。中冷器采用了獨立于發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的低溫冷卻回路，而且采用1個電動水泵。冷卻回路控制冷卻液流量，根據(jù)發(fā)動機運行工況保持最佳冷卻效果，最小化了水泵的功耗。中冷器采用獨立于發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的低溫冷卻回路。為提高冷卻效率，改進了中冷器的內(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)。

圖25 進氣系統(tǒng)

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

圖26 改善低速響應的掃氣控制

6.2 發(fā)動機與CVT匹配開發(fā)

該渦輪增壓發(fā)動機的主要特征之一是能夠與CVT進行匹配。首先，研究了最佳CVT換檔控制及其與渦輪增壓發(fā)動機的匹配開發(fā)。

圖27示出節(jié)氣門全開(WOT)時從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，加速度實現(xiàn)了與手動變速器車輛相同的線性提升。

圖27 隨換檔控制變化的車輛加速度差異

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)動機轉(zhuǎn)速的變化。曲線A，進氣流量突然增加前，轉(zhuǎn)速達到約4000r/min，容積效率實際并無提升。這是因為如果發(fā)動機轉(zhuǎn)速與自然吸氣發(fā)動機以同樣的方式快速提高，增壓提升率與進氣量升高率相抵。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提升，通過CVT極其靈活的換檔控制性能控制發(fā)動機轉(zhuǎn)速提升量和提升率。此外，控制發(fā)動機轉(zhuǎn)速提高率也最小化了換檔慣性損失，實現(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)動機與CVT的匹配使CVT換檔控制優(yōu)化了增壓壓力響應和驅(qū)動力響應。

圖28 缸內(nèi)進氣流量的差異

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實現(xiàn)了與手動變速器相同的線性加速度，在快速加速下達到了加速度的線性和最大值響應。平穩(wěn)加速，駕駛員不會感到渦輪增壓器遲滯。

圖29 CVT和手動變速器的比較

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總傳動比小10%。離合器嚙合導致DCT起動響應延遲，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能實現(xiàn)平穩(wěn)的線性感受。

圖30 CVT和DCT的比較

除常規(guī)運行模式外，CVT還配有運動模式。如上所述，常規(guī)模式下，CVT憑借其高的低速扭矩實現(xiàn)線性加速。運動模式下，通過換檔控制改變發(fā)動機扭矩改善加速響應，實現(xiàn)非?？焖俚募铀夙憫?圖31)，如此快速的加速響應也通過提高增壓壓力實現(xiàn)。這是通過提高鎖止期間的發(fā)動機轉(zhuǎn)速、增加給定油門位置的發(fā)動機扭矩需求實現(xiàn)。此外，為改善增壓壓力響應而提高發(fā)動機轉(zhuǎn)速，換檔控制較常規(guī)模式執(zhí)行更快，進一步增強了加速響應。通過這些措施，運動模式實現(xiàn)了更為直接的加速感受，使車輛駕駛更具樂趣。

圖31 運動模式的作用

7 結(jié)語

本文描述了豐田新型1.2L小型化渦輪增壓ESTEC D-4T(8NR-FTS)發(fā)動機的硬件和軟件特性。該發(fā)動機的主要特征總結(jié)如下：

(1) 通過增強進氣流動和缸內(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)動機實現(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)動機從1500r/min開始就達到了最大扭矩。

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

(4) 通過在壓縮行程缸內(nèi)直噴使發(fā)動機立即平順重起的起?？刂?、改善發(fā)動機燃燒特性，以及采用高速比的換檔控制等，實現(xiàn)了頂級車輛的燃油經(jīng)濟性。

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

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2016-03-21)