5 全負(fù)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(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)動機轉(zhuǎn)速。

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。可行的應(yīng)對措施是改變氣門正時，將進氣門打開角度提前，使關(guān)閉正時設(shè)置到接近氣缸下止點（BDC），防止進氣回流（也就是完全不采用阿特金森循環(huán)），確保足夠的進氣流量。然而，因為氣門工作角度不變，這會導(dǎo)致在氣缸上止點（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(dǎo)致敲缸現(xiàn)象（圖9）。圖9中，ηvb定義為修正到環(huán)境溫度和壓力條件下的充填效率。該值對應(yīng)于節(jié)流閥全開無增壓的充填效率。

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，減少了進排氣門重疊期間相鄰氣缸的排氣倒流。然而，因成本和空間限制，當(dāng)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（240°CA變?yōu)?10°CA），從而減小進排氣重疊角度和回流脈沖。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。

發(fā)動機燃油對機油的稀釋可能導(dǎo)致低速早燃（LSPI）。為減小燃油稀釋量，采用多點噴射策略（Multiple injection），示意圖如圖10所示，在各個進氣和壓縮行程進行3次噴油（圖11），進氣行程內(nèi)2次、壓縮行程內(nèi)1次。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。

另外，在高速工況下，提高增壓壓力并不一定能提高發(fā)動機性能。較大排氣背壓和大量的殘余廢氣易導(dǎo)致敲缸現(xiàn)象，從而使點火正時延遲，排氣溫度升高。這里存在一個矛盾的地方，一方面希望進氣量大從而做工更多，要求提高增壓壓力；另一方面由于燃燒劇烈早燃爆震的問題不得不延遲點火，這樣會導(dǎo)致熱效率下降，性能下降，難以協(xié)調(diào)。因此，基于渦輪進口燃?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。這些措施確保了催化器的工作性能。

采取的其他措施包括集成排氣歧管的缸蓋、排氣冷卻、降低背壓、減少殘余廢氣，以及擴大過量空氣系數(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，并消除了回流的影響。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(shè)計得以優(yōu)化，降低了發(fā)動機在高負(fù)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14為全負(fù)荷特性。在轉(zhuǎn)速為1500rpm時 就達(dá)到了低速最大扭矩185Ｎ·ｍ，抑制發(fā)動機最大功率 85ｋＷ 時， λ ＝0．89。

注：一般來說，當(dāng)系統(tǒng)判斷油門全開時，會強制讓空燃比在過濃狀態(tài)，一般λ 設(shè)計為0.85到0.9之間，這個時候油會多噴10%到15%且不參與做工，主要起著降低燃燒溫度和提高燃燒速度作用。小排量渦輪發(fā)動機由于受到先天的排量劣勢，在急加速的時候很容易進入性能空燃比狀態(tài)，會油部分燃料不參與燃燒，油耗會增多。但是在法規(guī)工況下，中低負(fù)荷較多，小排量在低速低負(fù)荷下由于排量優(yōu)勢，油耗表現(xiàn)突出，這也就是目前世界范圍內(nèi)流行小排量渦輪增壓發(fā)動機的原因，畢竟工信部油耗還是很重要的。