四．汽油机的小型化
现在的增压汽油机大部分是进气道喷射发动机，出于扭矩特性的缘故，有的采用
机械增压系统，但是这样一来可能的节油潜力就远远没有被充分利用。
汽油机的废气涡轮增压采用与柴油机类似的系统，调节式增压系统或两级可调式增压系统都能大大改善起步性能、加速性和燃油消耗。最近发展起来的废气涡轮增压和
机械增压相结合的两级增压系统，则充分利用了这两种不同增压方式各自的优点，明显加快了低速时增压压力的建立，大大提高了发动机的低端扭矩，进一步改善了增压汽油机的加速响应特性和燃油消耗。例如，德国大众公司Golf轿车原装用自然吸气式
2.0L-FSI直喷式汽油机（最大功率110kW，平均有效压力12.7bar）， 2005年开发出的两级增压式1.4L-TSl直喷式汽油机，虽然排量减小了30%，最大功率（125kW）却提高了13.6%，平均有效压力高达21.7bar，升功率已达到89.3kW/L，特别是具有非常丰满的扭矩特性曲线，在1 250r/min这样低的转速下扭矩就已达到了200Nm，而到1 750r/min转速时就达到了最大扭矩240Nm，并一直保持到4 500r/min这样宽广的转速范围。图10示出了这种废气涡轮增压和
机械增压相结合的两级增压系统的工作原理。机械式高速压气机由集成在水泵传动皮带轮上的一个带电磁离合器的皮带轮传动，与曲轴的速比为5:1，其最高转速可达到18 000r/min。与其并联的调节阀用来为废气
涡轮增压器提供运转工况所必需的空气量，在只有废气
涡轮增压器单级增压运转时该调节阀是打开的。
在稳态运转的情况下，只有在发动机2 400 r/min以下的转速范围内才需要接入机械式压气机运转工作，而在此期间内因废气能量不足，废气
涡轮增压器处于较低的转速状态，无法提供足够的增压压力，因此有意将其设计在高效率区运行。机械式压气机最迟到3 500r/min时就断开了，从该转速起它就相当于一个“涡流孔”，不再起增压作用，而与此同时废气
涡轮增压器就开始从倒拖状态逐渐动态过渡到全负荷运转，并单独产生所需要的增压压力，确保扭矩特性曲线的圆滑平稳过渡。图11示出的是在发动机试验台上模拟转速升高时所测得的瞬态扭矩提升曲线，这大约相当于在汽车挂3挡时的全负荷加速过程。
在没有机械式压气机辅助而由废气
涡轮增压器单级增压的情况下，大约在0.5s以后进气管中才建立起规定的压力，而扭矩目标值（100%）在大约4.8s以后才达到，并导致了扭矩提升的不连续性，使司机感觉到很不舒服。在与机械式压气机共同工作的情况下，这种运行特性的缺憾基本得到了克服。一旦机械式压气机接入工作，就有助于进气管压力的提升，因而扭矩特性曲线提升的梯度也要比在废气
涡轮增压器单级增压时陡得多，而且扭矩特性曲线的提升一直都是连续的，达到目标扭矩的时间（2.4s）比原来缩短了一半，因此这种两级
增压发动机的运转主观上感觉起来就好像是排量大得多的自然吸气发动机一样。同时，由于这种增压强化发动机的运转工况点移向更高的平均有效压力范围，因而搭载这种功率125kw的小型化汽油机的Golf GT轿车非但达到了欧IV排放标准，而且具有极低的燃油消耗。如图12所示，与同类型的传统汽油机相比，其NEFZ（标准欧洲行驶试验循环）燃油消耗只有7.2L/100km，具有非常明显的优势。
若汽油机小型化通过采用较高的增压比来提高比功率，则需要采取适当的措施来降低爆燃倾向，这样就能在整个万有特性曲线范围内普遍获得节油效果，并能降低相关零部件的热负荷。可能采取的措施有汽油直接喷射、有效的增压空气冷却以及冷却
EGR，同时针对性地组织充量运动。
增压汽油机不但需要高效的压气机，以便降低压气机的功率消耗和进气空气压缩终了的温度，从而可降低爆燃倾向，同时还需要高效的增压空气冷却器。在汽油机上采用水一空气式增压空气冷却器，它能设计得相当紧凑，从而为获得良好的响应特性创造前提条件。但是，若要达到更低的温度水平，则需要附加一个低温冷却循环回路，当然这将会增加额外的成本。
缸内汽油直接喷射由于燃油是在汽缸内部汽化的，对缸内充量起到了冷却作用，因此与增压的进气道喷射发动机相比，允许几何压缩比提高1-2个单位，这样可提高整个转速范围内的效率和平均有效压力。在较高的压缩比下运行可降低废气温度，从而降低废气涡轮或催化器的热负荷。此外，缸内汽油直接喷射还允许加大气门重叠角，所产生的扫气作用有利于降低缸内残余废气含量，增加进气空气量，从而为大喷油量工况改善雾化品质和混合气形成创造更好的前提条件。可调节的充量运动可使混合气形成更加均匀，并能提高
EGR废气的兼容性。若要更进一步利用缸内汽油直接喷射所提供的潜力，只有当喷束引导的缸内汽油直喷
分层燃烧过程能可靠和稳定运行的时候才有可能。因此，以化学计量比混合气运转是当今一段时间内汽油机小型化比较合适的方法，因为这种运转方式已能使缸内汽油直喷的基本优点大部分得到利用。至于汽缸分层充气运转方式，由于在
增压发动机上较难以实现，因而对汽油机小型化来说将是下一步的努力目标。
缸内汽油直接喷射与废气涡轮增压的组合可以获得比进气道喷射更显著的优势。如图13所示，与常规的带凸轮轴相位调节器的自然吸气汽油机相比，根据小型化程度的不同，采用进气道喷射方案增压，新欧洲行驶循环（NEFZ）试验的相对燃油消耗可降低10%-20%，而若采用缸内汽油直接喷射方案增压，则总的节油潜力最多可达到30%。
如果要进一步降低燃油消耗，就需要采用其他的可变方案才能实现，当然成本也会有所提高。其中，对我国轿车汽油机比较容易实现而成本又不至于增加太多的技术方案是凸轮轴可变相位调节。在这方面，欧洲轿车汽油机小型化为我们提供了值得借鉴的经验。
例如，Ford公司在著名的Duratec汽油机系列的基础上为Focus轿车开发出了一种新的1.6L-Duratec-Ti-VCT（双独立可变凸轮正时）汽油机，其最大的特点是装有两个相互独立工作的进排气凸轮轴相位调节器，首先使得发动机能在低部分负荷范围内无节流运转，在整个转速范围内获得了相当丰满的扭矩特性曲线，并且在低速范围内达到了大一挡排量1.8L发动机的扭矩，同时最大功率提高了约15%，达到了发动机小型化的效果。此外，可变凸轮轴相位调节还能为通过实现机内ERG和减少发动机泵吸功降低燃油消耗提供巨大的潜力。
相对于机外
EGR，借助于进排气凸轮轴相位调节器实现机内
EGR，在废气的引入和分配，以及残余废气的可调节性（首先是瞬态过渡工况）等方面具有明显的优越性。机内
EGR可使发动机在部分负荷工况无节流运行，从而减少泵吸功，而且降低了工作过程的温度，对降低发动机的原始排放和燃油消耗都非常有利。
图14表示这种新的1.6L-Duratec-Ti-VCT汽油机在发动机万有特性曲线上相对于基本机型燃油消耗的改善情况。若单独只采用Ti-VCT技术，与配气定时固定的基本型发动机相比，在NEFZ行驶试验循环中能获得4.5％的节油效果。
当然，采用减少汽缸数目进一步实现发动机小型化，在其他边界条件相同的情况下，可获得最大的节油潜力。同时应该指出，随着汽油机小型化程度的增加，由于爆燃的问题，可利用的节油潜力将越来越小。
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