丰田新动力热效率竟高达41%！

新浪汽车签约自媒体

发表于 2016/12/23 17:32

对于自然吸气发动机，除了日系厂商较为注重，走小排量涡轮化的欧美车厂并没有太多关注。造成欧洲主机厂的发动机的这种总体趋势的原因，一方面是为了以更低的成本达到严格的2020年排放和CO2法规，另一方面是为下一步的混合动力大规模市场化做铺垫。

日系三大厂商丰田、本田、马自达大多数车型都在坚守着自然吸气发动机，耳熟能详的有本田的地球梦、马自达的创驰蓝天技术——这些都是高热效率发动机的象征。丰田最近发布了一台名为Dynamic Force Engine的2.5升缸内直喷汽油机，它的热效率突破至41%，称之为黑科技也不足为过。

什么是发动机热效率呢？按意义来讲，就是发动机输出的机械能与燃烧燃油产生的化学能之间的比率，简单地说，就是吃了多少粮和出了多少力之间的关系。众所周知，汽车发动机是将燃料的化学能转换成机械能的机器，转换的过程中除了有热损失和机械损失。当燃烧爆发出的高温气体推动活塞运行做功时，相当一部分的热量会传到发动机的机体和缸盖上；也有通过冷却系统散发掉；还有相当一部分热能随排气排出。

机械部分的损失包括摩擦损失和运动损失，曲轴、活塞等运动机构的摩擦阻力要消耗功率，发动机四个冲程中只有一个冲程是做功的，其他三个冲程是要消耗功率的，以至于现在市面多数的自然吸气发动机热效率基本在33%-38%左右。增压发动机为了控制爆震（圧缩行程未达到点火位置，此时燃烧所产生的巨大冲击力与活塞运动的方向相反、引起发动机震动，这种现象称为爆震。），就必须降低压缩比，而且还得对点火时刻进行修整，缓和气缸燃烧工况。这么一来，燃烧效率也就随之下降,所以热效率只有36-37%左右。

这台Dynamic Force Engine是怎么做到41%的热效率呢？小编在这把丰田所运用的技术大致罗列如下：

1.该发动机使用VVT技术（可变气门正时），并实现阿特金森循环（通过一套复杂的连杆机构，使得发动机的压缩行程大于做功行程）和奥拓循环（四冲程循环）共存。丰田工程师使这台发动机进气行程气门关闭的时间延迟，一直到活塞越过下止点开始往上运行进入压缩行程之后，这样就形成了阿特金森循环。也许有读者会问为什么阿特金森循环是单单靠调整下原始进气门正时就能达成的，但为什么丰田却要说阿特金森循环是依靠VVT才能做到的？其实阿特金森循环在某些工况，例如高转速、高负荷运转和冷启动初期等，燃烧效率不如奥拓循环理想，所以还是得加入VVT技术，让它能在阿特金森和奥拓循环之间来回切换应对不同工况。VVT技术改善了发动机进气效率，使得燃料在做功行程中燃烧更加充分，从而提高发动机热效率。

2.这台发动机的压缩比达到了13，适用于混合动力版的压缩比达到了14（压缩比指的是热机燃烧室最大体积与最小体积的比例），同时采用缸内直喷技术，这有助于使用高压缩比避免爆震。而提高压缩比可以直接提高气缸的最高燃烧压力,大家知道活塞是靠燃油燃烧产生的高压来推动的,提高燃烧压力意味着对活塞的推力增大,也就是可以增大发动机的扭矩,通过扭矩的功率的关系可知,在不降低发动机转速极限的情况下,发动机功率也会增加，而消耗的燃油不变,发动机功率增加了,也就是发动机的热效率提高了。

3.这台发动机使用了废气再循环技术（在燃烧后将排出气体的一部分出并导入吸气侧使其再度吸气的技术，简称EGR），做功行程完成后，氧含量极低的废气与吸入的混合气体继续混合，使得进一步的混合气体低于大气压下的正常氧含量。这样做的原因有两点，一方面比大气更低的含氧量在燃烧时（最高）温度会降低，会抑制氮氧化物（NO x ）的产生。另一方面燃烧温度降低时，气缸与燃烧室壁面、活塞表面的热量传递会降低，这样就减少了热损失，从而提高发动机的热效率。

4. 这一台发动机的水泵、节温器都是由电池组提供能源，嵌入式微处理器（ECU）电动控制的。不熟悉发动机的读者可能有些奇怪，这有什么稀奇？要知道发动机上原有的这些部件都是机械部件，水泵是靠曲轴来带动，节温器则是根据冷却水温度高低来开启大循环给发动机降温。将它们改成电动化，有助于降低发动机本身的附件功耗以及传动过程中的机械损失，并且可以用ECU做到精确地调控这些部件。电动化附件一般来说可以给发动机的有效热效率贡献1-2个百分点。

5.除了上述的技术，丰田号称使用了“World First”的高速燃烧技术。这项技术是通过改进进气道（增宽气门夹角）和汽缸设计（更高的冲程/缸径比），加强了进气形成的滚流，这有助于直喷燃油与进气的混合，使之快速形成混合气。更均匀的混合气可以使预混合燃烧比例的增加，燃烧速度也因此有效提高。更快的燃烧过程直接意味着燃烧过程中传热损失的减小，同时燃烧也会更加充分。

说了这台Dynamic Force Engine的2.5升缸内直喷汽油机这么优点，也许有读者会问是否引入国内。这款全新的发动机将有望搭载在2017年1月在北美车展首发的全新凯美瑞之上，未来引入中国市场。小编认为一汽丰田、广汽丰田预计也将逐步导入丰田最新的动力总成技术。

国内也有研发实力雄厚的车企如长安，部分量产发动机热效率已经达到36%以上，处于中国品牌领先水平。而长安汽车的热效率水平虽说不上逆天，但与世界一级水平的高热效率只有丝毫之差，足以令中国品牌为之骄傲。相信随着国内车企加强发动机热效率的技术研究，以应在未来越来越苛刻的油耗法规达到更高的节能减排效果，这样“逆天”的发动机距离我们的并不遥远。