经常有人问我，这个发动机好还是那个发动机好？这真是个很难回答的问题，就好比问张碧晨和宁泽涛谁好一样，你能告诉我谁好吗？对于很复杂的一个综合体，评价指标非常多，个人看重点也不同，比如对发动机，我看重动力输出的流畅感，而有人看重动力输出的爆发力，我说这个发动机好，在有些人看来就是瞎说，所以评价好与不好，一要站在相同维度比较，二要清楚每个人喜欢的好不尽相同。
今天的这篇文章，我们讲技术多一点，而且是最前沿的技术，争取让大家站在更高的维度去看一款发动机，多一点汽车知识，好与不好留给大家自己去评价。前几天去东京，参观了台场对公众开放的丰田城市展厅，有幸捕捉到一台A25A发动机实物，就是国内即将上市第八代凯美瑞的2.5L发动机。这台机一面世就很轰动，因为全球热效率最高，汽油版和混动版分别达40%和41%。相比七代凯美瑞发动机36%的热效率，算是惊天进步吧。毕竟，内燃机热效率的提升就好比百米赛跑的数据提升，那是在临近极限上玩再突破的游戏，每提升1%都是创举。
丰田一下子拔升了4%之多，其实没有一项技术是让人脑洞大开的，哪些是脑洞大开的技术呢？比如通用汽车最早提出的HCCI汽油压燃技术，英菲尼迪去年发布的VC-T可变压缩比技术等，都非常新颖，但这些技术都是昙花一现，使用环境的局限性很大。观察丰田展厅解剖开的A25A发动机，其所用技术，基本属于各部分优化再优化的结果，是积沙成塔集腋成裘的“小”技术，有点苦行僧的味道，但这也符合丰田更喜欢成熟可靠技术的性格吧。
对于这台发动机，我们从外往内看，丰田的思路是，首先要把普通发动机的系统损耗降到最低，比如常规发动机皮带驱动的水泵，换成了电控水泵，在发动机冷机时避免了水泵消耗发动机动力引起的能量浪费。还把普通发动机所用“定排量”机油泵，改成连续可变排量式，说的好理解一点，就好比手机屏幕具有了自动亮度调节功能一样，让固定排量的机油泵具备了按需供油的“智能”，这是丰田在旗下车型首次使用的新技术，以上改变都能减少发动机内部损耗，提升热效率，从而降低油耗。
热效率高能带给消费者什么好处呢？那就是相同油耗情况下，动力输出更强，或者动力输出相同时，油耗可以更低。丰田解释，这台发动机热效率之所以超高的主因，在于燃烧控制技术，从发动机解剖开的汽缸盖部分，我们看到，丰田工程师在进气口刻意设置了一个反向倒角，它扰乱了正常的平滑进气，但因此产生了N多个气流涡旋，好比在进气口制造了龙卷风发生器一样（术语说就是“进气湍流比”比普通发动机高了一倍），这些高速窜动的气流把汽油瞬间粉碎成分子状态，因此每一滴汽油都会完全燃烧，毫不浪费，这也是A25A发动机可以用更低油耗榨出更强动力的原因之一。
汽油喷入A25A发动机的方式也有点特别，使用的是D-4S技术，也就是进气管喷油和缸内直喷相结合的双喷射。因为每种喷射方式都有自己的优势和弊端，比如进气管喷射优势是空气和汽油混合更充分，低温低转速下燃烧效果好，弊端是汽油浪费和HC排放较高；而缸内直喷的优势是精确控制喷油量，相对更节油，弊端是低温时汽油混合不均匀，颗粒物排放较高，甚至会产生积碳。既然很难两全，丰田干脆两种喷油方式一起用，直喷和进气管喷射择机工作，优势互补，起到兼顾省油减排和减少积碳的目的。双喷射技术其实对于动力提升并没有明显增益，而且会使控制系统变得更复杂，软硬件成本较高，目前应用的车厂并不多。
从发动机上标出的技术看点来看，这台A25A发动机进排气门使用了双VVT-i可变气门正时技术，不同的是，进气门控制技术叫VVT-iE，多了一个E意味着它是更先进的电子控制式，而不是以前的机械油压控制式，控制精度自然高了许多。这一技术两年前早先用在雷克萨斯LS600h的发动机上，如今逐步普及到中小排量发动机。
在贴着“VVT-iE”标签的上方，我们看到一项新技术，英语直译过来是“凹面R型轮廓凸轮”，这一技术丰田暂时没有官方解读。小编电话了汽车发动机专家，得出结论，凸轮轴上的凸轮本来呈外凸A字型，现在丰田把一侧设计成凹面呈R字型，作用是加快了气门关闭时间。具体好处，大家可以想象一下转几圈才能关闭的水龙头及压一下就能关闭的水龙头，肯定是后者效率更高，浪费水更少，而R字型凹面设计的凸轮轴，就能快速关闭气门，防止进入气缸内的空气反吐，从而提高充气效率，对热效率提升也有帮助。
提到充气效率，这里有必要说一下这台发动机的水冷式EGR技术。大家从后面看这台A25A四缸发动机，会奇怪怎么有5条排气歧管。其实4条是连在三元催化器之前，是真正的排气歧管，还有一条连在三元催化器之后，然后再次迂回到汽缸盖里面，这一条是ERG（废气再循环）通道。这里先插入EGR的作用，它让燃烧完的废气再次进入气缸，因为废气中已经没有了氧气，所以和正常空气混合后就稀释了氧浓度，但进气量没有减少，即保证了足够膨胀压力，在发动机中等转速的时候可以降低油耗。
EGR管道通向汽缸盖的用意，是借助那里的冷却水对废气降温，然后再经过电子控制EGR阀门注入进气管。市面上大多数EGR系统是空气冷却，弊端是废气温度太高，结果把新鲜进来的正常空气加热了，导致空气密度稀疏影响充气效率。而水冷式EGR设计，很好地抑制了上述弊端，这对提高发动机热效率、降低排放都有好处。
老司机应该知道，发动机中修或者大修，必不可少的一件事是气门研磨，就是让气门和气门座之间贴合紧密，不容得有丝毫缝隙，因为气门和气门座处在高温、高强度击打和高腐蚀环境中工作，很多发动机加速无力就是由气门座磨损或变形引起。丰田这款A25A发动机，上面特意标出“激光熔覆气门座”，意思是用激光熔覆技术打造的气门座，如果学过材料工艺可能懂，激光熔覆处理的金属表面，具有耐磨、耐热、耐腐蚀、抗氧化等特点，普通钢材经过激光熔覆工艺之后，耐磨性能通常可以提升20倍左右，难怪丰田在这里显著标出来。
其实发动机热效率的提升，是个系统工程，提升的途径，每个发动机研发工程师都懂，问题是一点一点、锱铢必较式的改进，最终结果是花费不菲却只提升了毫不起眼的一个数值，不是每家车厂都愿意去做，也只有丰田、马自达、本田这些比较轴，或者说比较有匠心精神的车厂愿意去钻研。以上只是通过局部解剖能展示的个别技术，我相信丰田A25A发动机有看点的技术不止这些，随着这款发动机搭载于八代凯美瑞上市，相信会有更多技术浮出水面，届时继续为大家介绍。
凯美瑞混动，41%热效率的秘密
王星炜Steven
最近朋友问起能否给介绍一下混动版凯美瑞的技术细节。说到凯美瑞混动，就肯定要提一下那款Dynamic Force Engine 2.5L直列四缸发动机啦。因为它结合丰田混合动力系统THS达到了惊人的41%热效率。一起随着小星来了解以下背后的秘密吧。
↑凯美瑞使用Dynamic Force Engine 2.5L直列四缸高效发动机（来自丰田）
凯美瑞使用Dynamic Force Engine 2.5L直列四缸发动机最大的优势就是：
1。 业界领先的发动机热效率带来更低的油耗
传统发动机40%，混合动力发动机41%热效率。
2。 更高的发动机性能
a） 更高升功率—60kW/L
b） 更高扭矩
c） 高快响应
↑汽车能量损耗分布情况（来自美国能源部数据）
而41%的热效率是个什么样的水平呢？如上来自美国能源部数据，汽车能量损耗主要来自发动机的热损耗58~62%。包括发动机缸体和冷却系统及排气系统所带来的热损耗。而其他损耗包括4~6%的附件损耗（水泵和发电机）和5~6%的驱动系损耗。汽油发动机的热效率极限一般在38%左右，柴油发动机热效率极限一般在42%左右。丰田Dynamic Force Engine 2.5L发动机传动动力40%和混合动力41%热效率已经达到了柴油发动机的极限。
↑丰田新一代Dynamic Force Engine高效发动机参数对比示意图（来自丰田）
发动机的主要热损失来自于3个方面-机械损失、排气热损失、冷却热损失。剩余用于输出的能量越多，其热效率就越高。由如下丰田发动机技术演进对比可见，降低摩擦损耗、阿特金森循环爆震削减、低温燃烧和快速燃烧是热效率不断提高的主要推动力。其中发动机热效率从34%逐渐提升到38.5%，主要依托冷却废气再循环技术（Cooled EGR）。而最终让发动机效率推至40%以上的秘密则是快速燃烧技术Fast Combustion。
↑丰田高效发动机技术演进对比示意图（来自丰田SAE论文）
快速燃烧Fast Combustion
快速燃烧技术的核心是通过如下技术提高油气混合气的紊流程度（Tumble Rate）。
1。 长冲程Long Stroke
在高冲程缸径比（Stroke/Bore Ratio）1.2的前提下，使用更长的冲程
2。 更直的进气道
3。 更宽的进气阀与排气阀夹角
4。 进排气阀门激光表面处理密封技术
5。 D-4S双喷射系统与新一代多孔喷射器的结合
获得更好的燃油雾化效果
↑Dynamic Force Engine发动机冷却废气再循环系统（来自丰田SAE论文）
高度电子化
1。 使用VVT-iE技术
控制进气阀晚关灵活进入阿特金森循环
2。 使用电子水泵
3。 使用电子节温器
4。 使用可变流量机油泵
5。 使用大流量的冷却废气再循环Cooled EGR系统
↑丰田TNGA车型平台发动机性能和效率对比图（来自丰田）
凯美瑞作为丰田集团的当家车型，率先使用了丰田TNGA车型平台和Dynamic Force Engine高效发动机。它也充分体现了TNGA车型平台的理念—更低油耗和更高性能
1。 改善最大热效率（更深色部分）
2。 拓宽高燃油经济区范围（更宽的浅色部分）
3。 改善发动机扭矩（上部红色曲线）
4。 更好的使用高效区间
用新一代AT和CVT变速箱覆盖更多发动机高效区间
用新一代THS混动变速箱将发动机保持在最大热效率区间
5。 更快响应和控制特性
相关Dynamic Force Engine发动机技术介绍视频
https：//v.qq.com/x/page/z0529z88g34.html
Dynamic Force Engine混合动力发动机相比传统动力具有更高的41%热效率其秘密就是如下提到的混合动力系统。
凯美瑞混合动力系统包括Dynamic Force Engine 2.5L直列四缸汽油发动机、锂离子和镍氢混合动力电池组、功率控制单元PCU和横置混合动力变速箱。
↑凯美瑞混动动力总成组成示意图（来自丰田）
由如下凯美瑞Dynamic Force Engine 2.5L发动机传统动力和混合动力参数对比可以看到。传统动力具有更高的输出性能，功率为151kW要高于混动动力版本的130kW。但在牺牲些许性能的同时，混合动力版本的压缩比更高，达到14要高于传统动力版本的13。从而换取了更高的发动机效率。而牺牲的性能部分，则由双电机的混合动力系统THS进行补充。
↑凯美瑞传统发动机和混合动力发动机参数对比（来自丰田）
混合动力系统帮助汽油发动机获得更高热效率的机理
如下如通用汽车发动机效率对比图所示，在P-V曲线图中包含面积越大则发动机效率越高。蓝色传统汽油奥拓循环所示，其面积相对较小。
黑色传统柴油发动机循环则天生可以包含更大的面积，拥有更高得效率。特别是左侧区间。红色混合动力曲线在右侧多出一个三角形的面积，来自灵活的阿特金斯循环模式切换。
而混合动力还能补足汽油发动机的左侧能效区间，从而达到甚至超越柴油发动机的热效率。
↑通过混合动力技术提高发动机效率P-V曲线（来自通用汽车官网）
综上所述，凯美瑞作为丰田集团的当家车型，使用了丰田TNGA车型平台和Dynamic Force Engine高效发动机。它也充分体现了TNGA车型平台的理念—更低油耗和更高性能。其核心技术之一为快速燃烧技术。同时通过新一代混合动力系统THS的帮助，Dynamic Force Engine发动机的混合动力版本要比传统动力版本拥有更高的热效率，达到了业界领先的41%。
参考文献与扩展阅读：
SAE论文 SAE 2015-01-1254 实现混合动力汽车用发动机40%热效率的内燃系统开发 Combustion Development to Achieve Engine Thermal Efficiency of 40% for Hybrid Vehicles
SAE论文 SAE 2015-01-1896实现汽油发动机45%热效率的发动机技术Engine Technologies for Achieving 45% Thermal Efficiency of S.I。 Engine
SAE论文 SAE 2017-01-1021新一代丰田直列四缸2.5L汽油发动机The New Toyota Inline 4-Cylinder 2.5L Gasoline Engine
本文来自微信公众号“汽车工程师之家”
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