2018年12月22日 | 40%热效率是怎样炼成的？丰田Dynamic Force Engine技术解读

如果你到丰田的4S店，流露出对凯美瑞、C-HR或奕泽有点意向时，销售精英们几乎都会向你灌输“丰田全新TNGA全球模块化平台”、“全球最高40%热效率发动机”等术语，一时间，无论在市场上还是网络上，这台最大热效率达40%的丰田Dynamic Force Engine（喷气流控发动机），在人们还未摸到它之前就先火了一把。

丰田跟马自达一样，对发动机热效率均有执着追求。一年半前我的专栏文章 浅谈丰田全新雷凌/卡罗拉1.2L D4-T发动机 里谈及的丰田1.2T涡轮增压发动机，热效率经已达到了36.2%，在当时的涡轮增压发动机阵营里处于顶尖水平，但仍小幅落后于丰田同期的1.3L和1.5L自吸发动机38%的热效率。这副1.2T发动机后来被广泛搭载于丰田最走量的卡罗拉/雷凌车系之上。

直至丰田大打热效率这手牌开始，人们才开始对热效率关注起来，并试图进行横向对比。但是，丰田4S店的销售精英绝对不会花时间跟你长篇大论去解释热效率到底指的是什么，更不可能跟你说丰田为了实现它做了些什么。

发动机热效率，又称“发动机有效效率”，是指发动机有效功率的热当量与单位时间所消耗燃料的含热量的比值，用以评定发动机作为热机的经济性。书面上的解释有点不那么通俗，简单地说，热效率就是燃料燃烧后被发动机有效利用并转化为动能的能量，跟燃料能量的之比。

一般汽油发动机的热效率仅为30%左右，其余70%的燃烧能量都被浪费掉。被浪费掉的能量包括：机械阻力损耗、泵损耗、排气损耗、冷却损耗和未燃损耗。这些损耗占燃料热能的比例可大致参考下图。

发动机工程师们认为，只要能利用到浪费掉的70%热能中哪怕很小的一部分，发动机的燃油经济性就会有极大的改善。其实目前自吸发动机还大有潜力可挖，就看如何合理地对发动机进行设计。 各大汽车制造商都在寻求提升汽油机燃效的方法，只有把汽油的能量尽可能多地用于推动汽车工作，内燃机才能在日益严苛的排放法规下，在可持续发展的道路上继续走下去。出现了两条技术路线，一个是采用涡轮增压，另一个则是混合动力。这两条技术路线的共同点是：都在发动机外部寻求较复杂的解决方案。而丰田作为全球混合动力技术的领先者，除研发混合动力技术以外，同时也致力于提高发动机本身（发动机内部）的热效率。

为什么丰田A级级别的车型上做了一个1.2T涡轮增压发动机之后，再次返回自然吸气的怀抱，做出了这个40%热效率2.0L直列四缸自然吸气发动机？难道真的对比涡轮增压，自吸才是皇道？

当然两种发动机形式都有其优缺点。小排量涡轮增压发动机通过涡轮增压能提升进气效率，实现小排量大动力的效果立竿见影。但涡轮增压发动机增加的涡轮及其冷却系统、强化的发动机主要零件、还有冷却压缩空气的中冷器，都会增加重量和成本，不利于效率的提升和可靠性。

困扰涡轮增压的另外一个问题是爆震。涡轮增压发动机进气压力较高，当发动机进入到压缩冲程时，高压气体很容易在火花塞未点火前使汽油自燃，相比自然吸气发动机更容易产生爆震。为了抑制发动机爆震现象的发生，增压发动机的压缩比一般低于自然吸气发动机。为了抵制爆震，达到更好的动力输出，涡轮增压发动机普遍需要“食用”比自然吸气更高标号的汽油，这无形中增加了车主的用车成本。虽然高压缩比自吸发动机同样虽然面对爆震的问题，但丰田这次坚持走在自吸的路上，通过新技术和新设计来完美地综合解决了问题，使燃效达到了巅峰。难能可贵的是，丰田2.0L喷气流控发动机只需“进食粗粮”，91号或以上汽油就可以满足它的胃口，还“吃得少，跑得多”。

提升自然吸气发动机的热效率，一般来说可从以下几方面着手：

优化设计的燃油喷射系统；优化的进排气道设计；更合理的单缸设计带来更理想的燃烧；更高的压缩比；优化设计的进排气可变气门正时；降低机械摩擦阻力；

丰田这次是怎么做的，请大家继续往下看~

丰田TNGA是一个完整的架构平台，TNGA发动机是整个TNGA平台重要一环，丰田全新2.0L Dynamic Force Engine发动机除了搭载了旗下VVT-iE马达驱动可变气门正时系统（进气侧，排气侧为VVT-i），还进行了全面的重新设计，方使得这台2.0L直四发动机达到这个汽油机史上巅峰的、领先世界的40%最大热效率。Dynamic Force Engine采用了多种虽不算颠覆行业的黑科技，但所有的突破和改进整合在一起，却对发动机热效率的提升起到了显著的作用。

下面对各个技术进行分析解读：

1、D-4S双喷射系统

D-4S双喷射系统结合了直喷和电喷系统的优点。D-4S双喷射系统可于冷车或者是低负荷的时候采用歧管喷射，在需要高负荷的时候才切换至缸内直喷。相比单纯的直喷发动机，丰田D-4S结合歧管喷射加上直喷的双喷射技术能很好的避免碳氧化物的产生，同时保留节能特性。

（丰田D-4S双喷射系统示意图）

2、激光熔膜进气门座

采用激光熔膜技术为气门座镀上铜铬系合金，使得空气进入气缸的过程变得更顺滑，流速自然得到提升。

3、进/排气歧管的相对位置优化

进、排气歧管的相对位置优化，进、排气门之间的夹角由31°扩大至41°。夹角的增大使得气流在气缸内”翻滚“得更激烈；

4.更笔直的进气道与底部经全新设计的进气门

进气道的进气门底部与气缸顶部接触面的采用了全新设计的形状，剖面看起来就像一个锋利的尖角，使进气流从四周向中心集中，增强滚流效果，所产生的涡流令油气混合更均匀，带来更理想的燃烧，有助发动机稳定在高压缩比的工况下工作。

以上2、3、4多种细节处优化设计的融合使Dynamic Force Engine实现了strong tumble flow-强劲滚流。

5、缩小缸径冲程比（Bore/Stroke Ratio)

更合理的单缸设计油气混合物能更理想地燃烧。TNGA 2.0L发动机的冲程由上代2.0发动机的98mm增加至103.4mm，缸径则从90mm缩小至87.5mm。更狭长的缸体有特别是于油气混合物被火花塞引燃之后，能够在更短的时间内扩散至整个燃烧室。

跟以往日系高转性能车想方设法增大缸径冲程比的做法不同，更小的缸径冲程比，意味着冲程比缸程要大，剖面看气缸就类似一个打竖的长方形。冲程更长且缸径更小的设计，有利于提升低转速区的扭矩输出，另外还能减少热能散耗。

6、进气侧VVT-iE智能可变气门正时电子控制系统

VVT-iE 扩大调节范围的电控可变气门正时技术。此技术的亮点是使用了电机取代了以往的电磁阀来切换正时调节器的液压油路，来控制进气门的正时。优点是切换速度更快，进气门开闭响应更迅速，时机更精准并且可实现无级调节，同时调节范围也更广。这也是提升压缩比和提升燃效的重要技术之一。

（VVT-iE技术示意图）

采用VVT-iE系统后，可以从多方面提升发动机的性能。在发动机怠速运转时，可以消除气门重叠，减少废气进入进气道，从而稳定怠速转速，提高燃油经济性。在发动机低转速范围，小至中负荷时，增大气门重叠，延迟关闭进气门，增加内部 EGR，减小泵气损失，从而提高燃油经济性，改善排放控制。在发动机低至中转速范围，提前关闭进气门，提升容积效率，从而增加低至中转速范围的扭矩。在发动机高转速范围，延迟关闭进气门，提升容积效率，从而提升输出功率。在发动机温度较低时，可以消除气门重叠、减少废气进入进气道及稳定快怠速时的转速，提高燃油经济性。在发动机起动及停机时，可以为发动机起动优化气门正时控制，从而提高起动性能。

7、减少摩擦

为了减少摩擦，这台TNGA 2.0L活塞的滑动表面也经过了镜面精加工，同时还通过激光产生了较窄的十字沟槽用以提高耐磨性。

8、13：1高压缩比

丰田TNGA发动机压缩比可达13：1。包括马自达在内的许多主机厂，近年来都是大谈压缩比。压缩比是活塞做功过程中，下止点时的气缸容积跟上止点时的气缸容积之比。一般汽油发动机的压缩比为11：1左右。

为什么提高压缩比就可以提升效率呢？以弹簧为例，压缩弹簧的程度越大，产生的反弹力就越强。再以弓箭为例，弓被拉得越开，射出的箭就会越远。对于发动机来说，压缩比越高，燃烧等量的燃料，产生的动能就会越多，因此能提高发动机的燃效。压缩比越高，理论上燃效越高。主机厂都想方设法提升压缩比，但太高的压缩比会导致爆震的发生。所以在使用92号汽油的前题下，需要大幅提升压缩比，必须结合最新的燃油喷射技术和设计优秀的进排气门可变正时系统。丰田的D-4S双喷射系统和VVT-iE可变气门正时系统的加持，使这台TNGA发动机可以稳定地在国内油品的情况下达到13：1的高压缩比。

9.电子水泵

Dynamic Force Engine搭载了电子水泵以及电子调温器，更精确的控管发动机温度，让其处于最佳的工作温度来提高运转效率、降低燃油消耗。丰田将VVT-iE可变气门正时系统、可变排量机油泵等诸多控制系统整合以后，ECU能够判断当前工况下需要工作的部件，进而停用不需要的控制部件来达到节能的目的。

以上多项措施带来的效果是，型号为M20A的TNGA 2.0L发动机功率提升了18%，油耗降低了25%！搭载这台最新发动机的一汽丰田奕泽，能在6600rpm时输出126Kw/171马力的最大功率，并4800rpm时提供203牛·米的最大扭矩。驱动车重1510公斤的奕泽顶配奕炫版，百公里综合油耗仅为5.7升！一台自重1.5吨A级SUV的体量，油耗只跟一台重量1吨出头A0级两厢车相当。大概直至看到这，大家才能真切体会到40%热效率的好处吧~

难能可贵的是，这台初期还是依靠全进口MADE IN JAPAN的发动机是率先独家供应中国市场！花旗国的C-HR还用的还是老一代的VALVEMATIC 2.0L，最大功率只有可怜的144匹！作者看到这都被丰田感动到落泪了~

在保证燃油经济性的大前题下，它的动力和燃油经济性处于同级领先水平……咳咳，不好意思，简直就是越级的水平~

来一组稍为有趣的奕泽同级SUV马力重量比和百公里缩合油耗数据对比吧~

丰田新2.0L动力和油耗完爆多年前名噪一时的马自达创驰蓝天一代SKYACTIV-G 2.0L毫无悬念；历史更“悠久”的本田1.8L动力和油耗都垫底也合情合理，纵使它拥有最羽量的体重；论动力表现，比不过吉利沃尔沃未来战略三缸涡轮增压发动机再正常不过，好在车重比缤越多170kg的前题下，油耗还能扳回一城；真正丁当马头的可能是来自大众探歌的1.4T EA211，工信部油耗同为5.7L。但汽车之家的实测油耗数据与工信部油耗数据最大相差54.39%！这对于纯洁的我来说实在有点太大了，相当感人。也从一个侧面印证了小排量涡轮增压发动机面对国五NEDC工况的优秀能力，但面对国六WLTC（WLTP中国版）循环时的无能为力，油耗会显著恶化，而自然吸气发动机面对WLTP循环的恶化相对轻微许多。

奕泽的实测油耗合理，在接受范围内。并且奕泽新款国六车型百公里综合油耗仍保持跟先前国五版本车型一致的5.7L，令人惊叹。

为了达到出色的燃油经济性，丰田全新的模拟10速Direct Shift-CVT双传动变速箱同样功不可没。新变速箱结合了AT和CVT的优点，在1挡起步时采用齿轮传动，随后在2-10档切换至CVT锥带传动，很好地兼顾了直接的起步体验和起步后工况下的燃油经济性。

新变速箱更高效率的锥带传动，使同一车速下发动机的转速降低，发动机噪声自然更低。

随着本田全面转投涡轮增压和混合动力阵营，马自达即将推出类似机械增压的SKYACTIV-X第二代创驰蓝天发动机，斯巴鲁开始推行其Intelligent BOXER弱混系统，市面上纯粹的、出色的自然吸气发动机已买少见少，要坐上自吸时代的末班车，自吸粉们可要抓紧咯~