41%熱效率掀翻“一箱油浪費2/3”魔咒

撰文/N.E.S 張凱

41%熱效率掀翻“一箱油浪費2/3”魔咒

撰文/N.E.S 張凱

“跑空一箱油，實際有2/3都做了無用功”，這就相當于這臺發動機的熱效率為33.3%。

對于傳統汽油發動機而言，33.3%已經是一個相對很高的燃燒熱量比。然而在新能源汽車領域，以豐田、本田為代表的日系混動，發動機熱效率已經分別達到39%、40%。最近，北美車展首發的全新凱美瑞搭載Dynamic Force Engine的2.5升缸內直噴汽油機，其熱效率攀升至41%，這款被稱之為黑科技的發動機到底有什么過人之處？

達成高熱效率難不難？理論不難，應用難

熱效率指的是熱機做的有用功占燃料完全燃燒放出熱量的比例。對于內燃機而言，無法避免能量的損耗，工程師的目標就是設法將能量的損耗降到最低。具體到汽油發動機上說，即在做功行程中盡量加大燃料內能轉換為動能的效率。它的提高對降低油耗、排放具有很大作用。對于消費者而言，可以理解為比值越高發動機越有勁，同時油耗、排放更低。還有一點，在熱效率方面，柴油發動機一向比汽油發動機做得好，這也正是由于柴油發動機的高壓縮比。但對于汽油發動機而言，明顯不能生搬硬套柴油發動機的結構來提升熱效率。

汽油發動機如何實現高熱效率：

1高壓縮比

2直噴

3大量EGR

4阿特金森（米勒）循環

這些理論其實都是已經被剖析的非常透徹，難點是如何把他們應用到量產發動機上。有些時候為了提升0.05%的熱效率可能需要做數個月的實驗來尋求最優方案，以保證一部分零件的變化不會干涉其他零件的穩定性，而且經常會出現臺架上的理論值放到整車上后完全達不到預期的情況。

41%熱效率如何做到？

名為“Dynamic Force Engin”的直列四缸2.5L直噴發動機，通過采用高速燃燒技術、可變控制系統，并減少排氣、冷卻、機械運轉等各類能量損失，在熱效率提升的同時實現了高動力輸出。汽油車發動機及混合動力車(HEV)發動機的熱效率分別達到了40%和41%。

從豐田官方給出的數據來看，首先通過加快發動機的燃燒速度來提高EGR極限值，為了提高燃燒速度，就要保證氣缸內有理想的氣體流動，于是工程師把氣缸內的滾流比（活塞運動方向的渦流強度與軸向渦流強度之比）從之前的2.1提高到了現在的 2.8 。另外，工程師還改變了進氣口形狀，進氣后就可以形成垂直方向的渦流。改進后的發動機，在轉速為2000rpm時的壓縮行程中，缸內氣體的平均湍流速度由原來的2.5m/s提高到了3.4m/s，降低了吸氣壓力損失，從而實現了快速燃燒。

配氣機構方面，這臺2.5L自然吸氣發動機使用了進、排氣門雙可變正時技術，并且在進氣端使用VVT-ie（電控可變氣門正時技術）。相比排氣側油壓控制而言，電控系統反應速度更快、控制精度也更高。豐田工程師使這臺發動機進氣行程氣門關閉的時間延遲，一直到活塞越過下止點開始往上運行進入壓縮行程之后，這樣就形成了阿特金森循環。

除了發動機部分，工程師還為這臺發動機匹配了全新變速箱，未來使用這臺發動機的前驅車型將搭配改款升級的8速自動變速箱。新變速箱能夠降低齒面摩擦系數，從而減少齒輪咬合時的能量損失，對離合器則優化內部摩擦材料形狀，還在加寬齒輪的同時新開發出高性能小型變矩器，并拓寬了鎖止范圍。官方公布的數據顯示，與原有愛信6速自動變速箱相比，全新變速箱損耗降低約50%。

為什么豐田要說阿特金森循環依靠VVT才能做到？其實，阿特金森循環在某些工況，例如高轉速、高負荷運轉和冷啟動初期等，燃燒效率不如奧托循環理想，而VVT技術讓它能在阿特金森和奧托循環之間來回切換應對不同工況。VVT技術改善了發動機進氣效率，使得燃料在做功行程中燃燒更加充分，從而提高發動機熱效率。

回顧過去兩年，豐田、本田、馬自達這些日系品牌紛紛專注于傳統發動機熱效率的提升，也就有了熱效率達到41%的汽油機。當然，其他車企并不會讓豐田一家獨大，馬自達還掌握著使用壓燃汽油發動機的第二代創馳藍天技術，善于突破技術極限的本田技研懷里藏著HLSI，它們可都不是善茬，這場好戲剛剛開始。雖然目前距離實現這個目標還有很多問題，但豐田目前推出的這一系列全新的自然吸氣發動機，在給競爭對手帶來壓力的同時，無疑也堅定了“自吸粉”們的信念。