撰文/N.E.S 张凯

41%热效率掀翻“一箱油浪费2/3”魔咒

撰文/N.E.S 张凯

“跑空一箱油，实际有2/3都做了无用功”，这就相当于这台发动机的热效率为33.3%。

对于传统汽油发动机而言，33.3%已经是一个相对很高的燃烧热量比。然而在新能源汽车领域，以丰田、本田为代表的日系混动，发动机热效率已经分别达到39%、40%。最近，北美车展首发的全新凯美瑞搭载Dynamic Force Engine的2.5升缸内直喷汽油机，其热效率攀升至41%，这款被称之为黑科技的发动机到底有什么过人之处？

达成高热效率难不难？理论不难，应用难

热效率指的是热机做的有用功占燃料完全燃烧放出热量的比例。对于内燃机而言，无法避免能量的损耗，工程师的目标就是设法将能量的损耗降到最低。具体到汽油发动机上说，即在做功行程中尽量加大燃料内能转换为动能的效率。它的提高对降低油耗、排放具有很大作用。对于消费者而言，可以理解为比值越高发动机越有劲，同时油耗、排放更低。还有一点，在热效率方面，柴油发动机一向比汽油发动机做得好，这也正是由于柴油发动机的高压缩比。但对于汽油发动机而言，明显不能生搬硬套柴油发动机的结构来提升热效率。

汽油发动机如何实现高热效率：

1高压缩比

2直喷

3大量EGR

4阿特金森（米勒）循环

这些理论其实都是已经被剖析的非常透彻，难点是如何把他们应用到量产发动机上。有些时候为了提升0.05%的热效率可能需要做数个月的实验来寻求最优方案，以保证一部分零件的变化不会干涉其他零件的稳定性，而且经常会出现台架上的理论值放到整车上后完全达不到预期的情况。

41%热效率如何做到？

名为“Dynamic Force Engin”的直列四缸2.5L直喷发动机，通过采用高速燃烧技术、可变控制系统，并减少排气、冷却、机械运转等各类能量损失，在热效率提升的同时实现了高动力输出。汽油车发动机及混合动力车(HEV)发动机的热效率分别达到了40%和41%。

从丰田官方给出的数据来看，首先通过加快发动机的燃烧速度来提高EGR极限值，为了提高燃烧速度，就要保证气缸内有理想的气体流动，于是工程师把气缸内的滚流比（活塞运动方向的涡流强度与轴向涡流强度之比）从之前的2.1提高到了现在的 2.8 。另外，工程师还改变了进气口形状，进气后就可以形成垂直方向的涡流。改进后的发动机，在转速为2000rpm时的压缩行程中，缸内气体的平均湍流速度由原来的2.5m/s提高到了3.4m/s，降低了吸气压力损失，从而实现了快速燃烧。

配气机构方面，这台2.5L自然吸气发动机使用了进、排气门双可变正时技术，并且在进气端使用VVT-ie（电控可变气门正时技术）。相比排气侧油压控制而言，电控系统反应速度更快、控制精度也更高。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。

除了发动机部分，工程师还为这台发动机匹配了全新变速箱，未来使用这台发动机的前驱车型将搭配改款升级的8速自动变速箱。新变速箱能够降低齿面摩擦系数，从而减少齿轮咬合时的能量损失，对离合器则优化内部摩擦材料形状，还在加宽齿轮的同时新开发出高性能小型变矩器，并拓宽了锁止范围。官方公布的数据显示，与原有爱信6速自动变速箱相比，全新变速箱损耗降低约50%。

为什么丰田要说阿特金森循环依靠VVT才能做到？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，燃烧效率不如奥托循环理想，而VVT技术让它能在阿特金森和奥托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。

回顾过去两年，丰田、本田、马自达这些日系品牌纷纷专注于传统发动机热效率的提升，也就有了热效率达到41%的汽油机。当然，其他车企并不会让丰田一家独大，马自达还掌握着使用压燃汽油发动机的第二代创驰蓝天技术，善于突破技术极限的本田技研怀里藏着HLSI，它们可都不是善茬，这场好戏刚刚开始。虽然目前距离实现这个目标还有很多问题，但丰田目前推出的这一系列全新的自然吸气发动机，在给竞争对手带来压力的同时，无疑也坚定了“自吸粉”们的信念。