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(fā)動機的熱效率為33.3%。

對于傳統(tǒng)汽油發(fā)動機而言，33.3%已經(jīng)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(fā)動機熱效率已經(jīng)分別達到39%、40%。最近，北美車展首發(fā)的全新凱美瑞搭載Dynamic Force Engine的2.5升缸內(nèi)直噴汽油機，其熱效率攀升至41%，這款被稱之為黑科技的發(fā)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(nèi)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(fā)動機上說，即在做功行程中盡量加大燃料內(nèi)能轉(zhuǎn)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(fā)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(fā)動機一向比汽油發(fā)動機做得好，這也正是由于柴油發(fā)動機的高壓縮比。但對于汽油發(fā)動機而言，明顯不能生搬硬套柴油發(fā)動機的結構來提升熱效率。

汽油發(fā)動機如何實現(xiàn)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(huán)

這些理論其實都是已經(jīng)被剖析的非常透徹，難點是如何把他們應用到量產(chǎn)發(fā)動機上。有些時候為了提升0.05%的熱效率可能需要做數(shù)個月的實驗來尋求最優(yōu)方案，以保證一部分零件的變化不會干涉其他零件的穩(wěn)定性，而且經(jīng)常會出現(xiàn)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(fā)動機，通過采用高速燃燒技術、可變控制系統(tǒng)，并減少排氣、冷卻、機械運轉(zhuǎn)等各類能量損失，在熱效率提升的同時實現(xiàn)了高動力輸出。汽油車發(fā)動機及混合動力車(HEV)發(fā)動機的熱效率分別達到了40%和41%。

從豐田官方給出的數(shù)據(jù)來看，首先通過加快發(fā)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(nèi)有理想的氣體流動，于是工程師把氣缸內(nèi)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(xiàn)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(fā)動機，在轉(zhuǎn)速為2000rpm時的壓縮行程中，缸內(nèi)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(xiàn)了快速燃燒。

配氣機構方面，這臺2.5L自然吸氣發(fā)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(tǒng)反應速度更快、控制精度也更高。豐田工程師使這臺發(fā)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(huán)。

除了發(fā)動機部分，工程師還為這臺發(fā)動機匹配了全新變速箱，未來使用這臺發(fā)動機的前驅(qū)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(shù)，從而減少齒輪咬合時的能量損失，對離合器則優(yōu)化內(nèi)部摩擦材料形狀，還在加寬齒輪的同時新開發(fā)出高性能小型變矩器，并拓寬了鎖止范圍。官方公布的數(shù)據(jù)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(huán)依靠VVT才能做到？其實，阿特金森循環(huán)在某些工況，例如高轉(zhuǎn)速、高負荷運轉(zhuǎn)和冷啟動初期等，燃燒效率不如奧托循環(huán)理想，而VVT技術讓它能在阿特金森和奧托循環(huán)之間來回切換應對不同工況。VVT技術改善了發(fā)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(fā)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(tǒng)發(fā)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(fā)動機的第二代創(chuàng)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(xiàn)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(fā)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。