我來分享一下豐田發動機40%熱效率是如何實現的：

最新的2019年沃德十佳發動機中本田2.0L阿特金森迴圈發動機和豐田2.0L自然吸氣發動機攜混合動力系統雙雙獲獎。在多年的渦輪增壓小型化以後讓自然吸氣混動發動機重回主流。（圖1）

其中豐田最新的2.5L 和2.0L Dynamic Force Engine發動機，採用阿特金森迴圈，混合動力版本熱效率能夠達到41%（圖2-圖4），即使非非混動的普通版本也可以實現40%的最高熱效率（圖5），是當今量產發動機裡面最高的熱效率的發動機（圖2）。我們來看一下豐田是如何實現40%熱效率的：

一、為何豐田要選擇自然吸氣搭配混合動力

其實採用了簡單高效的自吸發動機搭配混合動力系統這已經成為趨勢。這主要是以下原因：

1.自吸發動機熱效率高

混合動力發動機由於有電機的幫助，原來增壓發動機帶來的高效能，快速響應，低速扭矩等效能已經不需要了，全部交給電機來完成。因此發動機的設計只需要考慮最高效率點執行，而自然吸氣發動機由於摩擦更低可以在固定點實現非常高的熱效率。

2.自吸發動機簡單可靠成本低

自然吸氣發動機由於沒有複雜的渦輪增壓系統，這樣就不需要增壓器，中冷器和相關管路，機油冷卻，增壓器冷卻管路。由於最高效能不高，因此各種結構件的材料和強度相比增壓發動機也要低很多。

由於零件少，因此和增壓發動機的成本相比具有非常明顯的優勢。這些降低的成本正好可以彌補一部分混合動力增加的電機和電池的成本，使混動車型的價格不會增加太多。

二、豐田Dynamic Force Engine的40%熱效率是如何實現的

豐田的技術方案主要體現在三個方面：先進燃燒系統，降低摩擦，最佳化冷卻。下邊我們分別來看一下

（一）先進的燃燒系統

豐田採用了當今最先進的自然吸氣燃燒系統。

1.阿特金森迴圈

為了實現40%的熱效率，豐田燃燒系統的核心是採用了阿特金森迴圈。簡單的說就是採用進氣門晚關的方法，把進入汽缸的空氣再壓回進氣管一部分，這樣有兩個好處：

（1）部分負荷下可以顯著降低泵氣損失。

（2）給活塞加速做功的衝程就長於實際用於壓縮的衝程，也就是膨脹比大於壓縮比，所以熱效率會比較高。

基於阿特金森迴圈，豐田選擇了高達13的壓縮比（混合動力版本壓縮比14，功率略有降低）。

2.電動進氣VVT

豐田在進氣凸輪軸上採用了電動VVT。排氣保持原來的液壓驅動VVT來降低成本。主要是阿特金森迴圈需要電動寬角度調節的可變氣門正時系統VVT的支援，這樣可以實現快速的VVT調節，滿足進氣門晚關策略的實現。

3.高速燃燒系統和冷卻EGR

為了保證阿特金森迴圈的燃燒穩定性和熱效率，豐田採用了高速燃燒系統。為了加快燃燒速度，需要儘量提高進氣滾流，也就是加快進氣在缸內運動的速度，使油氣混合更快，更均勻，燃燒速度也就更快。（圖3）

（1）鐳射塗附的氣門座圈

為了實現高滾流氣道，豐田採用了先進鐳射塗附的氣門座圈工藝，大大減小了傳統壓入式氣門座圈佔用的寶貴進氣道入口空間，留出更多空間給氣門來進氣，從而實現高滾流。同時，這種工藝還提高了座圈的耐磨程度和適應全球不同油品的能力。（圖4）

（2）高EGR率

EGR就是廢氣再迴圈，將一部分排氣中廢氣重新引入汽缸內部參與燃燒，這樣可以降低小負荷時的泵氣損失，降低燃燒溫度。但是過大的EGR率會引起燃燒不穩定，豐田設計的高滾流和快速的燃燒系統可以容納更大的EGR率，Dynamic Force Engine的EGR率最高可以達到25%，這是非常高的水平了，可以進一步降低油耗。

由於排溫比較高，EGR廢氣返回進氣管時需要冷卻，豐田讓EGR通道穿過缸蓋後端，透過缸蓋的水套冷卻EGR。（圖5）

4.雙噴射系統

Dynamic Force Engine採用了豐田的雙噴射系統。也就是每個氣缸有兩個噴嘴，一個GDI直噴噴嘴加一個PFI氣道噴射噴嘴。基本控制策略是：在小負荷時採用氣道噴射噴嘴，在大負荷時採用GDI直噴噴嘴，中間負荷兩種噴嘴共同工作。雙噴射系統主要的目的有兩個：

（1）降低顆粒物排放

由於直噴系統雖然高速高負荷效率更高但是會產生顆粒物排放。因此，增加一個PFI氣道噴射噴嘴在低負荷工作，就可以避免顆粒物排放了。

（2）降低油耗

在小負荷PFI氣道噴射噴嘴工作時，高壓噴射系統不工作，高壓油泵需要保持非常低的氣道噴射供油壓力即可，因此阻力會降低，有利於降低油耗。

（二）降低摩擦

1.低摩擦活塞設計

為了降低摩擦阻力，豐田在活塞上裙部上加工了特殊的交叉溝槽，採用了特殊樹脂塗層塗附在溝槽位置來降低摩擦。

2.連續可變機油泵

為了降低潤滑系統的阻力，豐田在採用了基於MAP控制的連續可變排量機油泵，這種設計可以在低速低負荷採用低油壓來降低機油泵驅動阻力，提高效率，在高速高負荷採用好油壓來保證潤滑。（圖6）

（三）最佳化冷卻系統

1.高效的垂直流動的冷卻系統

為了降低水泵的負荷，同時保證冷卻效果，豐田把傳統的水平流動的的冷卻系統改成了垂直流動的冷卻系統。同時在缸體水套排氣側增加了一個特殊的水套隔板WJS來改善水流分佈，使缸體上部接近燃燒室部位得到更好的冷卻，從而降低爆震的風險。（圖7）

2.電子水泵

為了降低冷卻系統的阻力，豐田設計了電子水泵來取代傳統的機械水泵。同時，電子水泵還可以靈活控制冷卻流量來控制發動機的溫度，加快發動機暖機，進一步降低油耗。

3.整合式排氣管

為了提高大負荷下的熱效率，必須降低大負荷下排氣溫度。豐田設計了整合式排氣管將排氣管整合在缸蓋上，利用缸蓋的冷卻水來降低排氣的溫度。（圖8）這樣有兩個好處：

（1）排氣能量被冷卻系統帶走，加快了發動機的暖機過程，有助於進一步降低油耗和排放

（2）排氣溫度能夠大幅度降低，從而減小催化器溫度保護加濃的區域，改善高速大負荷時的效率。

總結一下，豐田幾乎把目前自然吸氣發動機最新的成果都整合在了Dynamic Force Engine上，尤其在燃燒系統方面將阿特金森迴圈和高速燃燒系統結合，平衡了效率和效能的矛盾，在達到40%熱效率的情況下還能實現60kw/L的升功率，可以說是當前自吸發動機的標杆了。（圖9）

說明一下：馬自達的50%熱效率壓燃發動機Skyactive X發動機還要等到2019年6月以後才回上市。因此暫時豐田Dynamic Force Engine混動的41%熱效率是量產發動機中的最高熱效率水平了。