豐田在CAMRY混動該車型上使用的41%的A25B發動機號稱最高熱效率發動機之一；馬自達基於第二代創馳藍天技術背景下，號稱目標達到50%的熱效率；不好意思，今天介紹的是一臺60%的熱效率的發動機。

熱效率是衡量一臺發動機好壞的最直接的指標，熱效率越高說明發動機對燃料能量利用得更充分，做同樣的功需要的能量越少，自然燃油經濟性就能提高。

言歸正傳，這臺60%熱效率發動機什麼來頭？

這項技術在同一臺發動機中同時採用汽油和柴油混合燃燒，這項技術被稱為RCCI（Reactivity Contronlled Compression Ignition）低溫預混合燃燒或者燃油反應活性控制壓燃技術，這是美國威斯康辛大學發表的技術。

該發動機整體的構想是使用一種低反應性和一種高反應性兩種不同的燃油，這個案例中有歧管噴射汽油，當然也可以選擇其他燃料，例如天然氣和乙醇之類的低反應性燃料。還有一個噴射高反應性燃油的缸內直噴，這個案例中主要負責噴射柴油。

柴油的燃燒延遲很短，也就是從它被噴射出來到被點燃的時間很短，並且他們在壓燃環境中很容易被點燃，而汽油的點燃會更困難一點，他們的反應性要低一些。這就是發動機的基本結構，有兩種不同的燃油系統，一個高反應性，一個低反應性，燃油並不拘泥於汽油或者柴油，但本次主要討論汽油和柴油，這也是他們在測試中用得最多的兩種燃料。

第一步是歧管噴射，在進氣衝程時，活塞下行吸入汽油和空氣的可燃性混合氣體，隨後進入到壓縮衝程，這個過程會有兩次柴油噴射（使用缸內直噴），第一次噴射是在混合氣體被壓縮到溫度非常高之前，溫度還不足以點燃混合氣體時，柴油和汽油會開始混合，在氣缸中形成分層的混合氣團，因為柴油是缸內直噴的形式進入的，所以會更靠近氣缸中央，而外層則是透過進氣道進入的汽油和空氣的混合物。

隨著活塞上行逐漸靠近上止點，這是會再次噴入少量的柴油作為點燃用，當然噴入柴油的多少取決於空燃比，但最後這次噴射僅僅是為了點燃混合氣使用，而這一次噴射產生的火焰被稱之為“冷焰”，所以它是柴油的低溫火焰，而不是把所有汽柴油混合氣一起壓燃的；在最後噴射進去的柴油的最外層邊緣還有非常少的一層低反應燃油，這樣形成的一團“冷焰”，因為這種燃燒產生的熱量較小，但是又足以將燃燒室中的其他混合氣點燃。

一旦裡面的“冷焰”被點燃，中間層的汽柴油混合氣也會被引燃，汽柴油混合氣的燃燒又會點燃最外層的汽油混合氣。所以這更像是將燃燒過程分成三步，首先是低溫火焰，然後是汽柴油混合氣，最後是汽油混合氣。柴油和汽油的混合比例不同，發動機的燃燒壓力曲線會發生很大的變化。

以上的案例使用的是一臺壓縮比為16:1，排量2.44L的卡特皮勒單缸重型發動機，工作轉速為1300rpm，為了證明這項技術可以同時用於重型和輕型發動機，實驗人員還測試了一臺通用的1.9L四缸發動機。本文講述的資料來自這臺2.44L的單缸發動機。

威斯康辛大學的研究人員透過將發動機轉速固定在1300rpm，隨後不斷改變節氣門的開度，從小角度到全開，然後測量不同開度下汽油比例、空燃比和熱效率。他們在臺架上給發動機施加負載。

先從汽油比例開始說起，在低負載時汽油的用量較少，部分原因在於汽油在低負載時比較難以壓燃，這也是汽油HCCI這樣的終極目標難以實現的原因，就是因為在低負載情況下汽油難以壓燃。而這臺發動機上因為使用了兩種燃油，所以在低負載時可以使用柴油作為引燃物質，最終隨著負載的上升，汽油的使用比例也會隨之上升，當然這並不是線性關係，中間會有一些峰值和上下波動，但總的來說就是低負載時汽油使用量較少，使用更多柴油；而在高負載時這個比例可以達到90%汽油和10%的柴油。

在大部分情況下，第一次缸內直噴會噴射大部分的柴油進行混合，但在某些工況範圍內，比如低負載時，第二次缸內直噴會噴射大部分的柴油，因此在實際執行中，雖然轉速固定，但隨著負載變化會有非常多、複雜的實時控制。

關於空燃比，可以想象到是的在低負載時會非常高，然後隨著負載上升逐漸降低，一旦汽油成為主導，空燃比就會急劇下降，而在汽柴油混合階段，空燃比居然可以控制在45：1，所以在低負載時可以獲得非常高的熱效率，因為此時的空燃比非常高，而燃油的用量非常少。因此這也是這項技術最出彩的地方，從圖上可以看到，即便是最差的熱效率也可以達到49%，當然這是一隻在高效運轉區間執行的結果，如果轉速升高，熱效率會下降。

不過，在整個負載範圍內熱效率最低也有49%，而在中間負載時最高熱效率達到56%，作為比較，還未上市的馬自達新一代SPCCI發動機最大熱效率大概在43%，雖然馬自達還沒公佈官方資料，但他們說比市場上的效率之王好那麼一點點而已，也就是豐田普銳斯的42%。而柴油機的熱效率本來就比汽油機更好，大概在48%-50%左右，但這臺發動機已經超越了柴油機，它將柴油和汽油融合併成為最佳組合。

排放。這臺發動機有非常低的氮氧化物排放，以及非常低的顆粒物排放，大家都知道困擾柴油機最大的問題就是排放問題，因為RCCI的低溫燃燒技術，幾乎不會產生氮氧化物。同時，因為柴油的用量不大，所以柴油能得到充分的混合，普通柴油機都是在上止點即噴即燃，但RCCI發動機進行了提前噴射進行混合，充分混合的柴油並不容易產生顆粒物排放。

熱效率。得益於其超高的熱效率，它比目前市場上的一些高熱效率的柴油機還要高10%-15%，而高熱效率又得益於更低的燃燒溫度，減少了因為溫差問題導致缸內熱流失。事實上在獲得最大60%的熱效率時，其中一項措施就是停止給活塞提供冷卻油，因為他們發現冷卻油會把部分做有用功的燃燒熱量從活塞上帶走，這是他們試驗提升熱效率時採用的一個方法。

取消尾氣處理裝置。這是這項技術帶來的另一個好處，在不安裝任何尾氣處理裝置時，排放滿足2010年EPA排放法規，現在的柴油機為了滿足法規全部都要加尾氣處理器，如果這項技術能夠進一步最佳化並量產，可以節約很大一筆後期尾氣處理成本。

需要使用兩種燃油。這對於消費者來說肯定是不友好的，因為車輛需要設定兩個油箱分別加註兩種不同的燃油，並且車上還需要有兩套燃油系統，無疑增加了使用難度以及車輛成本。

距離量產相對遙遠。這是一項在實驗室中的發動機，還有非常多的問題需要解決，教授認為，為了達到最大熱效率而取消活塞冷卻這是不可取的，除非活塞可以承受無冷卻狀態工作，否則達不到60%的熱效率。

雖然目前新能源強勢崛起，但內燃機還有很大潛力供我們發掘，目前的內燃機熱效率只有41%左右，還有60%是可以透過技術手段進一步發掘的，特別是內燃機獨有的味道以及動力輸出特性深得老派汽車愛好者的喜愛，內燃機依然有存在價值，內燃機依然有很大潛力，內燃機不是電動機能替代的。雖然高熱效率發動機之路相當艱辛，但科技的進步、人類智慧始終會讓內燃機再次發光發熱。

直噴加進氣歧管混合噴射的D4S噴氣系統，是豐田的獨到之處。

這次應用在CAMRY、雷克薩斯等車型上的A25B發動機上，可見成本之高。可以在Alto迴圈和阿特金森迴圈系統之間自由轉換的新技術，讓這款內燃機的壓縮比達到了（13：1），就新技術和動力性方面，2.5L的功率，和240nM的扭矩，和151KW產生的205馬力產生的強大動力，讓車輛動力澎湃。

4-2-1的排氣歧管排列，讓排氣分隔達到了一個新的境界。在曲軸箱底部保留的平衡軸和電子控制的水泵，還有連續可變排量的機油泵，讓A25B發動機的損耗降到了最低，熱效率達到了最高。