一篇文章看完丰田最新的自然吸气发动机黑科技

一汽丰田今年将会引入一款名为奕泽的紧凑型 Crossover，它将搭载一台基于TNGA 构架的 2.0 升自然吸气发动机。与之前投入量产的 2.5 升 A25A 发动机一样，这台全新的 2.0 升自然吸气发动机的热效率达到了 40%，而在混合动力系统中，它的热效率能够达到 41%。你可能对这两个数字不怎么感兴趣，不过说的更直观一些，就是这台发动机更省油。第八代凯美瑞的 2.0 升 6AR 发动机已经非常优秀了，而新发动机的表现将更出色——从头到尾，满满的黑科技。

先来看一下这台发动机的具体参数：

作为参照，目前丰田在中国市场有三台不同的2.0升发动机：

1.最高14.0:1的压缩比

如何提高热效率？大概有些机械基础的人都能够回答上来，无非就是提高空燃比，降低冷却损失、排气损失、泵损失和机械损失，同时尽可能让可燃混合气在膨胀行程中发挥最大效能。当然，提高空燃比势必依靠减少喷油量实现，但过稀的混合气不容易被点燃，需要通过提高压缩比解决。这台新发动机的压缩比为 13.0:1，在混合动力系统中的压缩比更是高达 14.0:1。而凯美瑞的 2.0 升 6AR 发动机的压缩比为 12.7:1，RAV4 荣放的 6ZR 为10.5:1。前面提到，提高热效率的一个关键点是降低排气损失，这就需要将一部分废气再次引入循环。但问题来了，高温的废气重新进入进气系统，会提高燃烧室的工作温度，进而让高压缩比造成的发动机爆震进一步恶化。这就需要将引入再循环的废气进行冷却，从而减小发动机爆震的倾向，并降低氮氧化物排放。另外，通过燃油直喷，也能在一定程度上降低燃烧室的工作温度，进一步改善发动机的爆震倾向。

2.缸内直喷+歧管喷射的双喷射燃油系统

这台发动机的燃油直喷系统，通过对喷油孔的改进，改善了燃油雾化效果，并且能够对燃油的喷射量进行精确控制。但发动机并不总是处于同一种工况，通常而言，在工作温度、负荷较为合适的情况下，直喷系统具有更经济的油耗。在低负荷或冷启动状态下，直喷系统就不那么完美了。首先是所谓的“湿壁”问题，由于空气温度低，汽油的雾化状态不良，部分燃油会沿着气缸壁，进入曲轴箱，混入机油，引起发动机润滑油的早期变质。更有甚者，未雾化的燃油会溅湿火花塞，从而使发动机无法正常点火。即便冷机形成的混合气能够被点燃，但由于雾化效果不良，燃油的燃烧也不充分，从而产生过量的颗粒物排放。除了冷启动状态，发动机在低负荷状态下，也会也会因燃烧室内空气流动效果不佳，造成混合气雾化效果变差，进而造成气门及燃烧室产生积碳。这就需要进气歧管端多点燃油喷射系统的补充，通过进气歧管端喷射，可燃混合气进入气缸要经过更长的通路，从而使燃油获得更长的雾化时间。与凯美瑞目前使用的 6AR 发动机相同，这台发动机也带有 D-4S 双喷射系统，能够更好地应对各种工况下发动机对燃油系统的要求。

3.径程比1.21:1，发动机效能更好

前面提到要让混合气尽可能在膨胀行程中发挥最大的效能，这就需要发动机具有更长的活塞行程。所谓的阿特金森循环、米勒循环和大众集团宣称的 B 循环，都是基于这一原理的改进（膨胀行程大于压缩行程）。当然，发动机的行程也并非越长越好，过长的行程会影响到发动机的工作效率。适当的径程比（发动机活塞行程与气缸缸径的比值）有助于发动机发挥更好的效能。不同于凯美瑞 6AR 发动机 1:1 的径程比（86mm×86mm），这台新发动机的径程比为 1.21:1（80.5mm×97.6mm），与 RAV4 荣放的 6ZR 发动机相同。1.2 左右的径程比也是目前主流制造商认为的理想径程比。而在早先过分注重发动机输出功率的时期，有些发动机的径程比甚至在 0.8 左右，虽然具备高转速高功率的特性，但却损失了中低速工况时的扭矩输出和燃油效能。

4.高速滚流，实现高速燃烧

虽然长行程有助于提高燃油效率，但相应地，发动机的泵损失也要更大。为了改善泵损失，提高充气效率，丰田的工程师对这台发动机的进、排气系统进行了改造。除了更光滑的进气道表面之外，工程师加大了新发动机进气门和排气门的夹角，从过去的 31 度加大到了 41 度，另外还加大了进气门座，并在加工进气门座时，使用了激光熔覆技术，从而用平滑的金属涂层替代了传统的气门座结构。经过改进后的发动机进气通路变得更加平滑，从而提高了发动机的充气效率。

为了进一步提高进气效率，工程师还对进气道的外侧（靠近气缸壁一侧）进行了改造，设计了一个轻微向上的凸起，从而使新鲜空气能够沿着靠近气缸中央的通路迅速涌入。

当新鲜空气接触到气缸壁后，会迅速下沉，并在活塞的共同作用下，形成类似高速气流喷射效果的滚流。

为了降低气缸内滚流的流动阻力，发动机活塞顶部也经过了改造，活塞表面的凹陷处理得更浅，也更平滑。虽然更快的滚流有助于可燃混合气的雾化，但过快的流动速度却并不容易被点燃，工程师们通过提高点火线圈的点火能量（从 35mJ 提升到 100mJ），有效解决了这一问题。当然，高速滚流也有助于实现发动机的高速燃烧，弥补因 EGR 废气输入量增加而造成的燃烧速度降低的问题，同时提高膨胀行程的爆发力，使得发动机具备更优秀的扭矩输出特性。

5.低机械损失，低热损失

为了降低发动机的机械损失，丰田的工程师还首次使用了激光凹槽活塞裙处理，能够实现“按需供给”的可变流量机油泵以及电驱动水泵也有效降低了不必要的发动机机械损耗。另外，凭借 VVT-iE 气门控制技术，这台发动机可以在奥托循环和阿特金森循环间相互切换。通过电控节温器、电动水泵，丰田的工程师开发了一套效率极高的热管理策略，发动机的热损失也得以进步一优化。

小结

当然，这台 2.0 升的发动机并且“一切从头来过”的全新设计，它所使用的许多技术与第八代凯美瑞车型使用的 2.5 升 A25A 发动机有很多共通之处。但它并非来自后者简单的等比例缩小，一个最简单的道理是空气在不同大小的空间内流动，所产生的扰流或滚流效果并不一样，必须经过长时间的测试和调整，才能达到高水准的性能。

另一个比较现实的问题是，因为发动机能效的问题，TNGA 构架的产品需要将径程比保持在 1.2 左右，这意味着丰田未来的一系列 4 缸发动机，很难在多数主要零部件通用的前提下，实现以模块化为出发点的排气量变化。但鉴于丰田车型的市场销量，这些新发动机的规模效应仍然能够得到保证。至于第八代凯美瑞车型，也许将在下一个年度款型上，换装这台全新的 2.0 升自然吸气发动机。