关于丰田新发布最高41%热效率的2.5L直4汽油发动机视频详细内容是什么？ 第1页

名为Dynamic Force Engine的这一台2.5升缸内直喷汽油机，称之为黑科技也不足为过。

丰田在官网上对该系列技术作出了阐释，好在有英文版可以一窥究竟。下文中分享给大家，再谈一谈我的一些理解，欢迎讨论。（来源：New 2.5-liter Direct-injection, Inline 4-cylinder Gasoline Engine | TOYOTA Global Newsroom）

先来看达到了什么样的性能：

以上两张图中，蓝色是发动机原机的油耗与外特性曲线，红色的是改进后的效果，可以看到最高效率从35%提高到了40%（传统车搭载的发动机最高热效率40%，混动版搭载的发动机最高热效率41%，这主要是因为两个型号的压缩比不同）。而最大输出转矩从230Nm提高到了250Nm。此外，该机器的相应速度也大幅提升。

这张图中黄色箭头表示踩下加速踏板的时刻，红色曲线表明加速度反应明显比原来要快，相应速度提高了大约0.5秒，这个提升是驾驶员可以明显感受到的。

那么这样的性能改善是怎么做到的呢，丰田将该发动机采用的关键技术罗列如下：

以上两张图中详细地罗列了该机器采用的每一项技术，看起来眼花缭乱，我选择几项有意思的来谈。

1. 该发动机使用VVT技术（可变气门正时），并通过VVT实现阿特金森循环（Atkinson Cycle）。这意味着该发动机会在某些工况采用阿特金森循环的方案，因而我认为该发动机41%的最高热效率点可能就是在阿特金森循环下达到的。这一点上我与 @JackyQ 的观点不同。 那么既然它也采用了阿特金森循环，为什么这一台发动机能够在实现高效率的同时实现高转矩呢？我的答案是：高效率和高转矩这两项指标并不是在同一个工况点实现的，也就是说，最高效率的工况点使用了阿特金森循环，而在大负荷高转矩输出的位置通过VVT改变进气门关闭时刻，改用了奥托循环。

当然，这一点是我的推测，图示的最高效率点位于2400转时约70%有效负荷的位置，这个点使用阿特金森循环是否可以达到，是未确定的问题。

（插播：什么是阿特金森循环，知乎专栏，引自 @张文川 的专栏，感谢。）

2. 高压缩比

这台发动机的压缩比达到了13，适用于混合动力版的压缩比达到了14，大压缩比有什么好处。在问题为什么汽油发动机不断追求更高的压缩比，柴油发动机不断地降低压缩比？未来是否会接近一致的压缩比？ - 姚昌晟的回答 - 知乎中，已经作出了解释。在这台发动机的视频中可以看到，原机采用进气道喷射，改进后使用了缸内直喷，这有助于使用高压缩比避免爆震，而高压缩比直接有助于油耗的降低。

3. 快速响应的EGR阀

废气再循环技术（EGR）是降低机内氮氧化物（NOx）排放的有效手段。至于EGR是否能够降低油耗，这一点并不绝对，由于能量损失的去向不同，EGR对油耗的影响是存在两方面的作用的，至于是东风压倒西风还是反之，要结合具体的工况情况以及采用的标定参数进行具体分析。但无论如何，快速响应的EGR阀有着极大的意义，因为在发动机的控制中，对喷油的控制频率可以很高，在循环间甚至单个循环内就可以调整喷油参数，但对空气系统则相对较慢，例如EGR，它的响应可能达到几秒的长度，其中EGR阀的响应速度就是很重要的因素。那么提高EGR响应有什么意义呢？因为汽车的行驶情况总在改变之中，发动机不会一直在稳态运行，当发动机工作状态发生改变的时候，瞬态过程中的特性如不加以优化，很可能比稳态情况要差得多。而优化瞬态过程的性能的前提条件，就是执行器响应速度提高。所以丰田特别提出的这一点，让我挺感兴趣。

4. 电动化附件

这一台发动机的水泵、节温器都是电动控制的。不熟悉发动机的知友可能有些奇怪，这有什么稀奇？要知道发动机上原有的这些部件都是机械部件，水泵是靠曲轴来带动，节温器则是根据冷却水温度高低来开启大循环给发动机降温。将它们改成电动化，有助于减少发动机本身的附件功耗以及传动过程中的机械损失，并且可以做到精确地调控这些部件的功率，真正做到按需供给。电动化附件一般来说可以给发动机的有效热效率贡献1-2%百分点。

5. 高速燃烧

除了上述的技术，丰田号称使用了“World First”的高速燃烧技术。这项技术是通过改进进气道（增宽气门夹角）和汽缸设计（更高的冲程/缸径比），加强了进气形成的滚流，有助于直喷燃油与进气的混合，快速形成混合气。更均匀的混合气意味着预混合燃烧比例的增加，燃烧速度有效提高。更快的燃烧过程直接意味着燃烧过程中传热损失的减小，且大部分情况下，燃烧会更加充分。下图左侧是对汽缸与进气道的改造，右侧是采用了激光熔覆的技术对气门座进行了加工。这一项工艺我的理解是用于提高该位置的机械强度。这项技术号称世界首创，是在于其在量产发动机上实现对气流的准确控制，技术本身倒并不是第一次出现。

最后想谈谈我开头提到的“黑科技”这个词。Dynamic Force Engine集成了非常多的前沿的发动机技术，但并没有哪一项是完全新的。黑科技难就难在丰田在每一项技术都精益求精，并且将其集成在一起，通过反复的设计、验证和标定，实现了最理想的性能组合（动力、油耗、平顺性、噪声哪一方面都不能少）；但是截至这一步，足够的经费支持和优秀的团队，我们同样可以做得到，难上加难的是将这一个集成了热机电各个维度复杂控制的机器实现了大规模量产。这个世界上总需要一些人和一些企业来树立标杆， 敲醒某些人的白日大梦：梦想是做出来给人看的，不是说的。

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写完答案发现 @张文川回答了问题，第一次谈及贵司的技术，还请多多指教。