日系的自然吸氣發(fā)動機(jī)一向以穩(wěn)定可靠著稱，雖然在德系推動的渦輪增壓技術(shù)的壓力下日系在傳統(tǒng)動力上也逐漸進(jìn)入增壓時代。

但是自然吸氣技術(shù)并未被日本車企放棄，而是在日系最擅長的混動領(lǐng)域繼續(xù)大放異彩。

2019年沃德十佳發(fā)動機(jī)中本田2.0L阿特金森循環(huán)混動發(fā)動機(jī)和豐田Dynamic Force 2.0L自然吸氣混動發(fā)動機(jī)雙雙獲獎，證明了日本自然吸氣技術(shù)在混動領(lǐng)域的成功。

今天的主角就是2019年沃德十佳的豐田最新Dynamic Force發(fā)動機(jī)家族，該家族包含2.0L和2.5L兩個發(fā)動機(jī)排量，采用阿特金森循環(huán)，混合動力版本熱效率能夠達(dá)到41%，非混動的普通版本也可以實現(xiàn)40%的最高熱效率，是當(dāng)今量產(chǎn)發(fā)動機(jī)里面熱效率最高的發(fā)動機(jī)。

雖然馬自達(dá)宣稱其全新的Skyacitve X火花塞輔助壓燃SPCCI發(fā)動機(jī)能夠達(dá)到50%的熱效率，可以其連續(xù)的跳票使得豐田Dynamic Force在至少在今年還可以繼續(xù)站在全球量產(chǎn)發(fā)動機(jī)熱效率的頂峰。

下面我們來看一下豐田Dynamic Force發(fā)動機(jī)的41%熱效率主要是如何實現(xiàn)的？

——答案就是先進(jìn)的阿特金森燃燒系統(tǒng)。

目前量產(chǎn)的阿特金森循環(huán)發(fā)動機(jī)都是通過對氣門正時的控制來實現(xiàn)的。簡單來說就是利用進(jìn)氣門晚關(guān)的策略，在活塞到達(dá)進(jìn)氣下止點開始進(jìn)入壓縮沖程的時候保持進(jìn)氣門開啟一段時間，使得部分已經(jīng)進(jìn)入氣缸的空氣重新被壓回到進(jìn)氣管中，從而降低部分負(fù)荷下的泵氣損失。

同時，這樣也允許發(fā)動機(jī)使用比較高的壓縮比，從而在膨脹做功沖程的時候能夠利用高壓縮比來進(jìn)一步提高熱效率。下面是通過控制氣門正時實現(xiàn)阿特金森循環(huán)的示意圖：

說到阿特金森循環(huán)，大家普遍認(rèn)為日系如今流行的阿特金森循環(huán)是由馬自達(dá)的SKYACITVE創(chuàng)馳藍(lán)天發(fā)動機(jī)開始的。

其實，豐田應(yīng)該是最早量產(chǎn)阿特金森循環(huán)發(fā)動機(jī)的汽車企業(yè)。

在豐田的第一代普銳斯混合動力車型上，就已經(jīng)采用了阿特金森循環(huán)發(fā)動機(jī)。不過由于當(dāng)時的技術(shù)所限，阿特金森循環(huán)發(fā)動機(jī)的功率非常低，只能用于混合動力發(fā)動機(jī)，無法在傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)驅(qū)動的車型上使用。

后來隨著發(fā)動機(jī)技術(shù)尤其是VVT可變氣門正時技術(shù)的發(fā)展，日系阿特金森循環(huán)發(fā)動機(jī)的技術(shù)取得了長足的進(jìn)步，自從電動VVT加入以后，由于其更大的氣門正時調(diào)節(jié)角度和更快的響應(yīng)速度，使得阿特金森循環(huán)發(fā)動機(jī)也能實現(xiàn)比較高的性能。

這是目前日系阿特金森循環(huán)發(fā)動機(jī)全面開花的技術(shù)基礎(chǔ)。下圖是電動VVT的示意：

在Dynamic Force發(fā)動機(jī)上豐田為了實現(xiàn)41%的熱效率，豐田采用了最新的阿特金森循環(huán)燃燒技術(shù)，其主要特點如下：

第一個特點是，采用更大的沖程缸徑比結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)高效率。

豐田在Dynamic Force發(fā)動機(jī)上將缸徑從上一代發(fā)動機(jī)的90mm縮小到87.5mm，而同時將沖程從原來的98mm增加到103.4mm。這樣就實現(xiàn)了高達(dá)1.18的沖程缸徑比，從而使得提高中低轉(zhuǎn)速下的熱效率具備了良好的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。

第二個特點是高壓縮比。

阿特金森循環(huán)的特點就是高壓縮比，在Dynamic Force發(fā)動機(jī)上混合動力版本的壓縮比高達(dá)14，而普通版本也能夠達(dá)到13。

第三個特點是，高滾流的氣道設(shè)計。

豐田為了這套阿特金森燃燒系統(tǒng)，重新開發(fā)了氣道，改變了氣門夾角使之能夠產(chǎn)生更加強力的氣流運動，從而優(yōu)化缸內(nèi)混合，使油氣混合更快，更均勻，燃燒速度也就更快。

為了實現(xiàn)高滾流氣道，豐田采用了先進(jìn)激光噴涂的氣門座圈工藝，大大減小了傳統(tǒng)壓入式氣門座圈占用的寶貴進(jìn)氣道入口空間，留出更多空間給氣門來進(jìn)氣，從而實現(xiàn)高滾流。

下圖是豐田氣門座圈激光噴涂工藝的示意。

第四個特點是EGR廢氣再循環(huán)。

EGR廢氣再循環(huán)，就是將一部分排氣中廢氣重新引入汽缸內(nèi)部重新參與燃燒，這樣可以降低小負(fù)荷時的泵氣損失，改善油耗。

但是過大的EGR率會引起燃燒不穩(wěn)定，豐田設(shè)計的高滾流氣道和快速的燃燒系統(tǒng)可以容納更大的EGR率，并通過缸蓋水套對EGR進(jìn)行冷卻，這使得這臺發(fā)動機(jī)的EGR率最高可以達(dá)到25%。

第五個特點是電動進(jìn)氣VVT。

豐田在進(jìn)氣凸輪軸上采用了其稱之為VVT-iE的電動VVT。這樣可以實現(xiàn)快速的VVT調(diào)節(jié)，滿足阿特金森循環(huán)中進(jìn)氣門晚關(guān)策略的實現(xiàn)。

第六個特點是雙噴射系統(tǒng)

Dynamic Force 發(fā)動機(jī)采用了豐田的雙噴射系統(tǒng)。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(fù)荷時采用氣道噴射噴嘴，在大負(fù)荷時采用GDI直噴噴嘴，中間負(fù)荷兩種噴嘴共同工作。雙噴射系統(tǒng)主要的目的有兩個：

一是，降低油耗。在小負(fù)荷PFI氣道噴射噴嘴工作時，高壓噴射系統(tǒng)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，有利于降低油耗。

二是，降低排放。由于直噴系統(tǒng)雖然高速高負(fù)荷效率更高但是會產(chǎn)生顆粒物排放。因此，增加一個PFI氣道噴射噴嘴在低負(fù)荷工作，就可以避免顆粒物排放了。

同時，豐田在活塞上裙部上采用了特殊樹脂涂層涂附在預(yù)先加工的溝槽位置來降低摩擦。

而為了降低潤滑系統(tǒng)的阻力，豐田在采用了基于MAP控制的連續(xù)可變排量機(jī)油泵，這種設(shè)計可以在低速低負(fù)荷采用低油壓來降低機(jī)油泵驅(qū)動阻力，提高效率，在高速高負(fù)荷采用好油壓來保證潤滑。

在降低冷卻系統(tǒng)阻力上，豐田設(shè)計了電子水泵來取代傳統(tǒng)的機(jī)械水泵。同時，電子水泵和電子節(jié)溫器還可以一起實現(xiàn)靈活的發(fā)動機(jī)熱管理控制策略，可以加快發(fā)動機(jī)暖機(jī)，進(jìn)一步降低油耗。

可以說，豐田幾乎把目前自然吸氣發(fā)動機(jī)最新的技術(shù)成果都集成在了Dynamic Force發(fā)動機(jī)上，實現(xiàn)了高性能和低油耗的統(tǒng)一，其最高41%的熱效率是目前的業(yè)界翹楚。