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在汽车领域,汽油发动机40%热效率意味着什么?

2017年07月26日


在当今车坛,随着科技的进步,发展出越来越多曾经无法想象的先进技术,其中大家关注度最高的,莫过于汽车发动机技术的进化。曾几何时,不敢想象一辆叫做宝马i8的汽车可以用一台1.5升三缸发动机爆发出231马力,也不敢相信一辆奔驰S级Plug-in Hybrid的油耗可以低至2.8升/百公里。而就在最近,全新一代凯美瑞又一次让全球车迷惊讶,它竟然把一台自然吸气四缸发动机的热效率拉高至40%,看吧,汽车的世界是多么疯狂!
 


其实这个消息一经爆出,就引起了业界的一片惊叹,一向以产品可靠耐用而著称的丰田,发布这台技术领先的发动机必定已经过充分的考量。这款举世瞩目的全新2.5升直列四缸自然吸气发动机,会装配在即将由广汽丰田国产的全新第八代凯美瑞身上。而更令人惊讶的是,除了这台自然吸气发动机的最大热效率达到40%外,混动版本的发动机热效率更达到了41%!使其再次站上了世界量产车热效率最高峰。

到底什么是热效率

热效率这个词听起来似乎有些枯燥,教科书上严谨的解释是单位体积的燃料内能转化为动能的比值,比例越高证明燃料转化成动能的效率越高。而对于我们普通消费者而言,可以理解为这个比值越高发动机动力越好、油耗更低、排放水平更佳。
 


不过你知道吗,对于汽车发动机来说,能量的损耗是不可避免的,目前全世界所有汽油车的发动机热效率都没有可能达到50%,这也说明:就算你的车加满一箱油,其实真正被“消耗”到车轮上的动力还不足一半,其中很大部分都被各类能量损耗给用去了。
 


那么除去转化成动能应用在车轮上的燃料外,剩下的汽油都去哪了呢?这其中大部分燃料会被发动机的冷却系带走,叫做冷却损失,一部分以排气方式排到大气中去,叫做排气损失,这两块比重最大,约占总能量的左右,但这又是无法避免的能量消耗,所以为了发动机可以“少吃粮,多奔跑”,只能从剩余的那60%入手。
 

“想要马儿跑,又要少吃草”是亘古不变的难题,在汽车领域也是如此,而且汽车不仅要考虑能耗问题,还要顾及日趋严苛的排放法规。以汽车大国美国为例,到2025年,每家汽车制造商所销售汽车的平均燃油经济性(CAFE)必须达到54.5mpg(相当于4.31L/100km),相较此前标准基本是“翻倍”的。为此,各大车企也是伤透脑筋,努力研发新技术以应对新的法规。而在我国,随着“国六”排放标准的出台,可以说将来也会是全球最严格的排放标准之一。

应对难题,研发技术

为了应对这一困难,众多厂家开始绞尽脑汁,努力研发新技术,而发动机热效率的高低则是直接影响油耗和排放数据的重要一环。就以使用一台33%热效率发动机的汽车来说(目前大部分汽车发动机的热效率在28%~33%之间),改用40%热效率发动机后,整车的燃油经济性可以提升15%~20%。

以一辆百公里平均油耗7升,一年行驶15000公里的车来计算,使用热效率40%的发动机,一年至少能省下200升汽油,大约可节省1300元油费以上,而节省的这200升汽油不仅可以省下不少燃油方面的开支, 还可以为地球环保做出贡献。

 


但是要知道,提高热效率可绝对不是一件容易的事,以目前惯用做法来看,想要提升汽油发动机的热效率主要从四个方面着手,一是提高压缩比,二是采用直喷技术,三是提高废气再循环率(EGR),四是使用阿特金森循环。
 


而说到这,就不得不提马自达的创驰蓝天技术。记得在创驰蓝天技术刚刚推出的时候,其厂家就宣称这套技术拥有高压缩比的特点,拥有更好的燃油经济性和动力响应。但是要知道,在老款创驰蓝天技术上,它们的做法是采用了阿特金森循环,在原有的奥托循环上推迟了进气门关闭的时间,使膨胀比高于压缩比,在同样的压缩行程下,膨胀行程的增加可以获得更多的有效功。

而在最新的创驰蓝天技术中,马自达在汽油发动机中模仿利用了柴油发动机特有的压燃点火方式,在原来基础上再次提升了压缩比,获得了更好的发动机热效率。但即便把压缩比压榨到惊人的14:1,其热效率也仅刚刚超过30%,这就足以说明提高热效率是多么困难。


丰田如何打造40%热效率“神机”?

关于技术理论层面,如何提高热效率已经被研究得很透彻了,但难就难在怎么应用到量产发动机上。有些时候为了提升0.05%的热效率,也需要做数月甚至半年的实验来寻求最优解决方案,以保证它对其他性能没有影响,再加上丰田对产品可靠性的执着,就更加难上加难。

那么丰田的工程师到底通过什么方法将这台发动机的热效率提升到40%呢?丰田的工程师把进气道附近缸盖造型改为略上翘以及优化气门夹角。目的其实很简单,就是帮助进气气流更好地在燃烧室内形成滚流,便于燃油以及空气的混合,这也是提升燃烧效率的关键之一。

而在配气机构方面,这台升自然吸气发动机使用了进、排气门双可变正时技术,并且在进气端使用了VVT-ie,也就是电控可变气门正时技术,电控系统反应速度更快、控制精度也更高。

 


除了发动机部分,丰田的工程师还为这台发动机匹配了全新的8速自动变速箱,官方公布的数据显示,与旧款凯美瑞使用的爱信6挡自动变速箱相比,全新变速箱损耗降低约50%。
 

就在欧美车企近年拼命推广发动机增压技术及纯电动汽车时,丰田则另辟奇径,将不可能变成可能,成功地将传统发动机的热效率有效提升,以及继续改进本已全球领先的混合动力技术,用行动来告诉大家,现阶段究竟是什么样的发动机技术才是最可靠实用。

正因为有着对目标如此坚定的信念和不懈努力,我们才能看到丰田推出站在世界巅峰的40%热效率新发动机,而也有理由相信,丰田的40%“热效率奇迹”只是个开始,随着丰田TNGA架构改革的开始,未来还会有更多的惊喜等待着我们去发现。

 

部分内容来源:中国汽车材料网



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