[聚沙成塔]丰田凯美瑞/亚洲龙2.5L发动机超深度开发解密上

汽车历史的上古时代，福特提出了"流水线生产"，随后丰田将其优化为"精益生产"，不仅推动了汽车工业的进步，也加快了全球工业化的进程。近年来大众从工程角度出发，提出的"模块化生产"模式，在全球范围内推行模块化平台战略，使大众集团飞速发展，模块化战略的成功使其销量逼近甚至超过丰田。

作为始作俑者，大众MQB(Modular Querbaukasten)模块化平台算是当今汽车模块化平台中的教科书，从POLO(MQB A0)到七座途昂，甚至奥迪保时捷等都大小通吃。丰田后来居上，也提出了TNGA平台（Toyota New Global Architecture），目标全面替代丰田已有的平台。

在TNGA平台下，也需要一个系列发动机，来覆盖A0级到C级，为TNGA平台产品提供有力的支持。于是Dynamic Force Engine 横空出世，凭借着一系列技术，实现了普通机型40%、HV41%的热效率，颠覆了教科书热效率极限。它并没有使用黑科技，而是稳扎稳打，在已有的技术上不断整合、突破，最终聚沙成塔，成为目前市面上热效率最高的量产发动机之一。

PS：

部分数据来自公开文献，包括但不限于论文、宣传稿、技报。

1 开发背景

丰田在全球拥有大量车型（平台约100种，发动机约800种），在传统的研发中，针对不同市场的每个产品需要进行标定与验证。如此多的开发机型让丰田也疲于应对，大大延缓了丰田前进的脚步。为了将各种各样的先进技术快速普及，缩短研发周期，提高研发效率，降低制造成本，造更好的汽车，TNGA应运而生。TNGA全称是Toyota New Global Architecture，丰田新全球架构，如图1所示。

图1 TNGA 直指未来

在这个架构下，也需要一个系列发动机，来覆盖A0级到C级，为TNGA平台产品提供有力的支持。于是研发立项。

目前，已经公布的有搭载在丰田凯美瑞、丰田亚洲龙(图片|配置|询价)和雷克萨斯ES上的2.5L 四缸发动机，有搭载在丰田CHR、奕泽、丰田凯美瑞上和雷克萨斯UX的2.0L 四缸发动机，搭载在高端车型的3.5L 涡轮发动机，还有搭载在下一代丰田卡罗拉等车型的1.5L 三缸发动机（图2）。

图2 丰田未来产品规划

如图3所示，在以往丰田的项目上，发动机根据定位于排量不同，分为NR、ZR、AR等系列，比如卡罗拉用NR，比如上一代凯美瑞用ZR，比如皇冠汉兰达用AR。他们的设计是无法通用的，为了省油，有的发动机从空气侧入手，利用EGR和VVT来实现；有的发动机从喷射入手，利用D-4S双喷射系统来实现。虽然这些手段都能实现设计指标，但是相互间经验无法借鉴，造成成本和工时的浪费。

图3 TNGA概念下发动机的开发模式

在TNGA概念下，丰田希望对燃烧模型进行统一化，保持发动机关键零部件不变，单纯改变气缸体积和气缸数量，形成不同的排量组合，扩展至丰田整个产品族。根据丰田内部的推测，这样做的化发动机的种类可以减少40%，开发工时可以节约的更多。

如图4所示，在丰田内部，这系列发动机也被称为终极款，根据丰田发动机产品路线图，从2017年公开到2030年，要取代绝大多数传统发动机，成为发动机到电动机之间的转化的最终一代产品。在这一代之后，丰田只会对此进行改进，不会有革新计划（至少我在丰田时还是这么说的，现在有没有变化不知道）。

图4 丰田发动机技术路线图

丰田为了实现适应性拓展，首选立项的拳头产品为2.5L 四缸发动机，在这个基础上，把625mL的气缸缩小至500mL，就是 2.0L四缸，再减1缸，就是1.5L 3缸。背景介绍到此结束，下面作者就针对该2.5L 四缸发动机产品进行深度解密。

2 A25A 发动机

在TNGA的概念下，未来10年至20年，丰田需要对所有发动机进一步提高燃油经济性，贯彻节能环保的形象；此外，未来的发动机需要满足各国更严格的排放法规（NEDC切换至WLTP）；另一方面，丰田希望产品不再中庸，为了迎合年轻客户期望的"驾驶乐趣"，需要高性能和优异的驾驶性能。简而言之，就是在发动机的三大要素，排放、油耗、性能上都要有所突破。

为了应对这一挑战，对已有发动机进行改良是不够的，必须推倒重来，重新设计。所幸的是，丰田内部的数据库（技報、マニュアル、ノウハウ、手順書等）提供了丰富的资料，且丰田在提高热效率方面做出了大量的努力，比如在混动汽车发动机上，大量使用阿特金森循环，让热效率达到了世界最高水平的40%；在AR发动机上，研究了双喷射（D-4S）系统如何实现性能与油耗的平衡；在NR发动机上，试着运用最新一代的发动机控制模型，实现全球范围的通用化等等。

如图5所示，丰田经过数十年研究，从传统的发动机34.0%热效率的原型机出发，一方面持续降低机械损失，一方面从阿特金森循环和低温燃烧出发，热效率提高至38.5%。通过研究发现，进一步提高热效率的秘诀为快速燃烧，丰田开始持续的探讨。

图5 丰田技术路线图

通过各种研究，为了达到更高的热效率目标，丰田决定采用高速燃烧技术，并降低各种损失，从而提高燃油经济性并提高性能。

图6显示了目前主流发动机升功率和热效率的趋势，以及的性能目标。混动发动机（HEV）最大热效率设定为41%，升功率50kW/L以上；常规发动机（Conv.）最大热效率设定为40%，升功率60kW/L以上。这两个性能指标远远高于目前发动机的极限，也超出了内燃机教科书对发动机热效率预估的极限值。

PS：升功率和热效率是一对矛盾体，通过超高压缩比，缩小进气量，尽可能提高膨胀行程，是可以提高热效率的，但是由于进气量小，升功率过低，从而使发动机不具备实用性。比如普锐斯4上的发动机很早就实现了热效率40%，但是其最大升功率只有40kW/L。对于涡轮增压发动机，由于物理压缩比较低，膨胀行程较短，活塞即使到下止点燃烧压力也不能充分释放，所以涡轮增压发动机的升功率提高很容易，但是热效率会普遍低于带有阿特金森循环的自然吸气发动机。

图6 升功率和热效率趋势及性能目标

3 发动机硬件

为了达到最大热效率的40%和升功率60kW/L，通过高滚流比和流量系数实现高速燃烧。此外，还利用电动VVT（可变气门正时）实现广域的阿特金森循环，采用新型D-4S双喷射系统（Direct Injection & Port Fuel Injection）、低温EGR（废气再循环）系统、新型冷却系统热管理、电子可变容量机油泵和高能量点火线圈、应对欧6排放的双宽氧传感器排放控制模型等等。表1显示了当前的2AR-FE发动机和新型（A25A）2.5升发动机的硬件区别。

表1 丰田2.5L发动机的硬件规格对比图

详细的优化设计如图7所示，对发动机硬件涉及的所有领域进行了全方面的优化，通过实施这些新技术聚沙成塔，新型自然吸气2.5L汽油机达到了40%以上的热效率和150千瓦以上的发动机功率。

图7 运用技术汇总

4 高速燃烧技术与发动机结构

4.1 燃烧概念与目标

在项目立项阶段，为了获得更高的热效率和升功率，研发早期就研究了最合适的压缩比（ε）、冲程（stroke）和直径（bore）（S/B）。图8显示了流体动力学（CFD）分析结果，在定排量下不同S/B比对燃烧的影响。

图8 不同S/B比下燃烧性能的影响

学习过发动机燃烧理论的人都了解，从点火到火核成型，再到火焰锋面产生扩散至整个燃烧室是需要一定时间的，当时间越短，相当于发力越集中，有用功就越多。因此，燃烧速度是衡量燃烧模型优劣的重要指标。丰田通过研究，随着S/B比的增加，对燃烧速度有关键影响的湍流强度（Turbulence intensity）会更高（图7左上）。原因是在相同排量下，活塞的行程变长，在高转速下泵气效果更明显，气体流入燃烧室内的速度更快。但是随着活塞速度的增加，机械摩擦会恶化，因此热效率会降低。此外，自然吸气发动机的充填效率（Volumetric efficiency）会直接影响最大升功率，如果增加了S/B，燃烧室直径较小，影响到气门布置（大尺寸无法安置），全负荷下进气效率不高，影响到升功率。因此，选择合适的S/B比是保证热效率和升功率平衡的关键。

图9显示了用PT-power验证的S/B比和压缩比对热效率和升功率的影响的分析结果。

图9 不同S/B比和压缩比下对热效率和升功率的影响

在S/B比为1.0时，最大热效率饱和在约ε13.0。ε14.0并没有显著提高热效率，这是因为此S/B下，燃烧室内乱流强度不够，相同EGR比例下燃烧不安定，进一步提高压缩比会形成爆震，从而点火角强制延迟热效率降低（从MBT变为爆震极限点火角）。通过提高S/B比，提高了燃烧稳定性，扩展了EGR极限，提高了热效率，最大压缩比也可以适当提高。由于升功率和充填效率的相互影响，在不同压缩比下的升功率呈现不同的趋势，随着压缩比增加，即使是较小的S/B比和较大的进排气们，升功率也无法一味的上升（图9）。丰田的先行开发认为，S/B比约为1.2是最佳值，估计ε13.0可实现目标最大热效率40%，升功率60kW/L。

图10是40%热效率所需滚流强度的计算结果。考虑到冷却损失（cooling heat loss reduction）、泵气损失（pumping loss reduction）和排气损失（exhaust loss reduction）下，需要25%的EGR比例才能够实现，在如此高的废气比例下，湍流强度（turbulence intenstiy）必须达到5.6 m/s以上才能稳定燃烧。

图10 CFD模拟实现40%热效率所需要的乱流强度

4.2 燃烧设计

上一步制定了设计目标后，开始进行详细的燃烧设计。为了实现高速燃烧的理念，研究了不同硬件规格对缸内滚流强度的影响。如图11显示了不同发动机硬件规格对缸内流动特性的影响，横轴为吸气冲程开始到压缩冲程完成的曲轴角（TDC-BDC-TDC），纵轴为滚流比和湍流强度值。通过吸气冲程，气体从进气门流入燃烧室中的瞬时滚流比具有一个峰值A，然后，随着压缩行程与活塞端面的作用，产生另一个峰值B，然后开始向上止点衰减。另一方面，当瞬时滚流比达到B峰值后，由于持续的压缩燃烧室不断缩小，将滚流转化为湍流，湍流强度回达到峰值C，然后在上止点达到D值。丰田根据大量的CFD仿真和发动机试验，得到了A~C的峰值受到图10中粉红色区域的发动机规格影响。

图11 不同发动机硬件规格对缸内流动特性的影响

比如，吸气冲程的瞬态滚流比的峰值由平均滚流系数，发动机冲程运行（转速、位置），进气门打开的面积等影响；压缩冲程的瞬态滚流比受到活塞冠面的形状影响；压缩中湍流的强度峰值受到B/S比的影响。

如图12所示，通过研发发现，滚流比与湍流流强度有很强的相关性，在相同滚流比下，其预测精度约为±0.23[m/s]（图12上图）。因此通过提高滚流比来提高湍流强度是可行的。如图在引入表2中部分附加参数，比如进气门打开面积，燃烧室纵横比，活塞面高度等，预测精度可以更高，达到±0.06[m/s]（图12下图）。

图12 湍流强度预测精度的对比

表2中显示了湍流强度达到5.6m/s所需的滚流比值。其采用了辅助分析的方法，计算了常规直列四缸.2.5L发动机的滚流强度。

表2 发动机硬件参数下预测结果

4.3 燃烧室设计

如前所述，要想试验湍流强度5.6m/s，滚流比必须要达到2.8。另一方面，根据60kW/L的升功率要求，全负荷、额定转速下的充填效率需要在92%以上，进气门处的流量系数需要达到0.48，图13显示了进气门的性能目标，从图中可以看出，该设计指标难度也是很大的，需要从燃烧模型、气缸盖（进气门）、活塞顶面等方面进行设计。

图13 2.5L四缸发动机进气门流量系数性能目标

4.3.1 燃烧模型

如果要实现高滚流比，必然要对燃烧模型推倒重来。为了追求燃油经济性，必然在广域使用分层燃烧，目前世界上实现分层燃烧主要有三种模型，分为火花塞导向（spray guide）、壁面导向（wall guide）、空气导向（air guide），如图14所示。火花塞导向（图14左）在宝马奔驰等车型上应用，依靠顶置的高精度的喷油器，在压缩上止点前喷油，在火花塞周围形成弄混合气，使火核快速成形，该燃烧模型依赖火花塞的控制精度，对活塞形状没有特殊要求；壁面导向（图14中）在大众、马自达以及丰田大量应用，依靠侧置的喷油器，在合适的喷射时刻喷射，依靠活塞顶面特殊形状，反射至火花塞周围，形成局部浓混合气，该燃烧模型依赖喷射时刻，在低温以及变工况下存在局限性，且活塞顶面需要特殊设计，不利于滚流的形成；空气导向（图14右）顾名思义就是在不同喷射时刻下，依靠空气的快速流动，形成局部浓混合气，它依靠空气的流动速度以及活塞顶面的形状设计。因此，空气导向的燃烧方式与丰田新款发动机追求强滚流比的需求不谋而合，丰田也就采用了空气导向式燃烧模型。

图14 三种稀薄燃烧模型

4.3.2 气缸盖（进气门）设计

高滚流比和高流量系数是一对矛盾。一般来说，进气门是圆形的，进气端面也是圆形的，气门打开后，气体会随着气门四周扩散至燃烧室，如果气门开口越顺畅，流量系数会越高；另一方面，要实现高滚流比，必须将气体按照规定的单方向流出，四处扩散的进气反而会相互干涉，降低气流动能。因此为了满足这对矛盾体，丰田对进气道进行了重新设计。

一般的发动机气缸盖气门座位置会安装一个气门座圈，安装座圈后，气门工作时会直接与座圈接触而不是气缸盖气门座位置。这个气门座圈由合金铸铁或粉末冶金或奥氏体钢材料制成，耐高温和冲击载荷的能力比普通铸铁或铝合金强。气门座圈的存在可以延长气缸盖的使用寿命。由于气门在高速运行，气门和气门座之间要保证足够高的密封性，且为刚性接触，这对气门座的材料要求极高，传统发动机采用的是压接设计气门座（Press-fit valve seat），即如图15左边所示，通过液氮等对高强度气门座进行降温，使其冷缩，再压入气缸盖中；由于压接工艺对周围厚度有一定要求，气门直径和夹角无法自由设计；如图15右边所示，激光熔膜工艺下的气门（Laser cladded valve seat）设计，可以跳出安装局限，适当增大进气门直径，并扩大进气门与排气门之间的夹角（丰田这款发动机进排气门夹角达到41度）。因此，可以将进气门流到燃烧室的气体直线化，减少气体沿程阻力。当然，激光熔膜工艺后还需要进行后续的机加工，排气门技术要求没有这么高，依然采用传统的气门座实现增强耐久性的目的。