丰田2.5L混合动力高效发动机技术解析

作者：小魔仙女司机
2020-12-08 08:10
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据说全新的汉兰达和全新国产塞纳将主推2.5L发动机的混合动力版本。这套动力总成目前在凯美瑞和亚洲龙上使用。这台混合动力的2.5L发动机热效率高达到41%，是目前丰田热效率最高的发动机。

一、开发背景

这个2.5L发动机除了混合动力版本外，还有传统发动机版本（最高热效率40%），另外这个2.5L发动机还有一个2.0L的衍生版本。丰田将这一全新的发动机系列称为DynamicForce。

DynamicForce发动机开发的目标是为了替换之前丰田混合动力系统使用ESTEC2ZR-FE和传统动力使用的2AR-FE发动机。在性能进一步优化的情况下，热效率大幅度提升。可以说是DynamicForce系列发动机是丰田未来在传统内燃机和混合动力发动机上的主力产品。

一般我们理解混合动力专用发动机的性能会非常差，之前丰田ESTEC系列发动机也是这样的设定，当时1.8L混动专用发动机仅仅只有71kW的最大功率。但是这次丰田DynamicForce2.5L发动机的性能目标其实设置是比较高的，在最高热效率超过40%的情况下，传统版本的2.5L自然吸气发动机达到了151kW的最大功率，250Nm的峰值扭矩，这几乎是常规自然吸气发动机的性能上限了。混合动力版本的2.5L发动机也达到了130kW的功率水平，性能也不弱。

DynamicForce系列发动机属于丰田TNGA模块化平台的一部分，因此发动机也采用了模块化设计的思路：

首先是统一了进排气方向，采用了进气在前排气在后的统一设计，保持整车安装边界的一致。另外就是重新考虑和单缸模块化的设计，通过改变气缸数量和单缸的排量来实现不同的动力组合。这样可以大幅度的降低发动机的品种。

丰田在选择DynamicForce系列发动机的基本参数时，是以如何提高热效率为目标的。因此DynamicForce系列发动机采用了小缸径大冲程的设计，缸径从上一代的90mm降低到87.5mm，冲程从98mm加大到103.4mm。小缸径长冲程的设计配合阿特金森循环使发动机做功冲程的时间更长，能够提高有效的提高发动机的热效率。

3、阿特金森循环燃烧系统

阿特金森循环燃烧系统是DynamicForce系列发动机实现超过40%的热效率的最关键技术。阿特金森循环通过可变气门正时机构和特殊设计的凸轮型线实现进气门晚关，把进入汽缸的空气再压回进气管一部分，这样给缸内燃气膨胀做功的冲程就长于实际用于压缩的冲程，实现了膨胀比大于压缩比的工作过程，热效率得到较大提升。因此丰田DynamicForce2.5L发动机的压缩比高达13：1。

（1）高滚流气道

阿特金森循环必须采用高速的燃烧系统来保持燃烧的稳定性，因此丰田为DynamicForce系列发动机设计了更大的进排气门夹角和全新的高滚流气道，加快气体在缸内运动的速度，提升燃烧稳定性。

为了降低高滚流气道对气门直径的影响，避免高滚流气道带来的性能降低的问题，丰田在DynamicForce系列发动机中采用了激光涂覆的气门座圈工艺。同时这种工艺还提高了座圈的耐磨性和油品适应性。

（2）电动进气VVT

阿特金森循环需要采用可变气门正时来实现进气门晚关的效果，丰田在DynamicForce系列发动机上采用了进排气双VVT设计，同时在进气侧采用了电动VVT，以实现快速的正时调节。

3、双喷射系统

DynamicForce系列发动机采用了丰田的双喷射系统。也就是每个气缸有两个喷嘴，一个GDI直喷喷嘴加一个PFI气道喷射喷嘴。这样可以充分发挥两种喷射方式的优势，在提高效率的同时还可以减少气门积碳。另外，需要说明的是丰田是全球最早使用双喷射系统的车企，在2005年发布的代号为D4S的3.5V6自吸发动机上，丰田第一次引入了双喷射系统。

丰田在DynamicForce系列发动机上使用了冷却EGR（废气再循环系统）技术，在部分负荷时从排气管引一部分废气重新进入进气系统，这部分废气不参与燃烧，从而降低泵气损失，提高热效率。得益于DynamicForce系列发动机的高速燃烧系统，这台发动机最高可以使用高达25%的EGR率，从而使发动机的效率进一步提升。