在當今車壇,隨著科技的進步,發(fā)展出越來越多曾經(jīng)無法想象的先進技術(shù),其中大家關(guān)注度最高的,莫過于汽車發(fā)動機技術(shù)的進化。曾幾何時,不敢想象一輛叫做寶馬i8的汽車可以用一臺1.5升三缸發(fā)動機爆發(fā)出231馬力,也不敢相信一輛奔馳S級Plug-in Hybrid的油耗可以低至2.8升/百公里。而就在最近,全新一代凱美瑞又一次讓全球車迷驚訝,它竟然把一臺自然吸氣四缸發(fā)動機的熱效率拉高至40%,看吧,汽車的世界是多么瘋狂!
其實這個消息一經(jīng)爆出,就引起了業(yè)界的一片驚嘆,一向以產(chǎn)品可靠耐用而著稱的豐田,發(fā)布這臺技術(shù)領(lǐng)先的發(fā)動機必定已經(jīng)過充分的考量。這款舉世矚目的全新2.5升直列四缸自然吸氣發(fā)動機,會裝配在即將由廣汽豐田國產(chǎn)的全新第八代凱美瑞身上。而更令人驚訝的是,除了這臺自然吸氣發(fā)動機的最大熱效率達到40%外,混動版本的發(fā)動機熱效率更達到了41%!使其再次站上了世界量產(chǎn)車熱效率最高峰。
到底什么是熱效率
熱效率這個詞聽起來似乎有些枯燥,教科書上嚴謹?shù)慕忉屖菃挝惑w積的燃料內(nèi)能轉(zhuǎn)化為動能的比值,比例越高證明燃料轉(zhuǎn)化成動能的效率越高。而對于我們普通消費者而言,可以理解為這個比值越高發(fā)動機動力越好、油耗更低、排放水平更佳。
不過你知道嗎,對于汽車發(fā)動機來說,能量的損耗是不可避免的,目前全世界所有汽油車的發(fā)動機熱效率都沒有可能達到50%,這也說明:就算你的車加滿一箱油,其實真正被“消耗”到車輪上的動力還不足一半,其中很大部分都被各類能量損耗給用去了。
那么除去轉(zhuǎn)化成動能應用在車輪上的燃料外,剩下的汽油都去哪了呢?這其中大部分燃料會被發(fā)動機的冷卻系帶走,叫做冷卻損失,一部分以排氣方式排到大氣中去,叫做排氣損失,這兩塊比重最大,約占總能量的左右,但這又是無法避免的能量消耗,所以為了發(fā)動機可以“少吃糧,多奔跑”,只能從剩余的那60%入手。
“想要馬兒跑,又要少吃草”是亙古不變的難題,在汽車領(lǐng)域也是如此,而且汽車不僅要考慮能耗問題,還要顧及日趨嚴苛的排放法規(guī)。以汽車大國美國為例,到2025年,每家汽車制造商所銷售汽車的平均燃油經(jīng)濟性(CAFE)必須達到54.5mpg(相當于4.31L/100km),相較此前標準基本是“翻倍”的。為此,各大車企也是傷透腦筋,努力研發(fā)新技術(shù)以應對新的法規(guī)。而在我國,隨著“國六”排放標準的出臺,可以說將來也會是全球最嚴格的排放標準之一。
應對難題,研發(fā)技術(shù)
為了應對這一困難,眾多廠家開始絞盡腦汁,努力研發(fā)新技術(shù),而發(fā)動機熱效率的高低則是直接影響油耗和排放數(shù)據(jù)的重要一環(huán)。就以使用一臺33%熱效率發(fā)動機的汽車來說(目前大部分汽車發(fā)動機的熱效率在28%~33%之間),改用40%熱效率發(fā)動機后,整車的燃油經(jīng)濟性可以提升15%~20%。
以一輛百公里平均油耗7升,一年行駛15000公里的車來計算,使用熱效率40%的發(fā)動機,一年至少能省下200升汽油,大約可節(jié)省1300元油費以上,而節(jié)省的這200升汽油不僅可以省下不少燃油方面的開支, 還可以為地球環(huán)保做出貢獻。
但是要知道,提高熱效率可絕對不是一件容易的事,以目前慣用做法來看,想要提升汽油發(fā)動機的熱效率主要從四個方面著手,一是提高壓縮比,二是采用直噴技術(shù),三是提高廢氣再循環(huán)率(EGR),四是使用阿特金森循環(huán)。
而說到這,就不得不提馬自達的創(chuàng)馳藍天技術(shù)。記得在創(chuàng)馳藍天技術(shù)剛剛推出的時候,其廠家就宣稱這套技術(shù)擁有高壓縮比的特點,擁有更好的燃油經(jīng)濟性和動力響應。但是要知道,在老款創(chuàng)馳藍天技術(shù)上,它們的做法是采用了阿特金森循環(huán),在原有的奧托循環(huán)上推遲了進氣門關(guān)閉的時間,使膨脹比高于壓縮比,在同樣的壓縮行程下,膨脹行程的增加可以獲得更多的有效功。
而在最新的創(chuàng)馳藍天技術(shù)中,馬自達在汽油發(fā)動機中模仿利用了柴油發(fā)動機特有的壓燃點火方式,在原來基礎(chǔ)上再次提升了壓縮比,獲得了更好的發(fā)動機熱效率。但即便把壓縮比壓榨到驚人的14:1,其熱效率也僅剛剛超過30%,這就足以說明提高熱效率是多么困難。
豐田如何打造40%熱效率“神機”?
關(guān)于技術(shù)理論層面,如何提高熱效率已經(jīng)被研究得很透徹了,但難就難在怎么應用到量產(chǎn)發(fā)動機上。有些時候為了提升0.05%的熱效率,也需要做數(shù)月甚至半年的實驗來尋求最優(yōu)解決方案,以保證它對其他性能沒有影響,再加上豐田對產(chǎn)品可靠性的執(zhí)著,就更加難上加難。
那么豐田的工程師到底通過什么方法將這臺發(fā)動機的熱效率提升到40%呢?豐田的工程師把進氣道附近缸蓋造型改為略上翹以及優(yōu)化氣門夾角。目的其實很簡單,就是幫助進氣氣流更好地在燃燒室內(nèi)形成滾流,便于燃油以及空氣的混合,這也是提升燃燒效率的關(guān)鍵之一。
而在配氣機構(gòu)方面,這臺升自然吸氣發(fā)動機使用了進、排氣門雙可變正時技術(shù),并且在進氣端使用了VVT-ie,也就是電控可變氣門正時技術(shù),電控系統(tǒng)反應速度更快、控制精度也更高。
除了發(fā)動機部分,豐田的工程師還為這臺發(fā)動機匹配了全新的8速自動變速箱,官方公布的數(shù)據(jù)顯示,與舊款凱美瑞使用的愛信6擋自動變速箱相比,全新變速箱損耗降低約50%。
就在歐美車企近年拼命推廣發(fā)動機增壓技術(shù)及純電動汽車時,豐田則另辟奇徑,將不可能變成可能,成功地將傳統(tǒng)發(fā)動機的熱效率有效提升,以及繼續(xù)改進本已全球領(lǐng)先的混合動力技術(shù),用行動來告訴大家,現(xiàn)階段究竟是什么樣的發(fā)動機技術(shù)才是最可靠實用。
正因為有著對目標如此堅定的信念和不懈努力,我們才能看到豐田推出站在世界巔峰的40%熱效率新發(fā)動機,而也有理由相信,豐田的40%“熱效率奇跡”只是個開始,隨著豐田TNGA架構(gòu)改革的開始,未來還會有更多的驚喜等待著我們?nèi)グl(fā)現(xiàn)。