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40% 热效率是如何达成,内燃机还值得挖掘么?

AutoLab 10-13

40%的热效率是一个很厉害的事情,而且还是在民用车领域。举一个例子,现在热效率最高的是奔驰和法拉利F1赛车引擎,热效率达到45%左右,但那也不是单凭内燃机的能耐,而是一套混合动力系统的总效率。

40% 热效率是如何达成,内燃机还值得挖掘么?

奔驰AMG车队F1引擎热效率达到45%

柴油机的热效率比汽油机要高,世界上最高效的是那些大型的船用低速柴油机,能达到最高50%的热效率。

所以对于民用汽油机来说,40%的热效率即使不是极限,也已经离极限不远了。

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40% 热效率是如何达成,内燃机还值得挖掘么?

国产丰田凯美瑞以及其采用的2.5L热效率40%引擎

2016年12月初,丰田公布了全新一代2.5L汽油引擎以及搭载在混合动力车型的派生型号,采用了一系列的新技术,其热效率更高达40%以及41%,丰田把这一系列的引擎命名为"DynamicForceEngine"。

40% 热效率是如何达成,内燃机还值得挖掘么?

丰田是如何做到的?但40%的热效率除了带来出色的燃油经济性外,会不会有什么副作用?我们以搭载编号A25A的普通2.5L直列4缸自然吸气引擎的凯美瑞为例,揭开这一系列的黑科技。

简单来说,要提升引擎热效率,你必须做好几件事情。最重要的是提高压缩比,压缩比越高做功就越有劲,效果立竿见影。第二是你得想办法让汽油燃烧得更充分,让"马儿跑得快又少吃草"。第三就是减少引擎的摩擦和提升热管理,让引擎自身的能耗尽量减少。

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后期发布两款2.0LDynamicForceEngine,热效率同样达到40%和41%

为此丰田的2.5LDynamicForceEngine,引入了长冲程和高压缩比、多孔缸内直喷、全新VVT-iE、可变冷却系统和可变润滑系统等一系列技术。

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上一代2.5L凯美瑞采用的5AR-FE引擎,缸径和冲程分别为90mm和98mm,而新一代A25A引擎改为87.5mm和103.4mm。长冲程的一个好处就是提升引擎的扭力,特别是在低转速的时候就会有充沛的扭力。如果引擎低转速时就有足够的扭力,日常使用时候就不用经常拉升转速,引擎转速越低就越省油。

但长冲程的缺点就是引擎转速提升会比较慢,高转性能也受影响,所以那些高性能车们都偏爱短冲程。至于凯美瑞嘛,代步挺好的……

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马自达创驰蓝天引擎压缩比同样为13

凯美瑞上一代2.5L引擎压缩比仅为10.4,而后来推出的技术更先进的2.0L提升到12.7,而新一代热效率40%引擎直接提升到13,而热效率41%的混合动力版甚至提升到14。当然14是在阿特金森技术下才能获得的,普通汽油引擎达到13已经非常厉害,因为采用创驰蓝天技术的马自达也只能达到13。

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一代名机三菱红头4G63是典型的长冲程设计,不过是涡轮增压加持

D-4S燃油双喷射系统(包括歧管喷射以及缸内直喷)就不多解释了,这项原来是丰田的独门技术,现在已经被包括奥迪在内的很多品牌仿效。不过DynamicForce采用的多孔缸内直喷技术非常领先。

40% 热效率是如何达成,内燃机还值得挖掘么?

D-4S双喷射设计,缸内直喷采用多孔喷嘴技术

缸内直喷引擎一个关键技术是高压的燃油喷嘴,直接把汽油喷到气缸内部,而不是以前的喷在进气歧管里,这就是所谓"缸内直喷"。但这个喷嘴是单孔设计的,而丰田这一次采用了多孔喷嘴设计,目的还是想让汽油颗粒更细,最终燃烧更充分。

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DynamicForce引擎另一个技术特点就是扩大气门夹角,现在的夹角达到41度之大。大气门夹角好处就是进气阻力小,单位工作循环进气量多,动力性能好。现时凯美瑞2.5L最大输出达到了209马力,同样是13压缩比的马自达2.5L输出只有192马力。

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气门为大夹角的41度,并且用上了激光熔覆工艺

除了扩大气门夹角,丰田为了提高进气效率,在进气门座上用上了黑科技的激光熔覆技术。激光熔覆(LaserCladding)通过在基材表面添加熔覆材料,并利用高能密度的激光束使之与基材表面薄层一起熔凝的方法,在基层表面形成与其为冶金结合的添料熔覆层。

用上激光熔覆工艺,可以把气门座加工成不规则的形状,最大限度地提升气门大小和开启的行程。丰田连这一点小细节都抠得那么认真,另一个角度也证明了内燃机要提高热效率的确很有限了。

40% 热效率是如何达成,内燃机还值得挖掘么?

丰田用上"无所不用其极"的方法,把一副普通的汽油引擎热效率提升到40%,但相信40%的热效率即使不是极限,也已经离极限不远了。

40% 热效率是如何达成,内燃机还值得挖掘么?

而像F1混合动力系统已经把热效率提升到45%以上,所以混合动力、特别是低成本的48V轻混合动力技术成熟后,更会帮助传统内燃机跃上一个更高的台阶。

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