自然吸气发动机到底还有多大潜力

卫东 马爽

9月14日，由汽车与运动杂志社与广汽丰田联合主办的2018广汽丰田汽车动力品鉴会在广州成功举办。

“中国心”年度十佳发动机评选专家评审委员会主任王建昕，评委许敏、李理光、李君、尤林华、邹博文、辛军、陈德安，中国石油大连润滑油研发中心评定中心主任黄胜军，汽车与运动杂志社出版人周丽娟，汽车与运动杂志社执行主编杨建军，中国汽车报社首席记者秦淑文，丰田汽车公司Toyota Compact Car Company主任工程师铃木启友，丰田汽车公司先进动力总成企划管理部部长渡边泉，丰田汽车公司发动机设计部发动机总成主查松井淳， 广汽丰田汽车有限公司副总经理江口浩二，广汽丰田汽车有限公司副总经理肖宁，丰田汽车研发中心（中国）有限公司北京分公司总经理汤田修事出席了此次汽车动力品鉴会。

王建昕主任首先致辞：“‘中国心年度十佳发动机评选已经走过了14年，不断实现着当初的宗旨。今天这个汽车动力品鉴会也是一个非常好的机会，在这里不但能深度了解丰田先进的TNGA 2.0L发动机技术，还可以试驾搭载这款发动机的C-HR车型，这将会是一场非常有意义活动。”

汽車与运动杂志社出版人周丽娟感言到：“今日能在这里相聚分外感慨，从今年6月到9月，这已经是我们主办的第四场汽车动力品鉴会，从几次活动中我们也看到了车用内燃机还有着无限魅力。我们对这款丰田全新TNGA 2.0L发动机充满了期待。经过14年的打造，‘中国心已经成为国内惟一的发动机评选技术平台，一个合作的平台、开放的平台。”

广汽丰田汽车有限公司副总经理江口浩二先生希望通过此次品鉴会，让各位嘉宾充分了解丰田的这款技术特点鲜明的发动机。

丰田汽车公司Toyota Compact Car Company主任工程师铃木启友介绍了C-HR的设计理念和开发目标。作为第二款TNGA架构下的新车型，C-HR在欧洲广受好评，在国内也成为了热门话题。以独特设计理念、运动的个性带来舒适的驾驶体验。在介绍之后，专家们探讨了C-HR在丰田车型中的定位。

丰田汽车公司发动机设计部发动机总成主查松井淳深入浅出地讲解了TNGA 2.0L发动机，这款发动机以高速燃烧、双喷射、高转速提供更好的动力输出和油耗水平。讲解会中PPT所涉及的全部内容非常详细，但由于有些内容涉及到了丰田的研发机密，我们不得不在此忽略掉这些内容。对于这款发动机实在诱人的技术，我们本着好东西要让更多人欣赏的原则，尽可能地多刊登一些，以飨读者。

开发TNGA动力系统总成的目标是什么呢？松井淳告诉我们丰田对于传统发动机的挖掘从来就没有停下脚步，他们认为传统发动机还有很大潜能亟待发挥。而且，目标只有一个：“动力总成（发动机/变速器）系统效率最大化”。

就像TNGA架构下的这台2.0L发动机，它不仅注重提升发动机本身效率，更是从动力总成系统方面全面提升。充分利用自然吸气发动机热效率较高的优势继续深耕，把高热效区范围进一步扩大。同时，由于提高了转矩以及使用齿比更宽的变速器，可以更充分、更灵活地利用高热效区，进一步提升发动机的动力性和经济性。综合以上考量，这台全新的TNGA 2.0L汽油发动机加速性能和油耗表现相比老款都提升了约18%。

丰田对于这款全新TNGA架构推出的2.0L发动机的目标又是什么呢？首先是要把燃烧状态统一化，同时，在世界顶级热效率和输出功率之间取得完美平衡。作为一款传统发动机，TNGA 2.0L发动机的热效率可以达到40%，这在之前只有混动系统的专用发动机才能做到。同时，作为一款自然吸气发动机，升功率达到了63kW/L，兼顾高热效率和高输出性能，对于丰田的研发人员来讲这绝对是一项有着世界级难度的挑战。

简单来讲，TNGA 2.0L发动机的研发目标就是要成为一台高度兼顾世界一流功率和热效率的自然吸气发动机，并且满足各国最严苛的排放法规（排放性能：中国：国6、日本：平成30年法规、美国：SULEV、欧洲：欧6）。

40%热效率同时还具备63kW/L的升功率，需要哪些黑科技？在解读黑科技之前，我们首先需要了解几个关键词。97.6mm长冲程、13∶1高压缩比、缸内直喷+气道喷射的D-4S双喷射系统、高效率进气道以及大比例EGR。正是这些关键技术最终造就了一台史无前例的传统汽油发动机。

针对世界第一的高速燃烧，丰田采用了整体研发。这台TNGA 2.0L发动机把气门夹角从原来的31°扩大到了41°，可以装配直径更大的气门，这使得进气流速进一步增加，同时缸内的滚流也得到了增强。

长冲程体现在最佳行程/缸径比。经过丰田多年潜心研究以及实验求证下，认为1.2为最优值。针对得出的结论，这台TNGA 2.0L发动机的冲程设定为97.6mm、缸径设定为80.5mm，冲程比为1.22。

激光熔覆阀座，可以说是丰田最新工艺开发和新材料开发的代表之一，其可以降低上部气道高度，把气道做成像赛车那样平直的形状，解决了增大进气流量和增强滚流这一两难的课题。这项工艺需要用激光把金属粉末熔融，使其与基本体材料凝结为一体，这也是TNGA的招牌技术，未来这一工艺技术将会成为丰田量产发动机的标配。

D-4S双喷射系统大家可能并不陌生，可以说它将丰田传统动力发动机推向了新高度。TNGA架构下的2.0L发动机采用了第四代D-4S双喷射系统，重新设计的锥形多孔直喷喷油器使得喷雾型状自由度进一步提高，贯穿距比第一代缩短35%，有效改善了湿壁现象的发生。

轻量化方面，这台TNGA 2.0L发动机几乎是做到了极致，活塞连杆材料采用了高强度材料，配合楔形加工技术使得比现有连杆减重28%。得益于曲轴刚性、配重块形状的优化，使其可以应对高转速的需求，而且相比现有产品减重12%。第一缸取消部分水套，缩短了缸体长度，使得该发动机的缸体结构更加紧凑。同时为了保证缸体冷却性能不受影响，丰田工程师在两缸缸套间距仅为7mm的空间内钻孔。最终这台TNGA 2.0L发动机重量仅为103.3kg。

拥有多年赛事经验的丰田豪不吝惜地将赛车技术也应用到了这台最新发动机上，3个冷却喷嘴设计可有效降低高功率输出时活塞的高温。最高转速6800rpm时活塞速度高达22m/s，为此丰田采用了偏心桶面油环技术，进一步提高刮油性能。

减磨方面，这台发动机采用了激光纹理技术活塞裙，该技术是指通过激光加工形成网纹沟槽结构，生成最适合的油膜厚度，提升润滑效果。连续可变机油泵的流量从0—MAX都可自由设定，任何行驶状态下都可以提供最适度的机油量，优化主油道内油压、大幅降低摩擦。

全新TNGA架构的2.0L发动机产品将会以商品力取胜，也就是我们常说的油耗与动力性。它将会带给消费者自然吸气发动机原有的线性加速感，以及不惧增压的输出性能。高速燃烧、大比例EGR、低摩擦、热管理优化、轻量化、紧凑化将会让消费者获得更加完美的燃油经济性。秉承丰田核心发动机“全世界制造、全世界行驶”的理念，采用TNGA架构的发动机可进一步降低成本（减少机型种类、大幅降低研发费用），这也将为丰田未来的产品提供更具优势的竞争力。讲解过后的讨论环节，专家们就大比例EGR等技术与丰田专家进行了探讨，之后大家参观了广汽丰田的生产线。

出色的发动机要与整车有更好的匹配，所以实车驾驶也是考量一款发动机的重要一环。老师们在驾驶过C-HR之后，都认为这款自然吸气发动机的动力输出较为顺畅，加速能力出色。试驾之后，便来到了这次活动最后的环節——技术交流座谈。

李君老师率先发言：“按照丰田的预计，自然吸气发动机的热效率能达到什么程度？”渡边泉先生回应李君老师的问题：“如果没有某些技术突破的话，自然吸气发动机热效率到45%就比较难了，到50%就需要增压加稀薄燃烧等其他技术的支持了。”

中国石油大连润滑油研发中心评定中心主任黄胜军就润滑油问题与丰田专家进行交流，目前C-HR所使用的机油为0W-16低粘度机油，对减少油耗有很大贡献。辛军老师与丰田专家探讨了1.5T发动机与2.0L自然吸气发动机在运行中带来的不同效果，李理光老师就活塞环的新设计理念与丰田专家进行了探讨。

目前中国的大学所培养出的人才如何在短时间内和企业的需求合拍，这是像王老师这样的大学教授苦恼的事情，所以就这个问题王主任与广汽丰田汽车有限公司副总经理肖宁交换了看法。王建昕主任还非常关注汽油发动机压燃技术，对于这点渡边先生认为目前阶段，从产品稳定性角度来衡量，还是火花塞点火会更稳定、更可控一些。

会议最后，王建昕主任总结道：“2018广汽丰田汽车动力品鉴会内容很丰盛，我们深入了解这款2.0L发动机，给我们带来的收获主要有两点，第一是带来了全新的设计概念，如激光熔覆阀座技术等，可以实现高速燃烧；第二，也让我们感受到了丰田对技术研发的认真态度，就是我们常说的工匠精神。发动机每一部分做得都非常精致，40%的热效率实际上是基于多项精细化研发的基础上才实现的。‘中国心 年度十佳发动机评选是一个开放的平台，在这里，大家共同探讨发动机技术，最后也感谢广汽丰田对这个平台的支持和认可。”

随后广汽丰田汽车有限公司副总经理肖宁表示：“很荣幸与各位专家在广州南沙工厂谈论广汽丰田发动机技术，大家留下的宝贵建议会鼓励我们开发出更好的产品。中国生产的C-HR率先搭载了TNGA 2.0L发动机，体现了丰田对中国市场的重视。今后我们会导入更多的车型，如HEV、PHEV、EV，来满足用户的需求。”