丰田一向给人以成熟可靠的印象，其发动机技术往往很少带有所谓的黑科技，但是其TNGA（Toyota New Global Architecture）平台下的Dynamic Force Engine发动机（凯美瑞、CH-R、雷克萨斯ES、亚洲龙等用），热效率达到了40%，在混动系统上甚至达到了41%，在民用级汽油发动机取得了领先优势。大家会很奇怪，丰田的发动机并没有使用很高大上的技术，但是整合起来却能够达到很突出效果。其实总结起来就是——积少成多，聚沙成塔。

Dynamic Force Engine为全新设计的机型，但是其所有的设计思想都在之前的发动机改进款进行过不断验证，Dynamic Force Engine发动机是丰田将旗下各发动机的优点进行整合的集大成体。这里，本文以公开文献可以查阅的另外一款机型——丰田卡罗拉/雷凌双擎1.8L发动机为背景，介绍丰田对已有机型进行升级，提高燃油经济性的技术手段。

本文从工程师的角度出发，用白话文的形式和大家进行科普。

丰田在第三代普锐斯上使用了一款代号为2ZR-FXE的发动机，这款发动机的热效率最高为38.5%，丰田在这款发动机的基础上，采用了很多提高燃油经济性的技术手段，让热效率从38.5%提高到了40%。这款发动机被应用于丰田卡罗拉双擎和雷凌双擎上面。这款发动机很多提高燃油经济性的理念，指导了Dynamic Force Engine发动机的研发。

图１比较了传统车用发动机和混合动力车用发动机的运行工况范围。传统车用发动机由于存在怠速、低速蠕行等工况，在低效率工况区域运行较多，混合动力车在怠速、低速下能像电动车一样利用电机驱动车辆，并且在部分需要性能的加速工况下可以尽可能的利用电机辅助，因此一方面发动机在标定过程中可以更多地考虑燃油经济性，比如扩大阿特金森循环的范围等，另一方面可以长时间让混合动力车的发动机在高热效率工况区域运行。由此带来的较高的热效率使混合动力车的燃油经济性优于传统汽车。

该发动机采用了各种局部提升技术改善了燃烧特性、减少爆燃、优化热管理和降低阻力，通过优化，在不改变发动机基本结构的情况下来有效提高燃油效率。这款具有较高燃油效率的新发动机成为世界上首款最高热效率达到40％的汽油机。表１列出了该发动机的主要技术规格，可以看出，该发动机并不追求功率扭矩，而是着重提高了燃油经济性。

图1 汽油机的热效率和运行比例

表1 发动机主要技术规格

2.1改善燃烧特性和减少爆震（爆燃）

2.1.1低温废气再循环

低温废气再循环（EGR）被广泛认为是１种可以提高热效率的技术。如图2所示，保证对发动机高负荷运转区域的热效率有不利的影响。冷却EGR可以减小爆震，有助于将8ZR-FXE发动机的最高热效率提高到40％（图5）。一般来说，在高负荷，由于缸内有效压力较大，混合气总体热值较高，燃烧室内的温度也会比较高，当火花塞点火后，在火焰传播过程中，未被点燃的混合气在高压高温下自发燃烧，形成爆震，如图3所示。从工程角度，为了抑制爆震，会人为推迟点火角，让燃烧趋于安定，但是，这样会导致做功冲程中部分能量被消耗，降低了热效率。因此使用EGR再循环，让部分不参与燃烧的废气进入燃烧室中，这部分气体在燃烧室内不参与燃烧，通过吸收燃烧产生的热量来降低燃烧温度和压力，从而使爆震的概率降低，通过使用EGR，点火角就不用刻意推迟，提高了燃油经济性。另一方面，NOx生成是需要温度条件的，如图4所示，EGR降低了燃烧温度，能极大的降低NOx排放（许多人都以为将废气再进入燃烧室内烧干净从而降低排放是错误的！）。EGR是一个很好的节能减排手段，但是EGR却又不能无限提高，这里有一个重要的因素就是当废气多了后，燃烧速度会变慢，发动机内部扭矩变动会增加（TF），燃烧变的不安定，会影响到NVH性能，所以这里存在一个标定的平衡，增加EGR和保证TF。可是我们想提高EGR使用率怎么办呢？从原理出发，就只能提高燃烧速度了。