目前世界效率最高的汽車發動機的效率達到多高呢？

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來源：新普銳斯的發動機熱效率超過40%，豐田怎麼做到的？

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雖然現在我們已經被各種電動車、混動車刷屏，但是一直伴隨大多數人的還是傳統能源汽車，和傳統發動機有關的科技動向也值得我們關注。

法蘭克福車展上，豐田展出了前幾天剛剛發布的第四代混動車型普銳斯，除了獨特的造型之外，新普銳斯的發動機熱效率已經達到了逆天的 40%。

40%是一個什麼概念呢？目前汽車發動機熱效率還是 30%左右，柴油機熱效率比汽油機稍微高一些。我們在汽車尾部所看到的 TSI、TFSI、EcoBoost 等等標識都是為了提高發動機熱效率所誕生的技術，熱效率提高 1%都是了不起的進步。

而豐田居然超過了 40%！這個數字，實在是值得他們吹上一陣子的，因為確實是絕活。

40%！豐田動了哪些手腳？

1. 提高廢氣再循環率（EGR）

廢氣再循環是將發動機燃燒後的一部分廢氣，再導入吸氣側。豐田的冷卻再循環廢氣可以提高發動機的熱效率，降低氮氧化物排放，減小發動機爆震傾向。

豐田此次將這款發動機的 EGR 率從 21%提高到了 28%。

普銳斯 EGR 系統

為了提高發動機的 EGR 率上限，豐田的想法是提高燃燒速度。為了提高燃燒速度，就要讓氣缸內有理想的氣體流動。豐田把氣缸內的滾流比（活塞運動方向的渦流強度與軸向渦流強度之比）從之前的 0.8 提高到了現在的 2.8。

為了提高滾流比，豐田改變了過去進氣口的造型，這樣一來，進氣後形成的就是垂直方向的渦流，效果很理想。據豐田估算，在 2000rpm 轉速時的壓縮行程中，氣缸內部氣體的平均湍流速度從 2.5 米/秒，提高到了 3.4 米/秒。

這樣一來，即使是在上止點，氣缸內的氣體流動狀況也很好。

2. 改變活塞表面形狀

豐田把這款發動機活塞表面的淺坑直徑減小了，這樣活塞對缸內氣體的擾動效果就更加明顯。但是氣體過高的流動速度，會很難點火。為了解決這個問題，豐田的研究團隊又提高了火花塞的點火能量，從 35mJ 提高到了 100mJ。

事實上，豐田對新款普銳斯發動機的改動，應該不止以上兩點。

40%已經很了不起了

在 2011 年 4 月，豐田方面曾宣布，在未來，豐田混動車所搭載的發動機熱效率的目標是 45%。現在看來，豐田的願望並沒有實現，但是他們已經處於領先地位了。

豐田的這款熱效率高達 40%的發動機，可以說是目前量產型號中熱效率最高的汽油機了。第一代和第二代普銳斯所用的是「1NZ-FXE」發動機，熱效率是 37%。第三代普銳斯所用的是「2ZR-FXE」發動機，熱效率是 38.5%。一款量產機型熱效率從 37%到 40%，用了 14 年的時間。

值得注意的一點是，豐田這款最新的發動機還是自然吸氣的。

其實在 2011 年，豐田的團隊就把「1NZ-FXE」（普銳斯第一代和第二代的發動機）的熱效率提高到了 42.4%，在使用渦輪增壓的狀態下，這個數字上升到了 43.7%。

豐田 1NZ-FXE 發動機

然而在第四代普銳斯中，發動機熱效率卻是 40%。

其實以現在的科技，要讓發動機有超過 40%的熱效率是不難的事情。但再好的技術都要量產，要同時兼顧動力、排放、成本、壽命等因素，這就是「大工業」了，並不是實驗室所能解決的，量產必須學會妥協。

發動機是一個很系統的工程，可以說是牽一髮而動全身，某些參數並不是越高越好。我們前面所提到的 EGR 率，活塞表面形狀，只是影響發動機性能的冰山一角。

雖然傳統發動機汽車天天被電動車秒，但是對於豐田來說，他們依然堅信現在的發動機還有潛力，加上日本人的固執，在探索傳統發動機極限這件事上，他們應該會非常執著。

目前最高的汽油發動機不清楚，但是量產的發動機里，目前最高的是豐田第四代普銳斯上所用的1.8L阿特金森循環發動機，熱效率40%。

另外，柴油機和其他燃料的活塞發動機我並不了解。

其他類型的發動機我也不清楚。

豐田自動織機在「第44屆東京車展2015」（10月29日～11月8日）上展出了效率出色的2.8L排量直噴渦輪柴油發動機「1GD-FTV」。這款發動機由豐田開發，由豐田自動織機生產。通過採用高隔熱的柴油燃燒等措施，將最高熱效率提高到了44％，達到全球最高。這款柴油發動機已配備到4輪驅動的「陸地巡洋艦普拉多」及小型皮卡「Hilux」上。

為了提高熱效率，1GD-FTV採用了減少燃燒時的冷卻損失的燃燒改善技術「TSWIN（Thermo Swing Wall Insulation Technology）」。在活塞的頭頂部採用了隔熱性和散熱性都很好的「易熱易冷」二氧化硅強化多孔質陽極氧化膜塗層。一方面減少燃燒時由活塞傳給汽缸體和冷卻水的熱量，另一方面，可提高吸氣行程的散熱速度。由此，燃燒時的冷卻損失最高可削減約30％。

此外，還通過改進進氣口的形狀使空氣更容易進入、採用提高了噴射壓力的共軌式燃料噴射系統以及優化燃燒室的形狀等手段，提高了最高熱效率。

渦輪式增壓器採用可變幾何渦輪增壓器。該增壓器裝有噴嘴葉片，在低速低負荷狀態下突然需要較大扭矩時（信號燈變化後由停車狀態起步等情況下），關閉葉片，由渦輪葉輪接收尾氣。由此可以提高轉速，迅速提高增壓壓力。這時會有大量空氣輸送給發動機，便能獲得較大扭矩。

可變幾何渦輪增壓器的尺寸比原來減小了大約30％，同時提高了效率。隨著效率提高，對油門操作的響應性提高了大約50％。這是通過改善渦輪和葉輪的葉片形狀，將滑動軸承由全浮式變成半浮式等實現的。

阿特金森發動機

不過它只在較小的工況區間下效率高，其他工況下不是很理想，所以被用作發電機，很划算。

乘用車用汽油機能做到40%是相當牛逼的水平了。我做過一台上柴的9升商用車用柴油機最高的熱效率能到39~41%左右。康明斯2016年的目標是49.1%，2016年是是52.9%。而參考內燃機的極限熱效率大約55%（實際循環）。我不太科學地認為最高效的內燃機是兩衝程船用低速柴油機的熱效率就是55%左右。

補充：簡單說只有達到那個尺寸、轉速才有那個效果。我提到的高效的船用柴油機指的是油輪、15000標準箱集裝箱船用的，五層樓高，缸徑可以到1000mm，直列11缸。典型集卡用的只有114mm。轎車可能90mm。摩托車顯然更小。顯然小機器無法容下大心臟。

車輛、船舶等等發動機體量和熱效率是成正比的。和發動機額定工況轉速成反比的。上面兩句話是體會不太嚴謹，但是大方向是沒問題的。

原理細說因素太複雜。我的理解是船用柴油機低轉速長衝程，燃燒過程緩慢而充分。而且機體強度極高可以上高增壓比的增壓器。而且輪機倉地方大可以上很多技術手段。

如果感興趣可以看看內燃機學和輪機技術。

現在汽油機的熱效率在25%—35％，而柴油機的熱效率在35%—45％。就算是極其注重熱效率的豐田，汽油機最高也只能達到41%。所以說，燃油發動機的研發之路還有很遠，還需要工程師們不屑的努力開發。

賓士2015年的f1動力單元熱效率達到了45%

更新：梅奔說他們17動力單元熱效率達到了50%。

牛逼

內燃機的熱效率低除了上文中的進氣量丶傳熱丶排放丶機械損耗，還有什麼？上文中氣體流動方向比是否譯錯了。是否有能量增強的機器？