減排與電動化 聊豐田TNGA架構動力系統

　　[汽車之家 技術]  廣汽豐田全新凱美瑞將會在今年11月份上市，它也是首款國產的豐田TNGA（Toyota New Global Architecture，豐田新全球架構）車型。除了煥然一新的外觀內飾外，另一大看點便是源自TNGA架構的全新動力總成，這其中包括了目前量產車中最高燃效的全新2.5L自然吸氣發動機，以及8AT自動變速箱、全新結構的E-CVT自動變速箱。好了，現在讓我們坐下來，看看豐田為這次從“芯”出發做了哪些準備。

● 豐田TNGA架構旗下已有多款量產車型產品

　　豐田TNGA架構的首款車型是2015年12月在日本率先上市的第四代普銳斯。去年在海外上市的C-HR和今年在海外上市的新凱美瑞同樣源自與TNGA架構。豐田預計，在2021年之前，豐田品牌車型銷量的60%以上將會是TNGA架構衍生出來的產品。

　　根據目前的消息，率先國產的TNGA架構車型為全新凱美瑞和C-HR。這兩款車型將落戶廣汽豐田，由廣汽豐田位于廣州南沙的全新第三工廠生產，該工廠設計產能為22萬臺/年。而C-HR的“姐妹車型”（就像雷凌和卡羅拉之間的關系）將會由一汽豐田位于天津的全新工廠生產，該工廠設計產能為20萬臺/年。未來一段時間，豐田在中國推出的TNGA架構車型都會由這兩個工廠生產。

　　豐田TNGA架構的理念與其他廠商采用的模塊化平臺略有區別，除了模塊化生產外，其在項目規劃、產品設計、研發階段形成了更為統一的整體。相比早年間單一車型單一平臺的做法而言，車輛零部件通用率更高。因此，TNGA架構的使用無疑對豐田降低產品研發、制造不同環節的周期、成本都大有裨益。

　　豐田TNGA架構的應用是的其產品在動力系統、車身結構、制造工藝、懸架系統、空氣動力學、NVH性能以及人體工程學上都作出了優化來實現整車性能的進一步提升，其中又以動力系統的改進最為明顯，這也是下文將要展開講解的內容。

● 進一步實現節能、減排和電動化是TNGA架構動力系統的目標

　　歐盟排放法規一直倒逼著汽車制造廠商進行技術改進，以降低車輛二氧化碳及有害氣體的排放量。2008年，歐盟確立了2020年歐盟境內銷售的新車二氧化碳排放量要降低至95g/km的目標。作為一個全球性車企，豐田必須在“大限”到來之前把旗下車型產品的排放指標提升至歐盟標準以上，以保持其產品競爭力。按照豐田的計劃，在2021年之前，豐田旗下車型產品的二氧化碳排放量將降低15%以上（相比2015年的產品）。

　　豐田的節能減排思路在大方向上和各大廠商保持一致，通過提升發動機熱效率、降低發動機運轉損耗以及增強動力系統電動化程度來實現。技術升級的難點在于，在節能減排的同時不能降低動力輸出性能，最好還能夠在輕量化和小型化方面有所建樹。

　　豐田在過去的日子里都堅持自主研發和精益生產，對技術的專注孕育了全球首款量產混合動力車型普銳斯和全球首款量產氫燃料電池汽車Mirai。但在汽車產業產品迭代提速的今天，為了實現新車型產品的開發及緊跟技術的發展，豐田不得不通過聯合開發和技術共享來緊跟時代發展。豐田經營方式的改變正是為了應對上面提到的技術升級難點眾多與較短開發周期的沖突。從某個程度上來說，TNGA架構帶來的開發周期縮短優勢也是應對產品迭代提速的產物。

　　電動化是汽車行業未來的重要發展趨勢，而電池、電機、電控這“三電系統”則是成就電動/混動汽車的關鍵因素。有鑒于此，豐田將在2021年前增加電動化技術開發人員30%以滿足電動化技術開發的人員需求。從TNGA架構混合動力系統結構上的重大改變（具體變化我們在下文詳細講解），我們可以看到豐田在電動化領域“招兵買馬”后成果初顯。

● 發動機模塊化設計和柔性化生產

　　在過去，豐田不同系列的發動機產品會采用不同的設計，零部件通用性不高。而到了TNGA架構，豐田將更多地采用統一的設計以提升零部件通用化率。TNGA架構發動機的氣缸容積和氣缸數實現了模塊化，規格數量相較過去有所減小。工程師通過選取特定的氣缸容積規格以及氣缸數來設計出新的發動機產品。

　　發動機的模塊化設計使得在工廠可以采用統一的加工設備和工裝來實現發動機零部件的加工及整機組裝工作，提升生產線生產效率和柔性化程度（同一條生產線能共線生產更多種類的發動機）。

● 長沖程、高壓縮比的全新2.5L自然吸氣發動機

　　新凱美瑞上搭載的2.5L自然吸氣發動機是首款誕生自TNGA架構的發動機產品，其代號為“A25A-FXS”。這款發動機經過不同的調校后會搭載在傳統燃油車型以及混合動力車型之上。

　　A25A-FXS發動機采用的是長沖程設計，活塞行程與氣缸直徑的比值為1.2。長沖程設計配合大調整范圍、電機控制的進氣門正時調節機構，可在部分負載區間實現膨脹比大于壓縮比的阿特金森工作循環以提升發動機的燃油經濟性。

　　應用在傳統燃油車型上的A25A-FXS發動機壓縮比為13:1，而應用在混合動力車型上的A25A-FXS發動機壓縮比為14:1。在目前的中國市場上，只有馬自達創馳藍天系列發動機（排量為1.5L、2.0L、2.5L）采用了高達13:1的壓縮比。采用更高的壓縮比能夠提升發動機的熱效率，從而實現燃油經濟性的提升，這也是未來發動機的重要發展方向之一。

　　一般的發動機氣缸蓋氣門座位置會安裝一個氣門座圈，安裝座圈后，氣門工作時會直接與座圈接觸而不是氣缸蓋氣門座位置。這個氣門座圈由合金鑄鐵或粉末冶金或奧氏體鋼材料制成，耐高溫和沖擊載荷的能力比普通鑄鐵或鋁合金強。氣門座圈的存在可以延長氣缸蓋的使用壽命。A25A-FXS發動機利用激光熔覆工藝在氣缸蓋進氣門氣門座位置焊接上一層高強度的合金來充當氣門座圈（熔覆合金后還需要進行后續的機加工，排氣門依然采用傳統的氣門座圈實現增強耐久性的目的）。

　　在冷卻系統方面，A25A-FXS發動機采用了電動水泵、水套墊片，并在氣缸蓋上集成了EGR廢氣再循環冷卻管路。電子水泵工作時不直接消耗發動機動力，降低了發動機的負載；水套墊片對冷卻液起到導流作用，能夠在高負載工況時降低排氣門附近的溫度，降低爆震發生的幾率，為發動機工作在高壓縮比提供保證；EGR廢氣再循環冷卻管路集成化對發動機小型化有一定的貢獻。

　　4-2-1排氣系統由于排氣管路比普通的4-1排氣系統更長，所以會導致三元催化器升溫更慢。為解決這個問題，豐田在避免排氣干涉的前提下縮短了4-2-1排氣系統的管路長度，讓發動機排氣口更接近三元催化器；同時通過采用升溫更快的三元催化器來滿足暖機工況的排放指標。如果我們對比馬自達的4-2-1排氣系統以及該豐田發動機的排氣系統，我們可以看出豐田的這套4-2-1排氣系統管路更短、更直，這都是為了加速三元催化器升溫的針對性設計。（點擊查看馬自達4-2-1排氣系統解析）

　　相比現款凱美瑞上搭載的2.5L 5AR-FE發動機，應用在傳統燃油車型上的A25A-FXS發動機熱效率由5AR-FE發動機的35%提升至40%，最大馬力提升了21馬力，達到205馬力，最大扭矩提升了15�！っ祝�達到250�！っ住�A25A-FXS發動機相比舊款發動機，在動力性能和燃油經濟性上有了全面的提升。這款發動機目前是世界上熱效率最高的量產2.5L汽油發動機。

● 優化液力變矩器后的8AT變速箱

　　TNGA架構下的這款應用在前置前驅車型上的8AT變速箱出自愛信（豐田是愛信的其中一個大股東）之手，國產全新凱美瑞即將搭載的就是這款變速箱。TNGA架構下的這款8AT變速箱（下稱“豐田全新8AT變速箱”）在液力變矩器總成上有較大的優化。

　　液力變矩器總成主要由鎖止離合器、扭轉減振器和液力變矩器這三部分組成。豐田全新8AT變速箱采用了多片式鎖止離合器，并擴大了鎖止離合器的鎖止范圍（即在更低的車速下，鎖止離合器就會結合，使發動機與變速箱之間實現剛性連接），讓車輛給人以更好的直接驅動感，提升了變速箱的傳動效率和燃油經濟性。

　　由于鎖止離合器鎖止范圍的提升，液力變矩器不再需要傳遞非常大的扭矩，僅僅在起步時實現發動機與變速箱之間的傳動工作，所以其尺寸可以設計得更小。同樣的設計思路，我們在馬自達創馳藍天6AT變速箱上也能看到（點擊查看創馳藍天6AT變速箱拆解內容）。為了在鎖止離合器結合后，有效抑制發動機的振動、沖擊傳遞至變速箱，液力變矩器內部帶有一個高阻尼扭轉減振器。這個高阻尼減振器內部帶有彈簧元件，可對振動和沖擊起到緩沖作用。

　　相比舊款的6AT變速箱，豐田全新8AT變速箱的總長度縮小了5mm，齒輪箱的長度縮小了15mm。由于擋位數的增多，豐田全新8AT變速箱的齒比范圍更寬廣，有利于增強起步時的提速性能及高速巡航時的燃油經濟性。

● 應用在后驅車型上的10AT變速箱

　　除了上面介紹到的8AT變速箱外，TNGA架構下還有專為前置后驅車型而設計的10AT變速箱。這款全新的10AT變速箱同樣由愛信打造。雷克薩斯LC500車型便采用了這款全新的10AT變速箱。豐田下一代皇冠也有可能會采用這款變速箱。

　　與上文介紹的用于橫置發動機平臺的8AT變速箱一樣，這款全新10AT變速箱采用了多片式鎖止離合器，同時增大了鎖止離合器的鎖止范圍，讓車輛給人以更好的直接驅動感，提升了變速箱的傳動效率和燃油經濟性。

　　該10AT變速箱主要是為高端車型或注重運動性能的車型配置的，所以其換擋速度至關重要。官方公布該變速箱的換擋時間為220毫秒。這與一直以換擋速度見長的雙離合變速箱200毫秒（大眾的數據）的換擋時間已非常接近了。

● 與2.5L A25A-FXS發動機匹配的混合動力系統

　　與2.5L A25A-FXS發動機匹配的混合動力系統實際上就是應用在第四代普銳斯上的第四代THS（Toyota Hybrid System）混合動力系統（下稱“THS-IV”）。

　　相比現款凱美瑞混合動力車型，采用2.5L A25A-FXS發動機+THS-IV的全新凱美瑞混合動力車型在油耗上有20%的提升（JC08標準），加速時間縮短10%（40-70km/h中間加速時間）。

　　從參數上來看，鎳氫電池的容量要大于鋰電池，該電池或將應用在配備E-Four電動四驅系統（后橋安裝一個電動機實現四驅功能）的車型之上。中國市場全新凱美瑞混合動力車型應該只有兩驅版本，所以預計會配置鋰電池作為動力電池。

　　豐田以往的混合動力系統的電池都布置在后備箱內。由于新的動力電池體積更小，因此能布置在后排座椅下方（與油箱布置在一起），不再占用后備廂空間。

● 與1.8L 2ZR-FXZ發動機匹配的插電式混合動力系統

　　與1.8L 2ZR-FXZ發動機匹配的混合動力系統目前已經搭載在第四代普銳斯之上，也就是上文提到的THS-IV。而豐田普銳斯有混合動力版和插電式混合動力版之分，其中混合動力版車型稱為普銳斯，而插電式混合動力版車型稱為普銳斯Prime。

　　雙電機同時輸出使得普銳斯Prime能夠以135km/h（上一代普銳斯插電混動版車型純電動行駛最高時速為100km/h）的車速進行純電動行駛，也提升了車輛的加速性能。普銳斯和普銳斯Prime動力總成的主要差別就只有上文提到的單向離合器，零部件通用率極高，也體現出TNGA架構混合動力系統的優勢所在。

　　普銳斯Prime延長了純電動續航里程至40km（上一代普銳斯插電混動版車型為26.4km），并提升了充電效率，采用快充的話，能夠在短時間（20分鐘）內充滿80%的電量。

　　普銳斯Prime的動力電池采用了鋰離子電池，布置在后備廂內，與普銳斯一樣帶有輔助電池升溫的系統，能夠避免電池在冬季出現容量下降的情況。應用在普銳斯Prime上的這套插電式混合動力系統未來或將通過與不同排量的發動機搭配，推廣至TNGA架構下不同級別的插電式混合動力車型之上。

● 全文總結：

　　同為日本廠商，豐田相比本田和馬自達，算是一個比較低調的廠商，一貫以來不熱衷于宣揚自己的技術。從TNGA架構的動力總成技術來看，豐田依然擁有領跑世界的實力。在混合動力技術領域超過20年的積累使得豐田擁有更雄厚的技術資本來適應新能源汽車時代的市場變化。本文中提到的TNGA架構動力系統技術均已經落實到量產車型之上。對于中國市場而言，最快落地的TNGA架構車型的將會是今年11月份即將上市的全新凱美瑞，而C-HR也預計會在明年上市。隨著TNGA架構車型相繼落地，豐田全系車型都將迎來一個技術升級期。對于消費者而言，我們未來幾年里將能買到更省油、更環保的豐田汽車。（圖/文/汽車之家 常慶林）