新架构下的产品与发动机模块化
[汽车之家 技术] 广汽丰田全新凯美瑞将会在今年11月份上市，它也是首款国产的丰田TNGA（Toyota New Global Architecture，丰田新全球架构）车型。除了焕然一新的外观内饰外，另一大看点便是源自TNGA架构的全新动力总成，这其中包括了目前量产车中最高燃效的全新2.5L自然吸气发动机，以及8AT自动变速箱、全新结构的E-CVT自动变速箱。好了，现在让我们坐下来，看看丰田为这次从“芯”出发做了哪些准备。
● 丰田TNGA架构旗下已有多款量产车型产品
丰田TNGA架构的首款车型是2015年12月在日本率先上市的第四代普锐斯。去年在海外上市的C-HR和今年在海外上市的新凯美瑞同样源自与TNGA架构。丰田预计，在2021年之前，丰田品牌车型销量的60%以上将会是TNGA架构衍生出来的产品。
根据目前的消息，率先国产的TNGA架构车型为全新凯美瑞和C-HR。这两款车型将落户广汽丰田，由广汽丰田位于广州南沙的全新第三工厂生产，该工厂设计产能为22万台/年。而C-HR的“姐妹车型”（就像雷凌和卡罗拉之间的关系）将会由一汽丰田位于天津的全新工厂生产，该工厂设计产能为20万台/年。未来一段时间，丰田在中国推出的TNGA架构车型都会由这两个工厂生产。
丰田TNGA架构的理念与其他厂商采用的模块化平台略有区别，除了模块化生产外，其在项目规划、产品设计、研发阶段形成了更为统一的整体。相比早年间单一车型单一平台的做法而言，车辆零部件通用率更高。因此，TNGA架构的使用无疑对丰田降低产品研发、制造不同环节的周期、成本都大有裨益。
丰田TNGA架构的应用是的其产品在动力系统、车身结构、制造工艺、悬架系统、空气动力学、NVH性能以及人体工程学上都作出了优化来实现整车性能的进一步提升，其中又以动力系统的改进最为明显，这也是下文将要展开讲解的内容。
● 进一步实现节能、减排和电动化是TNGA架构动力系统的目标
欧盟排放法规一直倒逼着汽车制造厂商进行技术改进，以降低车辆二氧化碳及有害气体的排放量。2008年，欧盟确立了2020年欧盟境内销售的新车二氧化碳排放量要降低至95g/km的目标。作为一个全球性车企，丰田必须在“大限”到来之前把旗下车型产品的排放指标提升至欧盟标准以上，以保持其产品竞争力。按照丰田的计划，在2021年之前，丰田旗下车型产品的二氧化碳排放量将降低15%以上（相比2015年的产品）。
丰田的节能减排思路在大方向上和各大厂商保持一致，通过提升发动机热效率、降低发动机运转损耗以及增强动力系统电动化程度来实现。技术升级的难点在于，在节能减排的同时不能降低动力输出性能，最好还能够在轻量化和小型化方面有所建树。
丰田在过去的日子里都坚持自主研发和精益生产，对技术的专注孕育了全球首款量产混合动力车型普锐斯和全球首款量产氢燃料电池汽车Mirai。但在汽车产业产品迭代提速的今天，为了实现新车型产品的开发及紧跟技术的发展，丰田不得不通过联合开发和技术共享来紧跟时代发展。丰田经营方式的改变正是为了应对上面提到的技术升级难点众多与较短开发周期的冲突。从某个程度上来说，TNGA架构带来的开发周期缩短优势也是应对产品迭代提速的产物。
电动化是汽车行业未来的重要发展趋势，而电池、电机、电控这“三电系统”则是成就电动/混动汽车的关键因素。有鉴于此，丰田将在2021年前增加电动化技术开发人员30%以满足电动化技术开发的人员需求。从TNGA架构混合动力系统结构上的重大改变（具体变化我们在下文详细讲解），我们可以看到丰田在电动化领域“招兵买马”后成果初显。
● 发动机模块化设计和柔性化生产
在过去，丰田不同系列的发动机产品会采用不同的设计，零部件通用性不高。而到了TNGA架构，丰田将更多地采用统一的设计以提升零部件通用化率。TNGA架构发动机的气缸容积和气缸数实现了模块化，规格数量相较过去有所减小。工程师通过选取特定的气缸容积规格以及气缸数来设计出新的发动机产品。
发动机的模块化设计使得在工厂可以采用统一的加工设备和工装来实现发动机零部件的加工及整机组装工作，提升生产线生产效率和柔性化程度（同一条生产线能共线生产更多种类的发动机）。
全新的动力总成
● 长冲程、高压缩比的全新2.5L自然吸气发动机
新凯美瑞上搭载的2.5L自然吸气发动机是首款诞生自TNGA架构的发动机产品，其代号为“A25A-FXS”。这款发动机经过不同的调校后会搭载在传统燃油车型以及混合动力车型之上。
| 丰田2.5L A25A-FXS发动机主要参数 | ||
| 应用车型 | 传统燃油车型 | 混合动力车型 |
| 排量（mL） | 2487 | 2487 |
| 缸径（mm） | 87.5 | 87.5 |
| 行程（mm） | 103.4 | 103.4 |
| 压缩比 | 13：1 | 14:1 |
| 进气形式 | 自然吸气 | 自然吸气 |
| 供油方式 | 直喷 | 直喷 |
| 最大马力（Ps） | 205 | 177 |
| 最大功率转速（rpm） | 6600 | 5700 |
| 最大扭矩（N·m） | 250 | 220 |
| 最大扭矩转速（rpm） | 4800 | 3600-5200 |
A25A-FXS发动机采用的是长冲程设计，活塞行程与气缸直径的比值为1.2。长冲程设计配合大调整范围、电机控制的进气门正时调节机构，可在部分负载区间实现膨胀比大于压缩比的阿特金森工作循环以提升发动机的燃油经济性。
应用在传统燃油车型上的A25A-FXS发动机压缩比为13:1，而应用在混合动力车型上的A25A-FXS发动机压缩比为14:1。在目前的中国市场上，只有马自达创驰蓝天系列发动机（排量为1.5L、2.0L、2.5L）采用了高达13:1的压缩比。采用更高的压缩比能够提升发动机的热效率，从而实现燃油经济性的提升，这也是未来发动机的重要发展方向之一。
一般的发动机气缸盖气门座位置会安装一个气门座圈，安装座圈后，气门工作时会直接与座圈接触而不是气缸盖气门座位置。这个气门座圈由合金铸铁或粉末冶金或奥氏体钢材料制成，耐高温和冲击载荷的能力比普通铸铁或铝合金强。气门座圈的存在可以延长气缸盖的使用寿命。A25A-FXS发动机利用激光熔覆工艺在气缸盖进气门气门座位置焊接上一层高强度的合金来充当气门座圈（熔覆合金后还需要进行后续的机加工，排气门依然采用传统的气门座圈实现增强耐久性的目的）。
在冷却系统方面，A25A-FXS发动机采用了电动水泵、水套垫片，并在气缸盖上集成了EGR废气再循环冷却管路。电子水泵工作时不直接消耗发动机动力，降低了发动机的负载；水套垫片对冷却液起到导流作用，能够在高负载工况时降低排气门附近的温度，降低爆震发生的几率，为发动机工作在高压缩比提供保证；EGR废气再循环冷却管路集成化对发动机小型化有一定的贡献。
4-2-1排气系统由于排气管路比普通的4-1排气系统更长，所以会导致三元催化器升温更慢。为解决这个问题，丰田在避免排气干涉的前提下缩短了4-2-1排气系统的管路长度，让发动机排气口更接近三元催化器；同时通过采用升温更快的三元催化器来满足暖机工况的排放指标。如果我们对比马自达的4-2-1排气系统以及该丰田发动机的排气系统，我们可以看出丰田的这套4-2-1排气系统管路更短、更直，这都是为了加速三元催化器升温的针对性设计。（点击查看马自达4-2-1排气系统解析）
| 2.5L A25A-FXS发动机与2.5L 5AR-FE发动机参数对比 | ||
| 型号 | A25A-FXS | 5AR-FE |
| 排量（mL） | 2487 | 2494 |
| 缸径（mm） | 87.5 | 90 |
| 行程（mm） | 103.4 | 98 |
| 压缩比 | 13：1 | 10.4 |
| 进气形式 | 自然吸气 | 自然吸气 |
| 供油方式 | 直喷 | 多点电喷 |
| 最大马力（Ps） | 205 | 184 |
| 最大功率转速（rpm） | 6600 | 6000 |
| 最大扭矩（N·m） | 250 | 235 |
| 最大扭矩转速（rpm） | 4800 | 4100 |
相比现款凯美瑞上搭载的2.5L 5AR-FE发动机，应用在传统燃油车型上的A25A-FXS发动机热效率由5AR-FE发动机的35%提升至40%，最大马力提升了21马力，达到205马力，最大扭矩提升了15牛·米，达到250牛·米。A25A-FXS发动机相比旧款发动机，在动力性能和燃油经济性上有了全面的提升。这款发动机目前是世界上热效率最高的量产2.5L汽油发动机。
● 优化液力变矩器后的8AT变速箱
TNGA架构下的这款应用在前置前驱车型上的8AT变速箱出自爱信（丰田是爱信的其中一个大股东）之手，国产全新凯美瑞即将搭载的就是这款变速箱。TNGA架构下的这款8AT变速箱（下称“丰田全新8AT变速箱”）在液力变矩器总成上有较大的优化。
液力变矩器总成主要由锁止离合器、扭转减振器和液力变矩器这三部分组成。丰田全新8AT变速箱采用了多片式锁止离合器，并扩大了锁止离合器的锁止范围（即在更低的车速下，锁止离合器就会结合，使发动机与变速箱之间实现刚性连接），让车辆给人以更好的直接驱动感，提升了变速箱的传动效率和燃油经济性。
由于锁止离合器锁止范围的提升，液力变矩器不再需要传递非常大的扭矩，仅仅在起步时实现发动机与变速箱之间的传动工作，所以其尺寸可以设计得更小。同样的设计思路，我们在马自达创驰蓝天6AT变速箱上也能看到（点击查看创驰蓝天6AT变速箱拆解内容）。为了在锁止离合器结合后，有效抑制发动机的振动、冲击传递至变速箱，液力变矩器内部带有一个高阻尼扭转减振器。这个高阻尼减振器内部带有弹簧元件，可对振动和冲击起到缓冲作用。
相比旧款的6AT变速箱，丰田全新8AT变速箱的总长度缩小了5mm，齿轮箱的长度缩小了15mm。由于挡位数的增多，丰田全新8AT变速箱的齿比范围更宽广，有利于增强起步时的提速性能及高速巡航时的燃油经济性。
● 应用在后驱车型上的10AT变速箱
除了上面介绍到的8AT变速箱外，TNGA架构下还有专为前置后驱车型而设计的10AT变速箱。这款全新的10AT变速箱同样由爱信打造。雷克萨斯LC500车型便采用了这款全新的10AT变速箱。丰田下一代皇冠也有可能会采用这款变速箱。
与上文介绍的用于横置发动机平台的8AT变速箱一样，这款全新10AT变速箱采用了多片式锁止离合器，同时增大了锁止离合器的锁止范围，让车辆给人以更好的直接驱动感，提升了变速箱的传动效率和燃油经济性。
该10AT变速箱主要是为高端车型或注重运动性能的车型配置的，所以其换挡速度至关重要。官方公布该变速箱的换挡时间为220毫秒。这与一直以换挡速度见长的双离合变速箱200毫秒（大众的数据）的换挡时间已非常接近了。
混合动力系统一并革新
● 与2.5L A25A-FXS发动机匹配的混合动力系统
与2.5L A25A-FXS发动机匹配的混合动力系统实际上就是应用在第四代普锐斯上的第四代THS（Toyota Hybrid System）混合动力系统（下称“THS-IV”）。
相比现款凯美瑞混合动力车型，采用2.5L A25A-FXS发动机+THS-IV的全新凯美瑞混合动力车型在油耗上有20%的提升（JC08标准），加速时间缩短10%（40-70km/h中间加速时间）。
从参数上来看，镍氢电池的容量要大于锂电池，该电池或将应用在配备E-Four电动四驱系统（后桥安装一个电动机实现四驱功能）的车型之上。中国市场全新凯美瑞混合动力车型应该只有两驱版本，所以预计会配置锂电池作为动力电池。
| 丰田2.5L发动机+THS-IV混合动力系统动力电池参数 | ||
| 电池种类 | 锂电池 | 镍氢电池 |
| 总电压（V） | 259 | 244.8 |
| 容量（Ah） | 4 | 6.5 |
| 电池单体数量 | 70 | 204 |
丰田以往的混合动力系统的电池都布置在后备箱内。由于新的动力电池体积更小，因此能布置在后排座椅下方（与油箱布置在一起），不再占用后备厢空间。
● 与1.8L 2ZR-FXZ发动机匹配的插电式混合动力系统
与1.8L 2ZR-FXZ发动机匹配的混合动力系统目前已经搭载在第四代普锐斯之上，也就是上文提到的THS-IV。而丰田普锐斯有混合动力版和插电式混合动力版之分，其中混合动力版车型称为普锐斯，而插电式混合动力版车型称为普锐斯Prime。
双电机同时输出使得普锐斯Prime能够以135km/h（上一代普锐斯插电混动版车型纯电动行驶最高时速为100km/h）的车速进行纯电动行驶，也提升了车辆的加速性能。普锐斯和普锐斯Prime动力总成的主要差别就只有上文提到的单向离合器，零部件通用率极高，也体现出TNGA架构混合动力系统的优势所在。
普锐斯Prime延长了纯电动续航里程至40km（上一代普锐斯插电混动版车型为26.4km），并提升了充电效率，采用快充的话，能够在短时间（20分钟）内充满80%的电量。
普锐斯Prime的动力电池采用了锂离子电池，布置在后备厢内，与普锐斯一样带有辅助电池升温的系统，能够避免电池在冬季出现容量下降的情况。应用在普锐斯Prime上的这套插电式混合动力系统未来或将通过与不同排量的发动机搭配，推广至TNGA架构下不同级别的插电式混合动力车型之上。
● 全文总结：
同为日本厂商，丰田相比本田和马自达，算是一个比较低调的厂商，一贯以来不热衷于宣扬自己的技术。从TNGA架构的动力总成技术来看，丰田依然拥有领跑世界的实力。在混合动力技术领域超过20年的积累使得丰田拥有更雄厚的技术资本来适应新能源汽车时代的市场变化。本文中提到的TNGA架构动力系统技术均已经落实到量产车型之上。对于中国市场而言，最快落地的TNGA架构车型的将会是今年11月份即将上市的全新凯美瑞，而C-HR也预计会在明年上市。随着TNGA架构车型相继落地，丰田全系车型都将迎来一个技术升级期。对于消费者而言，我们未来几年里将能买到更省油、更环保的丰田汽车。（图/文/汽车之家 常庆林）
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