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丰田集团M20发动机为一款2.0L自然吸气发动机。这款发动机技术指标很先进，在前辈A25发动机吃过螃蟹后，该发动机进一步精益求精，查漏补缺，成为目前民用级2.0L自然吸气发动机的综合性能之王，凌驾于目前市面上的近乎所有2.0L NA发动机（只有部分性能车，比如水平对置2.0L或者本田红头机能在某些参数上领先）。其搭载在凯美瑞/亚洲龙上的M20C版本功率达到了131kW，甚至摸到了部分2.0T品牌低功率版本的功率，其油耗能做到5.5L/100km，比肩众多小排量涡轮增压发动机的A级车。丰田也凭借着TNGA系列发动机获得大量消费者的认可，取得销量上的腾飞。
图 丰田M20发动机导入中国的首款车型C-HR
作为行业专业的工程师，在之前的文章中，我深度介绍了丰田新一代全球架构（TNGA）平台以及TNGA平台下A25、M20系列，有兴趣的网友可以参阅。
[聚沙成塔]丰田凯美瑞/亚洲龙2.5L发动机超深度开发解密上
[聚沙成塔]丰田凯美瑞/亚洲龙2.5L发动机超深度开发解密中
[聚沙成塔]丰田凯美瑞/亚洲龙2.5L发动机超深度开发解密下
本文将针对绝大多数准备入手丰田的潜在消费者和已经入手丰田的消费者，着重介绍M20发动机的一些秘密，为大家选车购车提供参考。
1 哪些车型搭载了M20发动机？
下图是我收集的相关信息，可以看到虽然它们都是M20发动机，但是不同版本的型号代码是有区别的。一般来说，不同代码之间肯定代表着发动机有区别，可能是软件、可能是硬件、可能是生产场地的不同。广汽丰田为M20C，为国产版本，凌尚、C-HR、凯美瑞、威兰达都使用了这一款发动机，早年还有部分车型使用M20A进口发动机，如今都进行了国产化，在C-HR上还有一款混动版本用的M20F。一汽丰田版本稍微复杂一些，为亚洲龙的M20A，RAV4荣放的M20D，亚洲狮、奕泽IZOA的M20E，和奕泽IZOA混动用的M20B，其中亚洲龙的M20A是日本进口版本，预计改款后会采用国内的M20E，RAV4荣放采用的M20D为一汽丰田的版本，我猜测为国内组装版本，亚洲狮和奕泽IZOA上的M20E为一汽丰田的深度国产化版本。
雷克萨斯ES和UX采用的M20A-FKS，为日本进口发动机，在UX上还搭载了一款混动用M20A-FXS发动机。坊间传闻说M20A为进口子零件国内组装，其实是错误的。该传闻的由来是15年-19年雷克萨斯ES200搭载6AR发动机，6AR为中国定制版，全球仅广丰生产，因此那段时间ES200的6AR发动机为国内生产日本组装。
图 目前M20发动机应用的车型群
2 为何M20不同版本有不同功率？
从上图中可以发现，虽然发动机相同，但是功率扭矩参数有差异，这是为何呢？是不是发生了减配？其实不然，发动机本体是一样的，只不过由于发动机附件存在差异，比如进排气布局有差异，有的单排气管，有的双排气管，导致它们排气背压不一样；比如选用的消音器供应商不同，导致排气的共振频率不同；进气系统布局有差异，进气损失不同；在标定上也根据整车重量的区别，对性能工况点空燃比有一定调整；又或者法规申报的时候，出现了设备误差，以及保守系数不一样。
图 不同进气排气布置对发动机性能有影响
这些原因导致了功率扭矩的不同。消费者在选车时不用在意这些差异点，在正常使用过程中是感受不到这一点性能的区别的。
3 M20发动机和A25发动机有什么区别？
M20发动机是丰田第二款TNGA Dynamic Force Engine，第一款就是大名鼎鼎的A25发动机，就是2.5L那款。它们在技术指标上是一脉相承的。除了排量不同，它们使用的技术指标高度雷同，不存在M20是A25减配的说法，甚至在性能指标上，M20的升功率和升扭矩表现会更好。
丰田TNGA系列采用的技术比较先进，在2017年第一款上市的时候，采用了多项世界首次的技术，即使放到2021年，采用的技术依然是目前家用车中最先进的技术群之一。比如A25和M20都采用了细气缸长冲程的有利于燃油经济性的设计，为了提高燃烧速度采用了高滚流比设计；采用了行业领先的双喷射D-4S系统；进气采用了电动VVT-iE可变气门正时，排气采用了液压VVT-i可变气门正时，实现了大范围阿特金森循环；采用了提高热效率的大杀器——低温EGR系统，压缩比提高至13:1（燃油版），14:1（混动版），其他机构也采用了平衡轴、电子节温器、电控水泵、可变排量机油泵等等。
图 TNGA 发动机核心技术一览
M20作为A25的后续机型，它们的设计理念虽然一样，但是由于单缸排量有不同，在设计上还是有针对性的优化的。比如发动机运行中经常使用爆震极限附近的高效区域，因此，利用外部EGR抑制泵气损失和扩大MBT区域是有效方式，M20发动机为了提高EGR系数，对湍流进行强化，通过设置进气道来满足这些进气性能要求。
图 燃烧室进气流场图（左A25，右M20）
如前文所述，基于TNGA燃烧设计理念，M20发动机硬件上也先沿用A25发动机。燃烧系统也采用DI和PFI相结合的D-4S系统，并将TNGA开发的锥形多孔DI喷油器和新型PFI喷油器（新型喷雾布局）推广到M20发动机上。然而，由于气缸直径的减小，直喷燃油喷雾的长度不变的话，对气缸壁面的湿壁效应更加严重（Pistion wetting），严重影响PM/PN排放。因此，对DI喷雾进行了改进。
图 A25和M20气缸湿壁效应的对比
为了克服这一矛盾，通过优化喷油器抑制喷雾长度，并且调整了每个喷雾之间的间隙。改进前后的喷雾评价结果如图所示，结果表明，扩锥角喷孔的喷雾长度变短，且与改进前相比，该喷雾形状可以减少气缸内了湿壁效应。
图 单形状锥孔和多形状锥孔下喷雾特性的对比
图 CFD结果对比演示图
由于M20发动机排量更小，不需要对活塞进行强化冷却，因此取消了活塞机油喷嘴，在其他领域，M20和A25并没有不同。
4 M20热效率真实可靠不？
丰田宣布旗下的M20的热效率和A25一样，燃油版为40%，混动版为41%。BSFC图如下图所示，黄色五角星为最高热效率工况，图中转速只到3200rpm，扭矩只到140Nm。
图 丰田官方公布的效率图
关于这个热效率是否真实可靠，其实行业并没有什么第三方能够监督。不过北美EPA（环保署）曾对A25系列发动机做过试验验证，证明了热效率确实可信。如下图所示，上面的是EPA根据丰田官方描述的A25发动机热效率map图进行数据拟合，下面的图是EPA美国环保署试验A25发动机热效率map图。可以看出，EPA实测热效率峰值为39.8%，与丰田公布的数据高度接近，最大功率和扭矩也和丰田官方数据接近。
PS：受到不同油品、试验设备、测试方法等差异，数据存在一定的误差是合理的。
北美EPA（环保署）对比数据
对此，M20基于A25进一步开发，其排量更小，热负荷压力更小，热效率更有优势，因此实现40%的热效率是没有问题的。
5 M20省油的秘诀？
众所周知，TNGA系列的发动机非常省油，无论是B级轿车还是紧凑型SUV，工信部油耗都在6L/100km以下，在第三方的油耗众测平台上表现也是可圈可点。它省油的秘诀是什么呢？
我对丰田旗下搭载M20发动机的凯美瑞进行了道路载荷计算，如下图。
图 凯美瑞行驶阻力计算图（部分参数为推测，结果仅供参考）
对目前丰田旗下的搭载M20发动机的车型在100km/h和120km/h工况下的需求功率进行了汇总，并在图中标记。黄色五角星为最佳热效率40%的点，深橙色为超过39%热效率的点，黄色和橙色为超过37%热效率的点。从图中可以看出，这几款车型在100km/h定速巡航时发动机处于37%以上热效率，在120km/h定速巡航时发动机处于39%以上的热效率。丰田通过对发动机的设计标定让最佳热效率点处于日常使用的工况下，因此实际油耗表现会非常出色。大家也可以关注下其他部分车企公布的热效率图，是不是处于日常能够用到的工况。
图 根据汽车理论以及传动效率估算后的巡航运行工况图
6 M20会"送"机油不？
我在第三方质量平台上搜了一下，目前M20几乎没有"送"机油的案例，包括A25的燃油版，"送"机油的案例也基本没有了，目前依然存在部分A25混动车型有机油增多的现象。这个反应了燃油版在日常使用中并不容易送机油，混动版由于工况的原因，还是会出行送机油的案例。
图 某平台机油投诉案例
作为专业领域工程师，我对机油增减是见怪不怪的。长期以来由于某些品牌的特点，烧机油被消费者知晓，见怪不怪；2年前，某"机油门"事件爆发，消费者第一次了解到机油增多。其实，在发动机领域，送机油和烧机油同样普遍，只不过以前消费者没有注意到而已。业界称之为机油稀释，这是每一个发动机研发不得不面对的问题。
从原理说起，活塞汽油发动机的活塞把发动机分为两个部分——燃烧室与曲轴箱。理想状态下，燃烧室和曲轴箱是完全隔绝的，现实中依靠活塞环来密封，然而，活塞环有缺口，且活塞环与气缸壁的表面无法做到绝对意义的无缝隙，因此如下图所示，直喷系统喷油器喷油过程和燃烧过程中，会有一部分可燃混合气以及燃烧产物，在燃烧室高压环境下，从活塞环和气缸之间的间隙中窜入曲轴箱内。在冷启动期间，曲轴箱温度还很低，窜气易于凝结成水蒸气，混合燃气也会冷凝和机油混合。目前世界民用级汽油发动机，没有任何一台车在冷启动期间不会机油增多，因为没有任何技术能够违背高压气体向低压区域流动的物理特性。
M20发动机在设计过程中考虑到此因素，标配了双喷射系统，且优化了喷油器喷口，在低温冷启动瞬间转速到达目标转速后切换至混合喷射，转速稳定后的低中温怠速采用歧管喷射，因为歧管喷射不直接喷入燃烧室，没有湿壁效应，理论上双喷射系统机油稀释问题会少。
图 TNGA发动机改善湿壁效应的对策
当发动机长时间和高频次的处于低温、冷机的运行工况下，机油温度不足，水汽和液态燃油无法二次挥发，久而久之，机油量就会增加。根据我的试验，任何民用级汽油车，外界气温零下每天只怠速5分钟，油底壳不泄露的话，一个月内机油会明显增多。对于混动车型来说，由于日常驾驶电机和发动机相互关闭，因此发动机温度难以上升，在冬天短途驾驶时，日积月累，机油就增加了。
对于机油增多是否是问题，严重到什么程度是问题，我整理了一张表格，供参考。
图 工程师判断机油增多正常和异常
大家可以先检查下自己车的机油，是不是出现了我表格中的现象。如果出现了机油增多或者乳化现象，但是机油增多不明显，长途行驶后乳化消失机油减少，那么就是正常的；如果出现机油尺机油变质或者乳化，完全暖机后机油盖依旧乳化，或者出现故障等警告灯，发动机抖动异响之类的问题，就要及时去4S店反馈调查。
7 M20 够不够用，有必要上A25吗？
很多消费者有疑虑，是买M20的2.0L发动机+WCVT的版本还是买A25的2.5L发动机+8AT的版本呢？作为这个领域专业工程师，我自己也深度试驾过它们的各个版本。我认为买M20+WCVT的版本就够用了。
比如根据我的实际测试，搭载M20A 2.0L的亚洲龙百公里加速10.1s，搭载A25A 2.5L的亚洲龙百公里加速9.7s，A25A发动机虽然功率提高明显，但是实际加速只提高了0.4s。而且由于变速箱的调教和换挡节拍的影响，在0-60km/h加速中M20A和A25A完全一致，A25A只在60-100km/h有一定优势。当然，在100km/h的时候再全油门加速下A25A发动机加速明显，而M20A开始疲软，但是这个工况对日常驾驶是极少使用的。
相比于雅阁和BBA，即使是A25A发动机的亚洲龙，加速性能并没有明显优势，反而油耗表现辈拖累了，因此从我的个人建议，丰田TNGA动力总成中买M20系列发动机就够用了。
此外，M20还配套了全新无级变速器（Direct Shift CVT，也称WCVT），实现了宽传动比，提高了传动效率。由于起步挡位是AT，没有传动迟滞，因此0-100km/h的加速时间和加速质感提高明显。
W-CVT在燃油经济性、加速性能和NVH性能方面有显著提高外，还通过提高传动比提高发动机高效区间的使用频率。对于该新结构，不仅利用现有钢带轮所保持的金属带传递动力，还增加了用于起动和低速行驶的齿轮传动机构，与钢带传动相比，在低速侧设置的高效直接档用于起动和急加速，发挥出发动机的性能。通过采用M20发动机与WCVT，通过高扭矩的最大利用实现了良好的加速响应。下图显示了车辆在全负荷起步加速时的G值情况。通过起动的齿轮传动，实现了NA发动机特有的直接加速感和快速响应，在与小尺寸涡轮增压发动机的竞争中，响应性上具有优势。
图 全负荷加速下G值
因此我更推荐M20+WCVT的动力总成组合，希望部分纠结的车主也去实车体验一下，看看我说的是否准确。
8 小结
丰田TNGA平台下全新动力总成2.0L NA+WCVT，是一套比较先进的技术。以往丰田给大家的感觉就是可靠性不错但是动力系统平平无奇，这套动力总成总体上是非常成功的产品，得到了消费者普遍的认可，也帮助近几年丰田在中国的销量增长。如果大家有什么疑惑，欢迎在评论区点评，待我收集完后再写一些。
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