趣味問題:「熱效率」真的能決定汽車的性能與油耗嗎?

2021-01-19 汽車科學島

#老司機聊汽車知識#

名詞解釋：

熱效率指特定熱能轉換裝置（參考內燃機），其輸出有效能量與駛入能量的比例。假設某燃油汽車裝備的發動機有40%的熱效率，概念則為消耗燃油的熱能為100%，但實際只有40%的熱能轉化為機械能（有效動力）。內燃機真的是一種損耗非常大的發動機，為什麼會有這麼大的損耗呢？參考下圖。

熱力學第二定律做出過這樣的解釋，熱能會從高溫物體傳導至低溫物體，不可能絕對100%的轉化為機械能。內燃機做功時產生的熱能很誇張，比如汽油的燃燒火焰溫度會高達1200℃，而柴油更是高達1800℃；發動機機體與防凍冷卻液的溫度遠低於該標準，所以冷卻（吸熱）則會損耗掉大量的熱能。

其次內燃機的結構非常複雜，曲軸作為動力輸出軸要負責的不僅是輸出動力，同時要推動連杆活塞往復循環運轉，帶動氣門凸輪軸、壓縮機、發電機等等零部件運轉，過程中也會損耗掉很多能量——所以熱效率才會這麼的低，那麼是不是說熱效率更高，發動機就會有更強的性能與更低的油耗呢？理論上是這樣沒錯，但也不是這麼的簡單。

這張圖片也許不好理解，重點觀察其五角星標註的位置，這是其發動機達到40%熱效率的扭矩與轉速標準-「2500rpm·170N·m」左右，相信了解某田（日系品牌）汽車的消費者都知道它是個多大的排量，不過這還不是最重要的。

重點是轉速低於該標準或高於該標準後，熱效率都沒有40%的高標準了；比如2000轉時就只有35%的熱效率，那麼這臺機器還能夠省油嗎？答案當然是否定的，因其最佳熱效率並非其用戶駕駛習慣中的平均行駛轉速，說白了就是偏高了；而且扭矩實在是太低，想要節油的理想方式應當是「大扭矩·低轉速」運行。

真實標準：燃油動力汽車沒有任何一臺車，可以將運行轉速恆定在最佳熱效率區間，節油的基礎還是控制轉速！

在公共道路駕駛汽車需要將車速維持於車流行進速度相當的標準，在以渦輪增壓汽車為主的車流中，上述高熱效率的自然吸氣動力的汽車就會很尷尬，因其扭矩實在太低。

（扭矩×轉速÷常數×倍率＝馬力），常數9549、倍率1.36是不變的數值，扭矩和轉速是相乘的關係，那麼兩者有一項足夠高就能實現大馬力。馬力越大則加速能力越強，同時巡航駕駛的車速也會越高。然而轉速是不宜過高的，因為曲軸每分鐘旋轉的速度（次數）除以二，得出的數值為每分鐘噴油做功的頻率，轉速越高則耗油量越大。

綜上所述，只有大扭矩才能以低轉速的節油標準實現大馬力，然而自然吸氣發動機的扭矩總是偏弱很多。比如奧託循環的2.0L峰值扭矩不過200N·m左右，重點是平均4000rpm的轉速才能達到峰值，在此之前與之後的扭矩都會很低。所以這種機型就只能以高轉速費油的狀態拉升車速，當然習慣於溫和的駕駛也能省油，只是會拖慢車流的整體行進速度。

問題：為什麼主攻高壓缸內直噴與渦輪增壓技術的車企，往往不討論熱效率過多少或低多少呢？

其實原因很簡單，因為這兩種技術的組合，可以實現的結果是扭矩的大幅提升！汽油機的直噴壓力可以達到350bar的標準，相比多點電噴機有100-140倍的增長；噴油壓力越高燃油霧化效果就會越強，高標準霧化汽油的油珠粒徑可以低至10微米以內，在相同壓縮機的前提下會有更快的蒸發速度。

氣態汽油的燃燒速度遠超液態汽油，由於內燃機無法做到讓汽油100%的燃燒，所以什麼技術能讓蒸發與燃燒速度更快，消耗等量的汽油就能轉化出更多的熱能，說白了就是更大的扭矩。但是單純有高壓直噴技術還是不夠的，比如某些日系車用均質壓燃技術，同樣只能讓2.0L發動機有200N·m多一點點的扭矩，不配合渦輪增壓系統基本沒有價值可言。

【富氧燃燒】非常重要的增扭技術，燃油燃燒的過程中，與越多的氧氣在固定時間內進行反應，燃燒的速度就會越快——還是以提升燃燒效率以提升熱能和扭矩。想要增加進入發動機內部空氣的氧濃度其實很簡單，只需要用空氣壓縮機去壓縮空氣的體積即可。

常壓標準的空氣氧濃度為20.94%，通過壓力把空氣中分子的間隙壓小，讓更多分子擠入等量的空間裡，氧分子的數量是不是得到了提升？廢氣渦輪增壓系統是通過自然吸氣發動機運行時產生的高壓廢氣驅動渦輪運轉，整個流程屬於廢氣循環利用所以不損耗動力；壓氣後增氧則可以有效提升扭矩，2.0T的優秀發動機可以達到400N·m，相比2.0L翻了一倍哦。

在絕對扭矩優勢面前，熱效率會顯得很無力！

按照100馬力的車速需求為基礎計算，2.0L·200N·m需要的轉速大約為3700rpm，這與其最佳熱效率的轉速相去甚遠，而且轉速技術很大會比較費油。

2.0T·400N·m實現相同的馬力需要的轉速為1755rpm，就算這臺機器也不在最佳熱效率的範圍內，每分鐘轉速少了接近2000轉，這就等於每分鐘少噴油做功接近1000次！這種大扭矩高功率的發動機還需要追求極致的熱效率嗎？——當然熱效率更高則更高，只是熱效率應當在缸內直噴渦輪增壓機的基礎上進行提升，這屬於錦上添花；反之單純地提升自然吸氣發動機的熱效率，如果只是用於自然吸氣發動機的汽車上，這無非還是降低成本的產物而已。

特殊技術：日系與美系部分油電混合汽車的自然吸氣發動機仍舊難以維持最佳熱效率轉速，因其內燃機是要輔助參與驅動的，但內燃機有隻有1AT（單速比）的變速箱，依靠轉速改變車速何談穩定最佳熱效率轉速呢？

目前能夠做到將轉速穩定在最佳範圍內的是自主品牌的同類型車，其技術亮點是取消傳統壓縮機與發電機等泵系，通過BSG電機將其帶動到最佳轉速運行。隨後則是穩定在該轉速範圍內，主要作為發電機的增程器使用，這次俺是正確的技術方向，只是掌握這種技術的品牌還太少。

編輯：天和Auto-汽車科學島

天和MCN授權發布

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