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今天我們來說說發(fā)動機熱效率的問題。我們在日常聊天說到汽車時，經(jīng)常會說某某車型發(fā)動機技術先進，熱效率高達多少多少，某國產(chǎn)發(fā)動機熱效率比合資發(fā)動機熱效率還高，等等。那么大家口中的發(fā)動機熱效率究竟指什么呢？這個熱效率為什么做不到百分之百呢？熱效率是恒定不變的嗎？熱效率越高，汽車就越省油嗎？還有現(xiàn)在大行其道的增壓發(fā)動機，它的熱效率與自然吸氣發(fā)動機相比，誰更高呢？為什么柴油機熱效率更高？等等。下面我們就來說說這些問題。

所謂的發(fā)動機熱效率，又稱“發(fā)動機有效效率”，是指發(fā)動機有效功率的熱當量與單位時間所消耗燃料的含熱量的比值，用以評定發(fā)動機作為熱機的經(jīng)濟性。用大白話簡單地說，就是燃油燃燒后產(chǎn)生的能量有多少變成了汽車的驅(qū)動力。熱效率是一個熱力學名詞，通常用百分比來表示。它的計算方法也很簡單，就是用實際利用的熱值除以燃料所含有的熱值。比如說，一升汽油完全燃燒后會釋放出33580KJ的熱量，這些熱量有10000KJ轉(zhuǎn)化成了發(fā)動機對外輸出的功，那么這款發(fā)動機此時的熱效率就是

10000÷33580×100%=29.8%

當然，我們在日常用車時是不可能這么去計算的，也沒有必要這樣做。發(fā)動機設計定型后，熱效率基本就固定了。汽油機最高熱效率一般在30%~40%之間，柴油機最高熱效率略高一些，在35%~45%之間。那么剩余的50~60%的能量哪兒去了？很遺憾，它們被白白浪費掉了。發(fā)動機在運轉(zhuǎn)時會產(chǎn)生機械阻力損耗、泵損耗、排氣損耗、冷卻損耗、未燃損耗，等等，它們會消耗大量 的能量，甚至比可利用的能量還高。這些損耗占燃料熱能的比例可大致參考下圖。

有人說這么多的能量都浪費了，太可惜了，為什么不能把這些能量都利用起來呢？發(fā)動機的熱效率為什么不能做到百分之百呢？

大家知道，發(fā)動機是一個把熱能轉(zhuǎn)化為機械能的機器，首先根據(jù)熱力學定律，熱能是不可能百分之百轉(zhuǎn)化為其它型式的能量；其次所有的機械，摩擦都是不可避免的，摩擦阻力不可能消除；還有就是汽車發(fā)動機必須維持一定的溫度和體積，不可能無限制地放大或者縮小，也不可能讓溫度無限地升高或者降低，所以冷卻損失也不可避免。再加上一些其它的因素，比如燃料不可能完全燃燒、泵氣損耗等，發(fā)動機的熱效率是絕對不可能做到百分之百的。

事實上，現(xiàn)在發(fā)動機的最高熱效率能做到40%以上，就已經(jīng)很了不起了。一百多年前發(fā)動機剛誕生時，最高熱效率還不到20%。經(jīng)過這么多年一代又一代汽車工程師孜孜不倦地努力，終于將汽車發(fā)動機的最高熱效率提高到了40%以上，這是相當了不起的成就了?，F(xiàn)在的汽車發(fā)動機熱效率已經(jīng)接近于極限了，每提高一個百分比，都是巨大的技術進步。

那么提升發(fā)動機的熱效率的方法有哪些呢？對于汽油機來說，最直接的手段就是提高發(fā)動機壓縮比，這也是現(xiàn)在汽車發(fā)動機壓縮比越來越高的原因之一；其它的方法還有降低機械摩擦阻力，采用低摩擦的活塞，低彈力的活塞環(huán)，性能更佳的潤滑油等；優(yōu)化燃油供給系統(tǒng)，采用更高壓力的缸內(nèi)直噴等；優(yōu)化配氣機構(gòu)進排氣道設計，采用可變氣門正時與升程技術；優(yōu)化燃燒室設計，讓燃料燃燒更完全；優(yōu)化氣缸設計，有合適的缸徑行程比；采用阿特金森循環(huán)，等等。

對于柴油機來說，除了可以采用上述的技術之外，還可以采用增加噴油速率、多次噴射、進氣高增壓等技術。

事實上，熱效率較高的發(fā)動機，采用的都是綜合性的技術，每個方面都優(yōu)化一點，就可以把熱效率提升了?，F(xiàn)在市面上熱效率較高的發(fā)動機有豐田的Dynamic Force系列2.5L發(fā)動機，最高熱效率為40~41%；本田L15B型1.5T渦輪增壓發(fā)動機，最高熱效率為38%；大眾EA211 1.5L TSI Evo渦輪增壓發(fā)動機，最高熱效率為37.5%；日產(chǎn)2.0T VC Turbo 可變壓縮比發(fā)動機，最高熱效率為38%～39%。而馬自達的SKYACTIV-X發(fā)動機，采用超高壓縮比和壓燃技術，最高熱效率號稱能達到50%。比亞迪全新推出的驍云-插混專用1.5L高效發(fā)動機，最高熱效率能達到43%，這么高的熱效率是以一種非常極端的方式達到的，它取消了所有的輪系，所有的附屬件都是用電來驅(qū)動的，不再消耗發(fā)動機的動力，機械損耗大大降低，所以熱效率就提升了。

很多人在發(fā)動機熱效率上有一個認知誤區(qū)，認為發(fā)動機熱效率是恒定不變的，比如某款發(fā)動機熱效率是40%，就認為這款發(fā)動機在任何工況下，熱效率都是40%，這也是某些人吹噓某國產(chǎn)發(fā)動機高熱效率的一個理由。

其實，發(fā)動機的熱效率是隨著工況變化而變化的。在絕大多數(shù)工況下，發(fā)動機的熱效率都是非常低的。比如最常見的市區(qū)擁堵路況下，發(fā)動機的熱效率只有百分之二十幾；在高速公路上行駛時，熱效率可以達到30%左右；熱效率最高的工況，是“大負荷、低轉(zhuǎn)速”，比如汽車在爬陡坡時，發(fā)動機節(jié)氣門全開，進氣阻力最小，而此時的發(fā)動機轉(zhuǎn)速并不高，機械摩擦阻力較小，此時的熱效率反而是比較高的。關于這一點，大家可以查看發(fā)動機的萬有特性曲線，上面燃油消耗率最低的區(qū)域，基本就可以看做是熱效率最高的區(qū)域。有些發(fā)動機可以在較寬的區(qū)間內(nèi)保持較高的熱效率，而有些發(fā)動機熱效率最高的區(qū)域很窄，這一方面是調(diào)教的因素，也與發(fā)動機技術與制造水平有關。

那么發(fā)動機熱效率高，汽車是否就一定省油呢？其實并不一定。熱效率較高的發(fā)動機，技術水平一般都是比較先進的，發(fā)動機本身的經(jīng)濟性也比較好。但是發(fā)動機的經(jīng)濟性不等于汽車的經(jīng)濟性，汽車的油耗并不僅僅是由發(fā)動機決定的，還有變速箱、底盤、車重等很多因素。所以并不是說所有搭載熱效率高發(fā)動機的車型都省油。

為什么柴油機的熱效率會比汽油機高呢？一方面，柴油機的壓縮比更高，燃料被壓縮得越厲害，瞬間釋放的能量就越多；另一方面，柴油機都是稀薄燃燒，空氣量要遠遠大于燃油量，燃油基本都能完全燃燒；此外還有柴油機活塞行程更大，燃油燃燒后的能量能充分釋放，柴油的熱值也更高。這些因素綜合在一起，柴油機的熱效率就提升了不少，比汽油機要高一些。比如我們常見的載貨卡車，搭載的都是柴油機，油耗動輒百公里幾十個，但是它的經(jīng)濟性比我們普通的家用車要好得多。如果把普通家用車換算成載貨卡車的話，油耗會超過百公里一百升，這也是卡車都使用柴油機的重要原因。

現(xiàn)在還有一種現(xiàn)象，就是很多家用車都采用小排量渦輪增壓發(fā)動機，那么這樣的發(fā)動機與自然吸氣發(fā)動機相比，哪一個熱效率更高呢？

我告訴你，是自然吸氣發(fā)動機熱效率更高。渦輪增壓發(fā)動機由于增加了渦輪增壓器，導致進排氣消耗能量大大增加，小排量多氣缸設計，也增加了機械摩擦，最終會導致熱效率下降。事實上，小排量渦輪增壓發(fā)動機，是一個技術向政策妥協(xié)的產(chǎn)物，嚴格來說，在技術上是退步的。不信大家看熱效率較高的發(fā)動機，幾乎都是自然吸氣的，小排量渦輪增壓發(fā)動機的熱效率并不高，并且經(jīng)濟轉(zhuǎn)速區(qū)間窄，如果沒有好的變速箱配合，經(jīng)濟性是很差的。

還有一個現(xiàn)象，就是有很多車企開發(fā)三缸發(fā)動機，這讓很多人難以接受。他們都很疑惑，縮小排量我們可以理解，為什么還要減少氣缸數(shù)量呢？小排量就不能做成多缸發(fā)動機嗎？

這也涉及到了發(fā)動機熱效率的問題。在同等排量、同等技術水平下，發(fā)動機氣缸數(shù)越少，熱效率越高。比如豐田，之前設計了一個1.2T四缸渦輪增壓發(fā)動機，搭載在卡羅拉上，使用效果并不好；現(xiàn)在重新設計了一個1.5三缸自然吸氣發(fā)動機，采用了阿特金森循環(huán)，高壓縮比，這款發(fā)動機的經(jīng)濟性就要比1.2T的好得多。