什么是发动机热效率？热效率为什么这么低？

作者：汽车和资讯
2021-12-02 15:59
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今天我们来说说发动机热效率的问题。我们在日常聊天说到汽车时，经常会说某某车型发动机技术先进，热效率高达多少多少，某国产发动机热效率比合资发动机热效率还高，等等。那么大家口中的发动机热效率究竟指什么呢？这个热效率为什么做不到百分之百呢？热效率是恒定不变的吗？热效率越高，汽车就越省油吗？还有现在大行其道的增压发动机，它的热效率与自然吸气发动机相比，谁更高呢？为什么柴油机热效率更高？等等。下面我们就来说说这些问题。

所谓的发动机热效率，又称“发动机有效效率”，是指发动机有效功率的热当量与单位时间所消耗燃料的含热量的比值，用以评定发动机作为热机的经济性。用大白话简单地说，就是燃油燃烧后产生的能量有多少变成了汽车的驱动力。热效率是一个热力学名词，通常用百分比来表示。它的计算方法也很简单，就是用实际利用的热值除以燃料所含有的热值。比如说，一升汽油完全燃烧后会释放出33580KJ的热量，这些热量有10000KJ转化成了发动机对外输出的功，那么这款发动机此时的热效率就是

10000÷33580×100%=29.8%

当然，我们在日常用车时是不可能这么去计算的，也没有必要这样做。发动机设计定型后，热效率基本就固定了。汽油机最高热效率一般在30%~40%之间，柴油机最高热效率略高一些，在35%~45%之间。那么剩余的50~60%的能量哪儿去了？很遗憾，它们被白白浪费掉了。发动机在运转时会产生机械阻力损耗、泵损耗、排气损耗、冷却损耗、未燃损耗，等等，它们会消耗大量的能量，甚至比可利用的能量还高。这些损耗占燃料热能的比例可大致参考下图。

有人说这么多的能量都浪费了，太可惜了，为什么不能把这些能量都利用起来呢？发动机的热效率为什么不能做到百分之百呢？

大家知道，发动机是一个把热能转化为机械能的机器，首先根据热力学定律，热能是不可能百分之百转化为其它型式的能量；其次所有的机械，摩擦都是不可避免的，摩擦阻力不可能消除；还有就是汽车发动机必须维持一定的温度和体积，不可能无限制地放大或者缩小，也不可能让温度无限地升高或者降低，所以冷却损失也不可避免。再加上一些其它的因素，比如燃料不可能完全燃烧、泵气损耗等，发动机的热效率是绝对不可能做到百分之百的。

事实上，现在发动机的最高热效率能做到40%以上，就已经很了不起了。一百多年前发动机刚诞生时，最高热效率还不到20%。经过这么多年一代又一代汽车工程师孜孜不倦地努力，终于将汽车发动机的最高热效率提高到了40%以上，这是相当了不起的成就了。现在的汽车发动机热效率已经接近于极限了，每提高一个百分比，都是巨大的技术进步。

那么提升发动机的热效率的方法有哪些呢？对于汽油机来说，最直接的手段就是提高发动机压缩比，这也是现在汽车发动机压缩比越来越高的原因之一；其它的方法还有降低机械摩擦阻力，采用低摩擦的活塞，低弹力的活塞环，性能更佳的润滑油等；优化燃油供给系统，采用更高压力的缸内直喷等；优化配气机构进排气道设计，采用可变气门正时与升程技术；优化燃烧室设计，让燃料燃烧更完全；优化气缸设计，有合适的缸径行程比；采用阿特金森循环，等等。

对于柴油机来说，除了可以采用上述的技术之外，还可以采用增加喷油速率、多次喷射、进气高增压等技术。

事实上，热效率较高的发动机，采用的都是综合性的技术，每个方面都优化一点，就可以把热效率提升了。现在市面上热效率较高的发动机有丰田的Dynamic Force系列2.5L发动机，最高热效率为40~41%；本田L15B型1.5T涡轮增压发动机，最高热效率为38%；大众EA211 1.5L TSI Evo涡轮增压发动机，最高热效率为37.5%；日产2.0T VC Turbo 可变压缩比发动机，最高热效率为38%～39%。而马自达的SKYACTIV-X发动机，采用超高压缩比和压燃技术，最高热效率号称能达到50%。比亚迪全新推出的骁云-插混专用1.5L高效发动机，最高热效率能达到43%，这么高的热效率是以一种非常极端的方式达到的，它取消了所有的轮系，所有的附属件都是用电来驱动的，不再消耗发动机的动力，机械损耗大大降低，所以热效率就提升了。

很多人在发动机热效率上有一个认知误区，认为发动机热效率是恒定不变的，比如某款发动机热效率是40%，就认为这款发动机在任何工况下，热效率都是40%，这也是某些人吹嘘某国产发动机高热效率的一个理由。

其实，发动机的热效率是随着工况变化而变化的。在绝大多数工况下，发动机的热效率都是非常低的。比如最常见的市区拥堵路况下，发动机的热效率只有百分之二十几；在高速公路上行驶时，热效率可以达到30%左右；热效率最高的工况，是“大负荷、低转速”，比如汽车在爬陡坡时，发动机节气门全开，进气阻力最小，而此时的发动机转速并不高，机械摩擦阻力较小，此时的热效率反而是比较高的。关于这一点，大家可以查看发动机的万有特性曲线，上面燃油消耗率最低的区域，基本就可以看做是热效率最高的区域。有些发动机可以在较宽的区间内保持较高的热效率，而有些发动机热效率最高的区域很窄，这一方面是调教的因素，也与发动机技术与制造水平有关。

那么发动机热效率高，汽车是否就一定省油呢？其实并不一定。热效率较高的发动机，技术水平一般都是比较先进的，发动机本身的经济性也比较好。但是发动机的经济性不等于汽车的经济性，汽车的油耗并不仅仅是由发动机决定的，还有变速箱、底盘、车重等很多因素。所以并不是说所有搭载热效率高发动机的车型都省油。

为什么柴油机的热效率会比汽油机高呢？一方面，柴油机的压缩比更高，燃料被压缩得越厉害，瞬间释放的能量就越多；另一方面，柴油机都是稀薄燃烧，空气量要远远大于燃油量，燃油基本都能完全燃烧；此外还有柴油机活塞行程更大，燃油燃烧后的能量能充分释放，柴油的热值也更高。这些因素综合在一起，柴油机的热效率就提升了不少，比汽油机要高一些。比如我们常见的载货卡车，搭载的都是柴油机，油耗动辄百公里几十个，但是它的经济性比我们普通的家用车要好得多。如果把普通家用车换算成载货卡车的话，油耗会超过百公里一百升，这也是卡车都使用柴油机的重要原因。

现在还有一种现象，就是很多家用车都采用小排量涡轮增压发动机，那么这样的发动机与自然吸气发动机相比，哪一个热效率更高呢？

我告诉你，是自然吸气发动机热效率更高。涡轮增压发动机由于增加了涡轮增压器，导致进排气消耗能量大大增加，小排量多气缸设计，也增加了机械摩擦，最终会导致热效率下降。事实上，小排量涡轮增压发动机，是一个技术向政策妥协的产物，严格来说，在技术上是退步的。不信大家看热效率较高的发动机，几乎都是自然吸气的，小排量涡轮增压发动机的热效率并不高，并且经济转速区间窄，如果没有好的变速箱配合，经济性是很差的。