干货丨热效率到底是个什么东西？

排气管 2020-06-17 22:55:12

文/Autokol

最近，一则认证通告的发布，让“热效率”再次成为媒体和大众关注的焦点——根据《CATARC标志认证实施规则乘用车用汽油机能效认证》规则，国内权威机构CATARC完成了第一批产品认证工作。

根据CATARC发布的首批认证通告显示，奔腾T77 PRO搭载的1.5T涡轮增压发动机CA4GB15TD-30在试验认证结果中，获得39.06%的最高有效热效率。从而使得一汽奔腾T77 PRO的1.5T涡轮增压发动机成为业界首个获得“能效之星”认证证书的产品。

再加上最近一段时间频频出现的关于“热效率”的新闻，我们觉得有必要抽时间出来好好聊一聊，热效率，到底是个什么东西？竟然可以让无数汽车企业为之着迷。

热效率，其实是评价内燃机动力作为一种能量转换装置优劣程度的一个关键指标。

内燃机从本质上来讲，就是一种能量转换的装置，通过燃料在燃烧室这一封闭空间内的燃烧，通过封闭空间内的爆燃，将热能转化为推动活塞运动的机械能，继而实现推动曲轴的旋转，并将这一旋转的机械能输出的能量转换装置。

在这个过程中，最终产生的机械能和产生这些机械能所消耗掉的燃料产生的热能的比值，就是热效率。热效率越高，也就意味着热能的利用率越高，发动机的经济性和动力性也就会越好。这其实和有的人喝凉水都胖是一个道理——能量都被高效的利用了。也正是因为这样一个朴实的原理，使得热效率成为评价一台内燃机性能的最基础指标。

换句话说，要让一台发动机变得更加高效，最简单的办法就是提升它的热效率。

理都懂，实现起来却不容易。

在汽车内燃机动力诞生的这一百多年时间里，汽油发动机的热效率提升不过15%左右，现在量产最高的热效率水平（丰田）也不过才41%。

这又是为什么呢？

发动机工作是这么一个原理，从燃料进入气缸到废气排出，一共要经历进气、压缩、做功和排气四个冲程。

其中，除了做功冲程之外，其他阶段都是在白白的消耗机械能。而在燃料快速燃烧，产生下压力推动活塞下行之后，燃料燃烧的剩余热量就随着燃烧的产物，作为废气的一部分被排出车外。

另外，燃料燃烧所产生的热量，除了快速膨胀瞬间能够推动活塞运动的那一阶段之外，绝大多数的热量都被用在了加热活塞和气缸上。所以这也就是为什么，发动机一定需要冷却系统的原因——通过冷却系统把这些没有用到的热量带走。

这些热量的浪费到哪去了呢，烧热的排气管、进气格栅那里冒着的热气，这些无法避免的热量损失也就直接导致了发动机的热效率难以大幅度的提升。

所以，改变只能从细节开始。

一般来说，提升发动机热效率的方式无外乎“开源节流”，从源头上降低热能的损失，并尽可能多的让热能转化为机械能。从排出的废气和废热入手，将这部分热能再度利用起来。在开源端，最直接的方式就是让燃料在气缸内能够燃烧的更加充分，并且更多的推动活塞运动。

要让燃油燃烧的更充分，并更多的去推动活塞运动的最根本解决办法，就是提升发动机的压缩比。这就跟弹簧是一个道理，压得越多，弹的越高。压缩比越大，燃烧室的压力更高，燃料燃烧的就更充分，同时推动活塞运动的行程也就越长，热能的利用率也就越高。柴油发动机的热效率比汽油发动机更高就是这个道理。

当然压缩比更高，带来的就是发动机的爆震趋势更明显，另外活塞运动的行程越长，抖动也就越明显。还是柴油发动机的例子，怠速柴油发动机就要比汽油发动机抖得厉害。所以压缩比也应该是在有限的范围内，尽可能多的做到最大。比如奔腾T77 PRO的这台发动机11.5的压缩比在汽油机里，就很厉害。

既然压缩比不能一味的提高，那么接下来提升热效率的方式，就要在燃油上做文章了。所以，在最近几年里，业界又提出了一个“膨胀比”的概念。在一定条件下，用可燃气体的膨胀比来替代压缩比，在做功开始前后实现燃烧效率的提升。

要实现膨胀比增加，主要有两种方式，一种是米勒循环、一种是阿特金森循环。

二者的原理相似，但是执行起来有所差别，阿特金森循环通过进气门晚关的方式，将进入到气缸内的部分可燃混合气再度压回到进气歧管中，实现膨胀比的增加。而米勒循环则是通过提前关闭进气门的方式，实现的膨胀比增加，使得发动机的做功行程大于压缩行程，最终实现热能转化效率的提升。奔腾T77 PRO采用的就是米勒循环发动机。