原标题:胖是一种美,瘦才是真有病!一文读懂发动机热效率

文|车突突

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前些日子,丰田推出了一款热效率达到41%的全新自然吸气发动机,这条消息,瞬间刷爆了车突突的朋友圈。

41%的比例在数学和很多领域中并不算个很高的数字,那么为何一台热效率刚刚达到41%的发动机却可以霸屏呢?今天,车突突就来聊聊发动机热效率这个话题。

首先来说说发动机热效率是个什么概念?

发动机的工作原理是让燃料在汽缸内爆燃,在一瞬间内形成大量的高温、高压气体,推动汽缸活塞运动,从而将蕴藏在燃料中的化学能转化成为机械能,再通过曲柄机构将活塞的往复运动转化成作用于变速箱的圆周运动。

那么,在发动机的工作过程中就存在转换效率的问题。热效率的含义是:对于特定热能转换装置,其有效输出的能量与输入的能量之比。

一般而言,发动机工作过程中,作为燃料的汽油或者是柴油往往无法充分燃烧,会产生一部分损失。而随着缸内直喷、稀薄燃烧等技术的应用,未燃烧部分的损失会越来越少。

其次,燃料在发动机内爆燃,会产生大量的热量,而为了保持发动机能正常工作,就需要冷却系统保持发动机在一个温度范围内稳定地工作。这就会损失掉大部分能量,这部分损失被称为冷却损失。

再次,发动机工作过程中,燃料爆燃产生高温气体的能量并非都会被转换成活塞的往复运动,最终被排出发动机外,这部分损失被称为排气损失。

此外,发动机工作过程中,还要克服进气和排气阻力,都会占用燃料燃烧产生的一部分能量,这部分损失叫做泵气损失。

最后,在燃料的化学能转化成活塞往复运动的机械能后,还要克服活塞与汽缸壁之间的摩擦、活塞与曲柄机构之间的机械损耗等等,这部分损失叫做机械损失。

综合以上来看,发动机在工作过程中会有相当一部分能量被损失掉了。话题再回到热效率这个数字上来,你也同样会为41%的热效率竖起大拇指了。

如果这样解释你还不够明白,那车突突就换一种说法来描述。

这就像人们吃饭一样,有些人同化作用能力强,可以将藏在食物中的大部分能量转化成蛋白质或脂肪,这就好比一台热效率高的发动机

而像车突突这样同化能力弱、又有肠胃炎的人,就会损失更多的能量,吃进再多的东西都长不胖

就好比几十年前的老款发动机一样,热效率奇低。

说到这,车突突真心羡慕喝水都能长胖的人!

常见的发动机热效率都是多少呢?目前,常见的汽油机的热效率大多在30%-35%之间,柴油机的热效率能达到35%-45%,喷气发动机的热效率在50%-60%之间。由此可见,对汽车常用的汽油发动机来说,想要降低油耗和排放,就只能不断提高它的热效率了。

那么,在最常见的汽油车上,都有哪些发动机有着非常高的热效率呢?它们又是怎样得到这么高的热效率的呢?

先来说说丰田将搭载在全新凯美瑞上的这台热效率高达41%的发动机。

这台发动机排量为2.5L,是TNGA平台的第一款发动机产品,丰田称之为:“动感力量引擎(Dynamic Force Engines)”,足见它有着不错的动力性能。官方公布的数据显示,它的最大功率205马力,最大扭矩250N·m,最大热效率为40%;混合动力版本最大功率为177马力,最大扭矩220N·m,热效率则高达41%。

那么丰田究竟使用了多少黑科技,才能把热效率提升到这惊人的数字?下面先通过两张图片直观的了解一下。

可见,想要把发动机的热效率提高到这样的高水平,必须有一系列的高科技来加持。

而要说到发动机黑科技,马自达也是一个赢家,毕竟能将转子引擎量产的车企,也就只有马自达了。如今,马自达第二代创驰蓝天汽油发动机的热效率直指50%,直接打破了丰田的记录。

第二代创驰蓝天汽油发动机采用了HCCI均质压燃技术,利用18:1的超高压缩比压燃(通过活塞压缩混合气使之温度升高至一定程度时自行燃烧,与柴油发动机类似)汽油混合气,提高了燃效。

均质混合气体则是通过采用更高喷射压力的喷油嘴来实现,使汽油雾化更充分,从而加速其与空气的混合,提升均质压燃的效率。

由于均质燃烧消除了火花塞点火式汽油发动机混合气燃烧时火焰扩散过程中的能量损失,故燃效更高。

此外,为了进一步提高发动机在冷、热等不同工况下的效率,它还保留了火花塞的结构,冷车启动时,通过VVT可变气门正时机构延迟进气门关闭时间,让逐步上行的活塞把部分进入气缸的空气推回进气道,降低发动机的实际压缩比,然后用火花塞点燃汽油和空气的混合气体。

通过这些努力,创驰蓝天发动机每一代机型在油耗和性能上都有了明显的提升。

其中2.0L发动机比第一代机型功率提高了12马力,扭矩提高了13牛米,2.5L发动机比第一代机型功率提高了18马力,扭矩提高了23牛米。

虽然丰田和马自达用来提高发动机热效率的手段各不相同,但总结来说可以得到以下五点。

1、加速汽缸内气体流动。在这方面丰田采用了优化后的缸径/行程比,新的发动机缸径变小、行程边长,使发动机低转更加有劲。另外,高滚流比也可以大幅提升气体在汽缸的流动速度,提高高温气体膨胀功的转化效率。而马自达采用的更高的压缩比、4-2-1时排气管也可以实现同样的效果。

2、增加空气流量。增加空气流量无疑可以减少汽油不充分燃烧的现象产生,增加空气流量的方式也有很多,丰田和马自达都应用了VVT技术、优化的凸轮轴、提高进排气阀夹角等。

3、提高燃烧效率。无疑,提高燃烧效率可以大幅降低能量的损失,比如丰田和马自达都提高了发动机的压缩比、采用高能量火花塞、优化EGR废气再循环等等。

4、降低机械损失。降低机械损失可以使能量更多的转化为曲轴上的圆周运动,丰田和马自达都采用了很多降低机械摩擦的新技术,比如丰田采用了低摩擦链条、活塞裙表面优化、树脂涂层轴承、激光涂层等等。

5、降低发动机重量。目前,减重成了车企节能减排的重要举措之一,在丰田和马自达的新型发动机上也都采用了很多减重方式,比如丰田采用了轻量化的全铝合金构造、汽缸盖集成技术、滚流型轻量化活塞、高强度连杆等等。

其实,不仅仅是日本车企善于提升发动机的热效率,全球各地车企都不断致力于提升发动机的效能。比如大众1.4TSI发动机的热效率达到了37%。

福特福克斯上那台1.5T发动机热效率也超过了36%。

而自主品牌奇瑞的E4T15B发动机的热效率也高达37.1%。

看完这么多牛掰的发动机,是不是该为研制出它们的车企点赞?

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