油車啊油車，你的效率都去哪了？

文｜嗷嗷胡

效率就是生命，對於民用動力系統永遠成立。今天電動機取代內燃機，表面上看是“燒油不燒油”的質變，內裡仍然是“提效難度較低者

（開始有能力）

補充/替換提效難度較高者”的延續。

我們知道，車用汽油機發展到今天，量產品的峰值熱效率最高就在43%出頭；哪怕研發中的下一代機型，目標也“只是”試著夠一夠50%——而電動機動輒90%以上的超高效率不費吹灰之力。

那麼，為什麼相比之下內燃機的效率會如此低？過半的能量都被浪費到哪裡去了？

每一部分，都算數

內燃機熱效率目前止步於40~50%，剩下的超過一半能量都有確定的“去向”。

按照較常用而粗線條的分劃，主要是排氣損失

（exhaust loss）

、冷卻損失

（cooling loss）

、摩擦/機械損失

（friction/machanical loss）

和泵氣損失

（pumping loss）

，餘下的佔比便是所謂熱效率。

這其中，

摩擦/機械損失

比較好理解，

排氣損失

指的是排氣中蘊含的熱能，也不必多說。圖中佔比最大的

冷卻損失

，指的是為了維持發動機內部溫度不至過高而散失掉的熱量，或者說除維持正常燃燒所需以外多餘的熱量。

雖然我們慣常的理解中發動機是需要散熱，但實際上高效率更需要將盡可能多的燃油化學能轉化為動能而不是熱能。最理想的狀態是根本無需散熱，無論氣缸內溫度超過燃燒所需還是發動機整體向外散發的熱量，終究都來自所消耗的燃油。

對於四衝程發動機，活塞上下運動四次

（兩個來回）

只有一次是由燃油燃燒推動。那麼進氣衝程活塞下行吸氣、排氣衝程活塞上行排氣，其實都需要克服外界大氣壓阻力

（相當於向內抽氣和向外打氣）

，這就是排氣損失。

每當車企推出新的內燃機產品，宣傳文案中的改進措施大都能對號入座。阿特金森/米勒迴圈降低了排氣溫度又減小了泵氣損失，一系列增加混合氣稀薄程度的措施降低了燃燒溫度從而減少了冷卻損失和排氣損失……

峰值不等於全部

需要注意的是，內燃機以不同工況運轉時，這幾個部分各自所佔比例也會變化的。即上圖中幾個色塊隨著橫向

（負載）

的移動，各自佔比有所變化，且增減方向/速率並不一定同步。

這倒不難理解，比如摩擦損失會隨發動機負載增加而減小，因為即便是鬆油門滑行也會存在機械摩擦，那麼低負載下摩擦損失自然佔比較大；隨著增加負載

（加大油門）

，摩擦損耗的量增加但佔比會減小，即對熱效率的拖累程度也就減少。

每類損耗部分隨著負載增加而增/減的幅度也不盡同步，造成的結果便是“剩下的”熱效率處於一種不太線性的變化中

。體現在檢視熱效率必備的BSFC比油耗圖中，便是曲折蜿蜒的熱效率等高線。

也是因為不同工況下，各類損耗的“脾氣”不同，要提高內燃機的綜合熱效率，便需要考慮各個典型工況點的最佳化平衡。比如花大力氣高成本優化了摩擦損失，對於低負載工況效率提升更明顯，而在高負載時可能就作用有限。

這時又需要注意，

所謂的內燃機熱效率其實並不是一個決定全域性的值，而僅代表一個最高值

。仔細看你會發現宣傳文案的“熱效率41%42%43%”前面，永遠會帶著“最高”或者“峰值”二字。

比如豐田著名的A25A系列2。5L引擎，燃油版和混動版的峰值熱效率分別達40%和41%。前者是在大約2500rpm、160N·m工況點達到40%

（下圖紅星處）

；而後者雖說寫出來的熱效率數字只差了1%，效率分佈卻完全不同，比如大於38%效率區域就比前者大了一圈。

差別可不僅僅是最高效率值差了1%那麼簡單

“40%熱效率”，也並不是說車輛能始終以40%效率燃燒汽油，因為燃油車甚至哪怕增程式混動車，都不大可能讓發動機始終能以最佳效率點的那個“轉速-扭矩”執行，只要有所偏離效率必然降低，於是綜合效率必然會低於峰值熱效率。

而綜合的效率，既取決於BSFC圖所給出的峰值、等高線分佈，也取決於測量這個“綜合”的方法或者說標準。就好比不同的駕駛習慣、不同的加減速路線開同一輛車，油耗和電耗必然有高有低。

倘若是僅僅提升峰值點效率值，並不一定能夠顯著提升能耗表現

（但高峰值確實往往對應著整體效率都更高）

。除了提高熱效率峰值，還可以設法擴大相對高效區面積、最高效點更貼近最常用工況等，都會對實際的應用效果帶來幫助。

既見上限，換了人間

除去一些非常偏門的新創公司概念產品，今天喊出最高熱效率目標的，是馬自達下一代Skyactiv-3

（暫定名）

的56%。哪怕F1這樣不惜成本還加上各種能量回收buff，最後也仍然在50%左右徘徊。

除了最終的

（整機）

峰值熱效率，“指示熱效率”也開始被提及。

所謂指示熱效率，粗淺可以理解為僅看單個氣缸固定於臺架、不計入任何附件、到活塞而無需到曲軸的，狹義上的純燃燒做功效率

。

2021年初，日產宣佈實現了50%的臺架熱效率即指示熱效率。年末吉利釋出的雷神動力混動引擎宣稱指示熱效率達52。5%，而下一代機型指示熱效率的目標是57%。

指示熱效率是實際熱效率的絕對天花板

，並且向下還存在著必然的空檔和落差，即便今天的新世代內燃機已經竭盡全力地電氣化和去附件化來減少二者間的“落地損耗”。

內燃機作為一種熱機，根據卡諾迴圈效率公式結合今天的基礎科學水平，

（峰值）

熱效率的極限大致就在60%多一點的樣子。很自然的，當新一代內燃機相對迅速地衝破了40%逐漸逼近50%、指示熱效率越來越接近60%，瓶頸也就越來越凸顯。

正是內燃機的峰值熱效率一步步逼近理論上的當前技術極限，單純靠提高熱效率來降低能耗水平才變得越來越理想主義，而像混動技術這樣能更充分利用最高效率工況區的手段，才成為了今天時代的主旋律，直到進一步走向純電。

至於高效率的電機所用電從哪來，電池會不會拖了電機高效率的後腿，當驅動與儲能各自配對後孰得孰失，就是另一個更加複雜宏大的話題了。