趣味问题:「热效率」真的能决定汽车的性能与油耗吗?

名词解释:

  • 热效率指特定热能转换装置(参考内燃机) , 其输出有效能量与驶入能量的比例 。
假设某燃油汽车装备的发动机有40%的热效率 , 概念则为消耗燃油的热能为100% , 但实际只有40%的热能转化为机械能(有效动力) 。 内燃机真的是一种损耗非常大的发动机 , 为什么会有这么大的损耗呢?参考下图 。
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热力学第二定律做出过这样的解释 , 热能会从高温物体传导至低温物体 , 不可能绝对100%的转化为机械能 。 内燃机做功时产生的热能很夸张 , 比如汽油的燃烧火焰温度会高达1200℃ , 而柴油更是高达1800℃;发动机机体与防冻冷却液的温度远低于该标准 , 所以冷却(吸热)则会损耗掉大量的热能 。
其次内燃机的结构非常复杂 , 曲轴作为动力输出轴要负责的不仅是输出动力 , 同时要推动连杆活塞往复循环运转 , 带动气门凸轮轴、压缩机、发电机等等零部件运转 , 过程中也会损耗掉很多能量——所以热效率才会这么的低 , 那么是不是说热效率更高 , 发动机就会有更强的性能与更低的油耗呢?理论上是这样没错 , 但也不是这么的简单 。
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这张图片也许不好理解 , 重点观察其五角星标注的位置 , 这是其发动机达到40%热效率的扭矩与转速标准-「2500rpm·170N·m」左右 , 相信了解某田(日系品牌)汽车的消费者都知道它是个多大的排量 , 不过这还不是最重要的 。
重点是转速低于该标准或高于该标准后 , 热效率都没有40%的高标准了;比如2000转时就只有35%的热效率 , 那么这台机器还能够省油吗?答案当然是否定的 , 因其最佳热效率并非其用户驾驶习惯中的平均行驶转速 , 说白了就是偏高了;而且扭矩实在是太低 , 想要节油的理想方式应当是「大扭矩·低转速」运行 。
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真实标准:燃油动力汽车没有任何一台车 , 可以将运行转速恒定在最佳热效率区间 , 节油的基础还是控制转速!
在公共道路驾驶汽车需要将车速维持于车流行进速度相当的标准 , 在以涡轮增压汽车为主的车流中 , 上述高热效率的自然吸气动力的汽车就会很尴尬 , 因其扭矩实在太低 。
(扭矩×转速÷常数×倍率=马力) , 常数9549、倍率1.36是不变的数值 , 扭矩和转速是相乘的关系 , 那么两者有一项足够高就能实现大马力 。 马力越大则加速能力越强 , 同时巡航驾驶的车速也会越高 。 然而转速是不宜过高的 , 因为曲轴每分钟旋转的速度(次数)除以二 , 得出的数值为每分钟喷油做功的频率 , 转速越高则耗油量越大 。
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综上所述 , 只有大扭矩才能以低转速的节油标准实现大马力 , 然而自然吸气发动机的扭矩总是偏弱很多 。 比如奥托循环的2.0L峰值扭矩不过200N·m左右 , 重点是平均4000rpm的转速才能达到峰值 , 在此之前与之后的扭矩都会很低 。 所以这种机型就只能以高转速费油的状态拉升车速 , 当然习惯于温和的驾驶也能省油 , 只是会拖慢车流的整体行进速度 。
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问题:为什么主攻高压缸内直喷与涡轮增压技术的车企 , 往往不讨论热效率过多少或低多少呢?
其实原因很简单 , 因为这两种技术的组合 , 可以实现的结果是扭矩的大幅提升!汽油机的直喷压力可以达到350bar的标准 , 相比多点电喷机有100-140倍的增长;喷油压力越高燃油雾化效果就会越强 , 高标准雾化汽油的油珠粒径可以低至10微米以内 , 在相同压缩机的前提下会有更快的蒸发速度 。