从热效率谈起 自吸/涡轮如何选择

【卡诺定理】

　　由热力学第二定律（没有某种动力的消耗或其他变化，不可能使热从低温转移到高温，可知可逆热机的效率不可能为100%），那么理想可逆热机的最大效率为多少呢？

    由热力学第二定律推导出的卡诺定理证明了两个结论：

    1.在相同的高温热源和相同的低温热源之间工作的一切可逆热机，其效率都相等，与工作物质无关，与可逆循环的种类也无关。

    2.在相同的高温热源和相同的低温热源之间工作的一切不可逆热机，其效率都小于可逆热机的效率。

    由此可得到理想热机，即卡诺热机的效率

　　现实中，这样的热机是不存在的，但卡诺热机模型对于提高热机的工作效率，仍具有重要的理论意义：提升冷热源的温度差以及让热机工作循环尽量接近可逆机（Q2到Q1过程的热损失尽量小），都能够提升热机的效率，这正是内燃机研究努力的方向。

　　目前最先进的活塞式四冲程汽油发动机的效率能达到40%就已经非常不错了，柴油机会更稍高一些。以汽油机为例，汽油燃烧后释放的热量只有不到40%真正转换为了可对外输出的机械能，超过60%的燃烧能量都通过排气损失，泵气损失，散热损失和机械损失消耗掉了。而且四冲程内燃机的最大效率仅仅出现在某一个转速区间内（最佳燃油效率点，此时对于四冲程汽油引擎而言，空燃比在16左右，油气处于稀混状态，即稀薄燃烧），也就是说，我们的汽车在日常行驶中，是很少有机会能一直处于最高效率的，大多数情况下我们汽车的引擎热效率往往远低于40%。加上传动系统和变速箱的机械损失（70%～94%之间），平均我们消耗掉的1L汽油（7元）中，大约只会有1.5元是真正用来驱动汽车前进的，其他的5.5元都被无用的消耗掉了，只是为GDP作出了贡献。

【从上图可以看到发动机在不同转速和负载下，空燃比的变化】

　　说到燃烧效率，就需要引入空燃比的概念。对于大多数自然吸气引擎而言，最佳燃油效率点会出现在2000-3000rpm上的某一点（此时空燃比比理论值14.7大，稀混合气，油少气多，稀薄燃烧更加完全，油耗低，污染小），而最大扭矩峰值往往出现在3500rpm～4500rpm的区间（此时空燃比比理论值14.7小，浓混合气，油多气少，燃烧相对不完全，油耗高）。

　　而在最大功率区间，通常在6000rpm左右，空燃比会更低，大约只有12左右，此时发动机效率反而是最低的，此时NOx的排放也是最差的。因此，对于自然吸气发动机而言，最大扭矩区间与最佳燃油效率区间通常不重合。因此，为了降低油耗和减少污染，有厂商设计出了在低负载时使用空燃比大的稀混合气燃烧，只在需要时才提供浓混合气，以提高燃烧效率。比如大众的FSI自然吸气发动机就匹配了这种技术。最佳燃油效率点往往会对整车的动力匹配起到重要决定性作用，一台车身，发动机，变速器匹配良好汽车，厂方标定的经济时速下的发动机转速往往就在最佳效率点附近。

【N20与N52功率扭矩特性对比】

　　而对于涡轮引擎而言，涡轮增压导致了引擎的外特性曲线与自然吸气不同，扭矩峰值平台被平移到更低转速区间，所以涡轮增压引擎往往最佳燃油效率转速和最大扭矩转速会在某一点重合，这样的好处就是最大功率相当的涡轮与自吸引擎，在匹配同一辆车身时，变速器的齿比可以更大，从而降低发动机的转速，这样发动机会有更多时间进入稀燃状态。因此涡轮引擎的脉谱图与NA引擎会有很大的区别，这导致了等功率涡轮引擎与自然吸气引擎在匹配相同车身的时候，涡轮引擎可以通过改变变速器齿比或尾牙的齿比获得更低的转速，从而让其发动机在行驶工况下更有更多时间处于稀薄燃烧状态，从而提升了效率。

　　另外，等功率涡轮增压与自然吸气引擎，涡轮机的体积和重量都会更轻，也降低了整车质量。同时因为小排量低缸数涡轮增压引擎的机械损耗相对于大排量多缸数自然吸气引擎更小（转动惯量更轻，摩擦面更少），比如下面这个例子（引用自知乎作者，感谢劳动成果！）：

    我们来做一个假设：

　　一台1L自然吸气发动机假设额定输出功率50kW，摩擦功假设40kW，散热等损失40kW，无附件损失。那么这台发动机的热效率是50/（50+40+40）=38.46%

　　涡轮增压后，进气歧管压力提高一倍（2bar，绝对压力），额定输出功率达到80kW，增加60%，假设燃烧效率（combustion efficiency）与自然吸气相同，因摩擦功损失是转速的强函数，是负荷的弱函数，那么摩擦功上升不会高于60%（假设60kW），散热损失上升也不会高于60%（同样假设60kW），那么这台发动机的额定点的热效率是提升的，为80/（80+60+60）=40%，提升了1.54%。

    综上，等功率涡轮引擎的热效率会比自然吸气引擎稍高一点点。

【美国环保署EPA油耗测试规则】

　　此外，在实际用车工况下，大排量自然吸气引擎在怠速与低转速区间的油耗相对等功率小排量涡轮增压引擎之间的油耗差距会更多，这也就是为什么在目前最接近实际行车环境的美国环保署EPA油耗测试中，匹配N20 2.0T涡轮引擎的2014款BMW 528i油耗会比匹配N52 3.0自吸引擎的2011款528i更高的原因。

    根据美国环保署的数据，对于同样匹配ZF 8AT自动波箱的宝马5系车型，新款匹配2.0T引擎的528i相对于老款3.0自吸的车型（功率均为245匹），在城市和高速工况油耗均有下降（相对自吸引擎节油2MPG约为0.7L/100km）。同样的情况也出现在新老款的BMW X3 28i车型上：

    同样，笔者还找了更多测试样本来验证这个问题：

    北美的2012款捷达（即国内的新速腾）提供了2.5L直列五缸自然吸气引擎，匹配5速手动档变速器的车型，这款车型在2014年改款后，2.5L直列五缸自吸引擎被EA888 1.8TSI引擎取代，新老款车型功率相等（均为170匹），且均匹配5速手动变速器，传动效率相当。但匹配1.8TSI的新款车型，显然在城市和高速工况都存在着油耗的优势。三款车型样本对比，可以看到同功率涡轮增压引擎确实比自然吸气引起更加省油。但对于家庭用户而言，涡轮引擎相对的节油就一定很重要？未必，小排量涡轮机在油门响应度和动力输出平顺度方面，与同功率自吸引擎还存在差距，这也是为什么在北美这三款车型的老车主对于涡轮化后的新款车型并不感冒的缘故-----开车爽度变差了，有得必有失。

    在商用车领域也有这样的例子，等功率的涡轮机相比自吸车型在运行费用上就一定有优势吗？

    我们以这台定位城际高速交通工具的，装有V10自吸柴油发动机的五十铃GALA客车为例：

　　发动机型式 V10,每缸4气门，柴油 　

　　排量 19L 　

　　最大功率 257kW/2300r/min 　

　　最大扭矩 1176Nm/1600r/min

　　缸径×行程 127mm×150mm

　　这台排量为19L柴油引擎功率为257KW，而对于涡轮增压柴油引擎而言，一般只需要六缸12L左右的排量就能做到与此相当的动力输出了。但这具排量高达19L的V10巨肺真是油老虎吗？据开过五十铃GALA的客车司机介绍，这款车的运行费用并不比同档次的增压引擎客车高，其高速油耗表现与匹配六缸涡轮机的国产高速大巴相当甚至更低，综合运行费用反而相对涡轮机有优势，因为其保养周期比涡轮机长，故障率也较低，而且它的散热能力要好于涡轮机，表现更稳定。因此这款GALA在高速大巴司机的心目中，地位是很高的。

　　等功率涡轮与自然吸气引擎，哪个更适合家庭用户选择呢？这个也没有定论，虽然现在的国际趋势是小排量涡轮代替大排量自然吸气引擎，那也是厂商为了符合新的排放法规和EPA测试标准所做出的改变。自吸引擎也在不断通过技术改进提升热效率，比如SKYACTIV Technology（创驰蓝天技术）同样能够满足欧美严苛的排放和燃油经济性法规。对于车主而言，同功率的自然吸气引擎车型油耗会稍高，但在驾驶感受上，多缸大排量的自吸引擎往往带给人更多高级感和驾驶愉悦感。在维护费用和使用寿命上，涡轮引擎也占不到便宜，如果你期望将一台车保留尽量长的时间，享受它带给你的快乐，那么大排量自吸引擎依然是你的最好选择。