原文標(biāo)題：《油車啊油車，你的效率都去哪了？》
效率就是生命，對(duì)于民用動(dòng)力系統(tǒng)永遠(yuǎn)成立。今天電動(dòng)機(jī)取代內(nèi)燃機(jī)，表面上看是“燒油不燒油”的質(zhì)變，內(nèi)里仍然是“提效難度較低者（開(kāi)始有能力）補(bǔ)充 / 替換提效難度較高者”的延續(xù)。
我們知道，車用汽油機(jī)發(fā)展到今天，量產(chǎn)品的峰值熱效率最高就在 43% 出頭；哪怕研發(fā)中的下一代機(jī)型，目標(biāo)也“只是”試著夠一夠 50%—— 而電動(dòng)機(jī)動(dòng)輒 90% 以上的超高效率不費(fèi)吹灰之力。
那么，為什么相比之下內(nèi)燃機(jī)的效率會(huì)如此低？過(guò)半的能量都被浪費(fèi)到哪里去了？
每一部分，都算數(shù)
內(nèi)燃機(jī)熱效率目前止步于 40~50%，剩下的超過(guò)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(jī)械損失（friction / machanical loss）和泵氣損失（pumping loss），余下的占比便是所謂熱效率。
這其中，摩擦 / 機(jī)械損失比較好理解，排氣損失指的是排氣中蘊(yùn)含的熱能，也不必多說(shuō)。圖中占比最大的冷卻損失，指的是為了維持發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部溫度不至過(guò)高而散失掉的熱量，或者說(shuō)除維持正常燃燒所需以外多余的熱量。
雖然我們慣常的理解中發(fā)動(dòng)機(jī)是需要散熱，但實(shí)際上高效率更需要將盡可能多的燃油化學(xué)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能而不是熱能。最理想的狀態(tài)是根本無(wú)需散熱，無(wú)論氣缸內(nèi)溫度超過(guò)燃燒所需還是發(fā)動(dòng)機(jī)整體向外散發(fā)的熱量，終究都來(lái)自所消耗的燃油。
對(duì)于四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)，活塞上下運(yùn)動(dòng)四次（兩個(gè)來(lái)回）只有一次是由燃油燃燒推動(dòng)。那么進(jìn)氣沖程活塞下行吸氣、排氣沖程活塞上行排氣，其實(shí)都需要克服外界大氣壓阻力（相當(dāng)于向內(nèi)抽氣和向外打氣），這就是排氣損失。
每當(dāng)車企推出新的內(nèi)燃機(jī)產(chǎn)品，宣傳文案中的改進(jìn)措施大都能對(duì)號(hào)入座。阿特金森 / 米勒循環(huán)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……
峰值不等于全部
需要注意的是，內(nèi)燃機(jī)以不同工況運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，這幾個(gè)部分各自所占比例也會(huì)變化的。即上圖中幾個(gè)色塊隨著橫向（負(fù)載）的移動(dòng)，各自占比有所變化，且增減方向 / 速率并不一定同步。
這倒不難理解，比如摩擦損失會(huì)隨發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載增加而減小，因?yàn)榧幢闶撬捎烷T滑行也會(huì)存在機(jī)械摩擦，那么低負(fù)載下摩擦損失自然占比較大；隨著增加負(fù)載（加大油門），摩擦損耗的量增加但占比會(huì)減小，即對(duì)熱效率的拖累程度也就減少。
每類損耗部分隨著負(fù)載增加而增 / 減的幅度也不盡同步，造成的結(jié)果便是“剩下的”熱效率處于一種不太線性的變化中。體現(xiàn)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?yàn)椴煌r下，各類損耗的“脾氣”不同，要提高內(nèi)燃機(jī)的綜合熱效率，便需要考慮各個(gè)典型工況點(diǎn)的優(yōu)化平衡。比如花大力氣高成本優(yōu)化了摩擦損失，對(duì)于低負(fù)載工況效率提升更明顯，而在高負(fù)載時(shí)可能就作用有限。
這時(shí)又需要注意，所謂的內(nèi)燃機(jī)熱效率其實(shí)并不是一個(gè)決定全局的值，而僅代表一個(gè)最高值。仔細(xì)看你會(huì)發(fā)現(xiàn)宣傳文案的“熱效率 41%42%43%”前面，永遠(yuǎn)會(huì)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(dòng)版的峰值熱效率分別達(dá) 40% 和 41%。前者是在大約 2500rpm、160N?m 工況點(diǎn)達(dá)到 40%（下圖紅星處）；而后者雖說(shuō)寫出來(lái)的熱效率數(shù)字只差了 1%，效率分布卻完全不同，比如大于 38% 效率區(qū)域就比前者大了一圈。
“40% 熱效率”，也并不是說(shuō)車輛能始終以 40% 效率燃燒汽油，因?yàn)槿加蛙嚿踔聊呐略龀淌交靹?dòng)車，都不大可能讓發(fā)動(dòng)機(jī)始終能以最佳效率點(diǎn)的那個(gè)“轉(zhuǎn)速-扭矩”運(yùn)行，只要有所偏離效率必然降低，于是綜合效率必然會(huì)低于峰值熱效率。
而綜合的效率，既取決于 BSFC 圖所給出的峰值、等高線分布，也取決于測(cè)量這個(gè)“綜合”的方法或者說(shuō)標(biāo)準(zhǔn)。就好比不同的駕駛習(xí)慣、不同的加減速路線開(kāi)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(diǎn)效率值，并不一定能夠顯著提升能耗表現(xiàn)（但高峰值確實(shí)往往對(duì)應(yīng)著整體效率都更高）。除了提高熱效率峰值，還可以設(shè)法擴(kuò)大相對(duì)高效區(qū)面積、最高效點(diǎn)更貼近最常用工況等，都會(huì)對(duì)實(shí)際的應(yīng)用效果帶來(lái)幫助。
既見(jiàn)上限，換了人間
除去一些非常偏門的新創(chuàng)公司概念產(chǎn)品，今天喊出最高熱效率目標(biāo)的，是馬自達(dá)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，最后也仍然在 50% 左右徘徊。
除了最終的（整機(jī)）峰值熱效率，“指示熱效率”也開(kāi)始被提及。所謂指示熱效率，粗淺可以理解為僅看單個(gè)氣缸固定于臺(tái)架、不計(jì)入任何附件、到活塞而無(wú)需到曲軸的，狹義上的純?nèi)紵龉π省?/p>
2021 年初，日產(chǎn)宣布實(shí)現(xiàn)了 50% 的臺(tái)架熱效率即指示熱效率。年末吉利發(fā)布的雷神動(dòng)力混動(dòng)引擎宣稱指示熱效率達(dá) 52.5%，而下一代機(jī)型指示熱效率的目標(biāo)是 57%。
指示熱效率是實(shí)際熱效率的絕對(duì)天花板，并且向下還存在著必然的空檔和落差，即便今天的新世代內(nèi)燃機(jī)已經(jīng)竭盡全力地電氣化和去附件化來(lái)減少二者間的“落地?fù)p耗”。
內(nèi)燃機(jī)作為一種熱機(jī)，根據(jù)卡諾循環(huán)效率公式結(jié)合今天的基礎(chǔ)科學(xué)水平，（峰值）熱效率的極限大致就在 60% 多一點(diǎn)的樣子。很自然的，當(dāng)新一代內(nèi)燃機(jī)相對(duì)迅速地沖破了 40% 逐漸逼近 50%、指示熱效率越來(lái)越接近 60%，瓶頸也就越來(lái)越凸顯。
正是內(nèi)燃機(jī)的峰值熱效率一步步逼近理論上的當(dāng)前技術(shù)極限，單純靠提高熱效率來(lái)降低能耗水平才變得越來(lái)越理想主義，而像混動(dòng)技術(shù)這樣能更充分利用最高效率工況區(qū)的手段，才成為了今天時(shí)代的主旋律，直到進(jìn)一步走向純電。
至于高效率的電機(jī)所用電從哪來(lái)，電池會(huì)不會(huì)拖了電機(jī)高效率的后腿，當(dāng)驅(qū)動(dòng)與儲(chǔ)能各自配對(duì)后孰得孰失，就是另一個(gè)更加復(fù)雜宏大的話題了。
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