油车啊油车,你的效率都去哪了?

原创 autocarweekly 2022-11-30 13:50

文|嗷嗷胡


效率就是生命,对于民用动力系统永远成立。今天电动机取代内燃机,表面上看是“烧油不烧油”的质变,内里仍然是“提效难度较低者(开始有能力)补充/替换提效难度较高者”的延续。


我们知道,车用汽油机发展到今天,量产品的峰值热效率最高就在43%出头;哪怕研发中的下一代机型,目标也“只是”试着够一够50%——而电动机动辄90%以上的超高效率不费吹灰之力。


那么,为什么相比之下内燃机的效率会如此低?过半的能量都被浪费到哪里去了?


每一部分,都算数


内燃机热效率目前止步于40~50%,剩下的超过一半能量都有确定的“去向”。


按照较常用而粗线条的分划,主要是排气损失(exhaust loss)、冷却损失(cooling loss)、摩擦/机械损失(friction/machanical loss)和泵气损失(pumping loss),余下的占比便是所谓热效率。



这其中,摩擦/机械损失很好理解,排气损失指的是排气中蕴含的热能,也不必多说。图中占比最大的冷却损失,指的是为了维持发动机内部温度不至过高而散失掉的热量,或者说除维持正常燃烧所需以外多余的热量。


虽然我们惯常的理解中发动机是需要散热,但实际上高效率更需要将尽可能多的燃油化学能转化为动能而不是热能。最理想的状态是根本无需散热,无论气缸内温度超过燃烧所需还是发动机整体向外散发的热量,终究都来自所消耗的燃油。


对于四冲程发动机,活塞上下运动四次(两个来回)只有一次是由燃油燃烧推动。那么进气冲程活塞下行吸气、排气冲程活塞上行排气,其实都需要克服外界大气压阻力(相当于向内抽气和向外打气),这就是排气损失。


每当车企推出新的内燃机产品,宣传文案中的改进措施大都能对号入座。阿特金森/米勒循环降低了排气温度又减小了泵气损失,一系列增加混合气稀薄程度的措施降低了燃烧温度从而减少了冷却损失和排气损失……



峰值不等于全部


需要注意的是,内燃机以不同工况运转时,这几个部分各自所占比例也会变化的。即上图中几个色块随着横向(负载)的移动,各自占比有所变化,且增减方向/速率并不一定同步。


这倒不难理解,比如摩擦损失会随发动机负载增加而减小,因为即便是松油门滑行也会存在机械摩擦,那么低负载下摩擦损失自然占比较大;随着增加负载(加大油门),摩擦损耗的量增加但占比会减小,即对热效率的拖累程度也就减少。


每类损耗部分随着负载增加而增/减的幅度也不尽同步,造成的结果便是“剩下的”热效率处于一种不太线性的变化中。体现在检视热效率必备的BSFC比油耗图中,便是曲折蜿蜒的热效率等高线。



也是因为不同工况下,各类损耗的“脾气”不同,要提高内燃机的综合热效率,便需要考虑各个典型工况点的优化平衡。比如花大力气高成本优化了摩擦损失,对于低负载工况效率提升更明显,而在高负载时可能就作用有限。


这时又需要注意,所谓的内燃机热效率其实并不是一个决定全局的值,而仅代表一个最高值。仔细看你会发现宣传文案的“热效率41%42%43%”前面,永远会带着“最高”或者“峰值”二字。


比如丰田著名的A25A系列2.5L引擎,燃油版和混动版的峰值热效率分别达40%和41%。前者是在大约2500rpm、160N·m工况点达到40%(下图红星处);而后者虽说写出来的热效率数字只差了1%,效率分布却完全不同,比如大于38%效率区域就比前者大了一圈。


差别可不仅仅是最高效率值差了1%那么简单


“40%热效率”,也并不是说车辆能始终以40%效率燃烧汽油,因为燃油车甚至哪怕增程式混动车,都不大可能让发动机始终能以最佳效率点的那个“转速-扭矩”运行,只要有所偏离效率必然降低,于是综合效率必然会低于峰值热效率。


而综合的效率,既取决于BSFC图所给出的峰值、等高线分布,也取决于测量这个“综合”的方法或者说标准。就好比不同的驾驶习惯、不同的加减速路线开同一辆车,油耗和电耗必然有高有低。


倘若是仅仅提升峰值点效率值,并不一定能够显著提升能耗表现(但高峰值确实往往对应着整体效率都更高)。除了提高热效率峰值,还可以设法扩大相对高效区面积、最高效点更贴近最常用工况等,都会对实际的应用效果带来帮助。


既见上限,换了人间


除去一些非常偏门的新创公司概念产品,今天喊出最高热效率目标的,是马自达下一代Skyactiv-3(暂定名)的56%。哪怕F1这样不惜成本还加上各种能量回收buff,最后也仍然在50%左右徘徊。


除了最终的(整机)峰值热效率,“指示热效率”也开始被提及。所谓指示热效率,粗浅可以理解为仅看单个气缸固定于台架、不计入任何附件、到活塞而无需到曲轴的,狭义上的纯燃烧做功效率


2021年初,日产宣布实现了50%的台架热效率即指示热效率。年末吉利发布的雷神动力混动引擎宣称指示热效率达52.5%,而下一代机型指示热效率的目标是57%。



指示热效率是实际热效率的绝对天花板,并且向下还存在着必然的空档和落差,即便今天的新世代内燃机已经竭尽全力地电气化和去附件化来减少二者间的“落地损耗”。


内燃机作为一种热机,根据卡诺循环效率公式结合今天的基础科学水平,(峰值)热效率的极限大致就在60%多一点的样子。很自然的,当新一代内燃机相对迅速地冲破了40%逐渐逼近50%、指示热效率越来越接近60%,瓶颈也就越来越凸显。


正是内燃机的峰值热效率一步步逼近理论上的当前技术极限,单纯靠提高热效率来降低能耗水平才变得越来越理想主义,而像混动技术这样能更充分利用最高效率工况区的手段,才成为了今天时代的主旋律,直到进一步走向纯电。


至于高效率的电机所用电从哪来,电池会不会拖了电机高效率的后腿,当驱动与储能各自配对后孰得孰失,就是另一个更加复杂宏大的话题了。


autocarweekly 车不只是代步工具,还是生活的一种刻度。
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