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车叔说车|【车叔讲堂】热效率究竟是什么鬼？车企为啥都爱吹？

最近 ， 比亚迪推出高功率1.5T发动机 ， 标称最大输出功率136KW ， 最大扭矩288N·m ， 热效率最高可达到38% ， 几乎已经是自主品牌目前热效率最高的汽油机之一 。无独有偶 ， 奇瑞、长城等自主品牌在2020年也相继推出新一代的2.0T发动机 ， 以提高产品自主核心竞争力 。
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纵观目前自主品牌所有新推出的引擎 ， 可以看出它们都在将热效率当作宣传的重点 ， 比亚迪骁云引擎热效率38% ， 长城4N20引擎的热效率为38.3% ， 奇瑞F4J20引擎的热效率为39% ， 同为涡轮引擎的它们似乎已经将本田的L15B8涡轮引擎的热效率踩在了脚下 ， 成为新时代汽油发动机的领跑者 。
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那么 ， 各大车企都在宣传的热效率到底是一个什么参数 ， 它对汽车的动力有什么影响呢？
从微观的角度来看燃烧反应
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一切要从燃烧反应说起 ， 汽油的燃烧本质是烷烃类碳基化合物在高温高压的情况下产生的氧化还原反应 ， 碳链断裂 ， 释放出热量 ， 让气体发生膨胀 ， 从而推动气缸内的活塞产生动力 。根据化学反应的能量守恒定律我们可以轻易地算出1mol烷烃完全氧化需要消耗多少氧气 ， 但当我们将这一反应放到动态环境当中后 ， 上述情况就变得复杂起来 。由于在日常行驶时 ， 发动机工况随时在变 ， 导致每一次进气冲程吸入的几乎都不相同 ， 因此燃料供给情况也需要实时调整 。
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过去很多人认为 ， 只要按照一定比例计算出吸多少气 ， 供多少油 ， 就能让引擎高效运转 ， 而这个比例就是理论空燃比：14.7:1（汽油） ， 在这个空燃比下 ， 汽油能够完全燃烧 ， 火焰传播速度以及火焰温度也在最佳范围内 ， 一氧化碳以及一氧化氮等非饱和氧化产物的废气也能得到有效控制 ， 看似发动机最佳的状态 。
但事情真的是这样吗？
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每个ECU中都会有一套空燃比控制建模
我们再以微观的角度来看一次气缸内的燃烧 。当燃料被喷入气缸时（对于缸内直喷引擎来说） ， 距离喷油孔近的区域可燃混合气偏浓 ， 而离喷油孔较远的地方可燃混合气则较稀 ， 因此在点火时 ， 靠近喷油孔位置的可燃混合气体非常容易被点燃 ， 但是由于混合气较浓 ， 燃烧速率较慢 ， 火焰温度以及火焰传播速度都比较低 ， 但是当火焰蔓延到更远的区域时 ， 由于混合气较稀 ， 火焰温度以及传播速度会迅速加快 ， 对活塞顶部造成烧蚀现象 ， 这也是许多改装多动力的车辆在激烈驾驶时活塞顶部被烧裂的原因 。
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用辩证的眼光看理论空燃比
在用微观的角度分析过燃烧过程之后 ， 我们再回过头来思考一下理论空燃比 ， 它真的有意义吗？
答案是：有 ， 也没有 。
有 ， 是因为在一定空间内 ， 若想完全燃烧一份汽油 ， 就必须消耗14.7份空气 ， 这是客观事实 。
没有 ， 是因为即使混合气过浓、过稀 ， 也能够有办法使其完全燃烧 。而这 ， 就是现代引擎提升热效率的关键！
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在引擎高负荷运行时（低转速区间全油门加速） ， 由于进气量较低 ， 如果按照14.7的空燃比喷入燃料 ， 则会导致动力不足 ， 转速无法快速提升 ， 而转速无法快速提升就又会让进气情况持续恶化 ， 进一步限制动力输出 ， 从而导致恶性循环 。为了打破这个循环 ， ECU会加大喷油量 ， 让气缸内布满过浓的可燃混合气 ， 让点火变得更加容易 ， 同时由于火焰传播比较慢 ， 因此需要更大的点火提前角 ， 使活塞在到达上止点之前火焰刚好传播到活塞顶部 。通常情况下 ， 这种工况的空燃比会控制在11-12之间 ， 以达到最大动力输出 。
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而在引擎低负荷运行时（松油门滑行、低怠速） ， 单次做工不需要很大的爆燃冲击力 ， 但是空气吸入又很充足 ， 这时 ， 可以在喷油时减少喷油量 ， 实现稀薄燃烧 。但是 ， 由于可燃混合气过稀 ， 导致其不容易被点燃 ， 而且稀薄混合气的火焰传播速度以及温度都太高 ， 因此过去一些主机厂都无法将这种技术实用化 。而大众集团在20年前就开始研究分层燃烧技术 ， 以实现稀薄燃烧引擎的量产化 ， 马自达则是用另外一种方法实现稀薄燃烧 ， 即利用湍流实现点火 。无论这两种技术孰优孰劣 ， 其最终的结果就是创造了燃油经济性更高的引擎 ， 不过在热效率方面 ， 湍流点火的均质燃烧始终具有优势 。
什么是热效率？
之所以没有将这部分内容放到开头是因为在搞清楚热效率之前 ， 需要先理解燃烧反应以及空燃比的概念 。
对于内燃机 ， 热效率指的是发动机中转变为机械功的热量与其自身所消耗的热量的比值 。也就是说 ， 由于内燃机结构上的原因 ， 在可燃物能级转换过程中所释放的热量 ， 并非全部转化为机械能 ， 这一差别是区分热效率高低的标准 。
简单来说 ， 就是1个单位的汽油所蕴含的化学能量转化为发动机动力的能力 。在现实中 ， 1个单位的混合气并不能完全将它的化学能完全释放出来 。由于燃料的不完全燃烧 ， 导致可燃物能级无法完全跃迁 ， 因此发动机热效率低 。为了改善燃烧工况 ， 就要向气缸内冲入过量的空气 ， 也就是让空燃比大于14.7 ， 达到20:1、25:1甚至是50:1 。
有小伙伴会问 ， 为什么完全燃烧需要过量空气 ， 车叔你不是开头说过空燃比只需要14.7:1时就能完全燃烧吗？
这就回到了一个话题的最后一段内容上来 ， 喷油时 ， 汽油是以分子团的形式雾化的 ， 而不是以单个分子的形式雾化的 ， 也就是说 ， 在靠近喷油孔混合气密集的区域 ， 局部空燃比远低于14.7:1 ， 因此导致这一部分的混合气无法完全燃烧 。
这也解释了为什么马自达的均质燃烧技术在热效率方面要领先分层燃烧 ， 因为均质燃烧中 ， 气缸内可燃混合气浓度相同 ， 有利于完全燃烧 。
车叔点评
热效率不仅影响了引擎的燃烧工况 ， 起到节约燃油 ， 优化排放的作用 ， 在动力上的影响也是巨大的 。下一期 ， 车叔将带各位小伙伴领略各家主机厂提升热效率的方法 ， 了解内燃机发展的主流方向 。?


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