發動機的效率為什麼無法大幅度提升？提升發動機效率的難點在哪裡？

12-30

看到問題第一反應是：「胡鬧，你又把老師留的作業直接複製過來了吧？」正準備施放「學長的教誨」技能，仔細又讀了一遍題目，看到錯誤的標點符號，感覺老師留問題應該不會這麼問，才決定回答。

------------------

發動機效率的理論極限

在討論如何提升發動機效率之前，難道你對「發動機的效率是否有極限」這一問題感興趣嗎？

第一個回答這個問題的是一個叫尼古拉·萊昂納爾·薩迪·卡諾的人（Nicolas Léonard Sadi Carnot）。1824年，卡諾發表的一本書叫《關於火的動力》（Reflections on the Motive Power of Fire）。書中他提出了卡諾循環，創造了卡諾熱機，闡明了」一切實際熱機的效率都低於卡諾熱機的效率「這一觀點。

那時沒有知乎，卡諾的回答在其生前無人關注，也沒有人點贊，直到十多年後才被大V點贊。從此卡諾定律被無數看得懂和看不懂的人跟風點贊，進入了教科書，掛了無數修習大學物理和熱力學的學生。

當然最重要的還是，卡諾定律為熱機/製冷供暖的設計者和研究者們指明了提高效率的道路——使熱機/製冷的工作循環更接近近卡諾循環/逆卡諾循環。

它當然毫無意外地適用於今天的發動機，當然也適用於蒸汽機，汽輪機，噴氣式發動機，冰箱空調等，甚至可能也適用於現在大家很關注的燃料電池（Fuel cell efficiency redefined : Carnot limit reassessed）。

卡諾定律的公式很簡單：

熱機的最高效率只與兩個熱源的熱力學溫度有關。

熱機（heat engine）是指是能夠將熱源提供的一部分熱量Q轉化成為對外輸出的機械能W的機器。發動機屬於熱機的一種.

對於發動機而言，一般高溫熱源來自於燃料燃燒提供的熱量，低溫熱源就是大氣環境。

從卡諾定律我們很容易想到提高發動機效率的途徑了吧：

既然環境溫度 $T_{C}$ 我們無法改變，那我們提高高溫熱源的溫度 $T_{H}$ 。

理論上，制約 $T_{H}$ 提升的因素也是制約發動機效率提升的難點啦：比如材料的耐高溫性，加工工藝，燃燒的控制等等，這一展開就是材料學，機械製造設計，燃燒學，熱力學，化學反應動力學，流體力學blablablabla學方面的問題了。

給出一些數字，感興趣的同學可以去估算一下提升發動機效率是怎樣的一個難易程度：

卡諾定律裡面的溫度是熱力學溫度，單位是K，攝氏溫度加上273才是熱力學溫度；

發動機在壓縮和做功行程一般溫度範圍會在800-2500℃左右；

發動機排氣出口溫度一般在300-1000攝氏度左右；

$T_{H}$ 提升200度左右大約能提升多少效率。

實際發動機效率的提升

卡諾循環全由可逆過程組成。可逆過程是指系統的某些屬性能夠在無能量損失或耗散的情形下通過無窮小的變化實現反轉的熱力學過程。現實中的熱機都是以不可逆循環來工作，因此卡諾循環是一個理想的循環，只具備指導意義，不可能實現。

卡諾循環是永遠不可能達到，此外無論是汽油機的奧托循環也好，柴油機的狄塞爾循環也好，實際發動機運轉時也都不會嚴格按照這些理想的動力循環去運轉。因為發動機需要散熱冷卻，會有機械摩擦，需要吸入新鮮空氣，排出廢氣，這些都會消耗或者耗散掉一部能量。這些現實與理想的差別，也是阻礙發動機提升效率的因素。

從上圖可以看出，發動機熱量由以下幾部分構成：

發動機做功輸出
排氣中的熱量
冷卻水中的熱量
機械損失
泵氣損失
輻射及失火損失

最右下紅色部分是發動機的有效輸出，也就是說發動機的最高效率在30%多，大部分的熱量都被排氣、冷卻水帶走了，還有一部分為機械損失和泵氣損失，小部分熱量被熱輻射和失火損失。

自此我們也很容易得到提高發動機的效率的途徑——縮小理想與現實的差距，降低損失唄。如何降低這些損失也正是是提升發動機效率的難點。

如何降低這些損失，縮小理想與現實差距，的確也很不容易，下圖是某日系廠商在2010年前規劃的一些技術路線（說實話，很多技術名詞縮寫我也不能一下子認出來）。細心的朋友可能可以發現，搞了這麼多飛機也只能從20/100→ 20/70。這也側面說明，要想提高發動機效率，做出像樣的發動機，不是一朝一日所能完成的，需要有技術積累和沉澱。

當然還有一條途徑就是再回收——排氣中的能量不是佔比很大么，那麼回收起來用不就好啦？

比如像這樣的想法：

實際這樣的回收實現起來是非常困難的，具體原因及效果可以參考我之前的回答：

內燃機廢氣的能量可否回收用來做功？ - 無往的回答

分類在汽車發動機下面，所以就假設是問汽車發動機的問題好了

汽車有限的空間，對發動機尺寸和重量的要求，成本，還有發動機工況範圍是對各種可能提高效率的手段的限制。

比如提高燃氣溫度受到材料成本的限制，耐熱的材料多了，可是汽車用不起

在現有材料基礎上加強散熱也是一個方法，但是仍然受到成本的限制，有的廠用個充鈉氣門都會放在宣傳資料上吹一吹。

排氣能量的利用也是問題。排氣溫度和壓力都比較低了，想利用是有辦法的，問題是沒法塞進汽車裡。很可能比汽油機大、重很多，但是能產生的功率遠遠小於汽油機。

效率更高的熱機比如船用低速柴油機、大型蒸汽輪機、燃氣輪機和汽車是沒緣分的。

能源轉換是有限度的。

一定量的汽油轉化為熱能再轉化為動能，受這個汽油定量的限制，熱功當量是有限的，不可能無限提高。

百度一下卡諾循環或者看一下大學物理或者物理化學的熱學部分真的沒那麼費時間……

高票答案提到了熱力學終極瓶頸——卡諾循環。之所以叫「終極」，因為這是個對一切熱機而言的最理想、最高效的循環模型（現實中不可能達到）。同樣還有如下：

奧托循環（等體積加熱），效率為 $eta_{th} = 1-frac{1}{varepsilon^{kappa -1} }$ ;

迪塞爾循環（等壓強加熱），效率為 $eta_{th} =1-frac{1}{varepsilon^{kappa -1}} cdot frac{varphi^{kappa } }{kappa (varphi -1)}$ ;

混合循環/Seiliger Cycle，效率為 $eta_{th} =1-frac{1}{varepsilon^{kappa -1}} cdot frac{varphi ^{kappa } cdot psi -1 }{psi -1+psi cdot kappa cdot (varphi -1)}$ 。

上述為理想的循環模型，題主把問題放在「汽車」便簽下，那麼再從實際情況出發談一下汽車發動機的工作狀況。

一、即使是一台理想的奧托循環發動機，由於熱力學瓶頸，效率存在上限。

以奧托循環為例，假設壓縮比 $varepsilon$ 是10，isentropic exponent $kappa$ 是1,4，效率為0.6。40%的能量損失流向哪裡了？（見曲線圖）

膨脹做功結束時氣體無法達到最初狀態下的壓強：P-V曲線中面積I無效（4 $ightarrow$ 5，渦輪增壓是個回收利用這部分損失的方法）。
膨脹做功結束時氣體無法達到最初狀態下的溫度：T-S曲線中面積II無效（5 $ightarrow$ 6，理想的奧托循環絕條件下要回到初態溫度）。
不可逆過程（參見熱力學第二定律）。

二、理想模型不計實際情況下熱機工作的損耗。

燃燒過程中的不理想，汽缸壁絕熱不理想，氣門密封不理想，泵氣損失（這是一佔比很大的部分，也是大有文章可做的地方，比如阿特金森循環、米勒循環等）等等。（再次看如下P-V曲線）

熱從汽缸壁傳導散失，以及汽缸充氣過程中熱損失，a部分體現。
燃燒過程並非理想條件下的短時間恆體積地完成，b部分體現。
節氣門開度變化過程中的能量損失，c處體現，尖角處變圓，面積減小。
氣體交換過程中的能量損失，實際換氣過程中不是理想條件下的一條水平直線，體現為如上右圖中下方所示的逆時針曲線圍成的面積，為負功。

三、機械運動的能量消耗

比如活塞和汽缸壁之間的摩擦，以發動機的轉速看，這部分能耗不能忽略不計。

論述至此，再看效率這個概念，廣義上的效率是發動機做出的有用功和消耗的總能量的比值。燃油燃燒的化學反應釋放出儲存在化石中的億萬年來形成的化學能，在發動機的運轉工程中經過發動機部件結構的轉化，層層「盤剝」，最終體現在輪上的是我們需要的機械能。用公式和圖示描述如下：

$eta =frac{E_{useful} }{Q_{input} } =frac{P}{dot{m}_{fuel}cdot Q_{LHV} }$

$eta _{i} =frac{P_{i} }{dot{m}_{fuel} cdot Q_{LHV} } =eta _{th}cdot eta _{g}$

$eta _{e}=eta _{b} =frac{P_{b} }{dot{m}_{fuel} cdot Q_{LHV} }=eta _{e}cdot eta _{th} cdot eta _{g}$

$eta _{m}=frac{P_{b} }{P_{i}} =frac{P_{i}-P_{f} }{P_{i}}=1-frac{P_{f} }{P_{i}}$

$dot{m}_{fuel}cdot Q_{LHV} ightarrow P_{id} ightarrow P_{i} ightarrow P_{b}$

$eta_{th}$ $eta_{g}$ $eta_{m}$

(i - indicated, LHV - lower heating value of the fuel, e - effective, b - brake, m - mechanical, th - thermal, g - engine grade quality, f- friction, id - ideal)

上述文字簡要說明了實際中發動機的能量損失，或者叫無效的能量，決定並影響發動機的效率。下面的問題是怎麼提升效率？這個人類永恆的話題。

要想提升效率就要提升有用功的比重，減小無用功的損耗。熱力損失的這部分除了上帝以外誰也沒辦法，在實際操作層面最有文章可做的主要就是減小泵氣損失。新鮮空氣被吸入汽缸和廢氣被排出汽缸過程中活塞克服進氣系統和排氣系統阻力所做的功的和為泵氣損失。影響泵氣損失的有節氣門開度和進排氣重疊角。通過特殊結構的設計（比如曲軸處增加特殊的連接桿設計）和程序上的標定（比如可變氣門正時讓進氣門晚關，針對不同負載區域調節節氣門開度），可以實現改變壓縮比，降低泵氣損失，提高效率，是為阿特金森循環/米勒循環。

就說這麼多了，最後這一部分可以作為一個獨立話題繼續展開。

發動機技術發展這麼多年，太成熟了，能大幅提升效率的方法都被工程師幾乎用完了。

有基本法。

任何事物都有極限，若要大幅度提升就必須換種概念，比如機械錶走時的精準要大幅度提升就是石英和其他概念了

如果改用斯特林外燃機的話有可能大幅提高效率，這個看看卡諾循環就明白了，內燃機這方面基本沒太多潛力可挖。。。不過斯特林發動機的特性不適合作為汽車的直接動力，搭配電池，電機和變頻器做成增程電動車倒是有可能

燃燒效率，熱效率，機械效率，散熱等不可逆過程，疊加在一起。

發動機散熱，能夠用來做工嗎，做功也會把能量消耗掉的

切以為題主指的是內燃機。眾所周知，內燃機是以燃燒為輸出動力。那必然要受限於燃燒的

嘰哩哇啦搬公式原理的人太多，能精確到每個細節設計，每個零件效率的人太少，陸林和allen 的話還直接點，有點希望

至今亭留在發明當初的結構上，100多年一成不變的設計結構，和這科技日新月異發展的今天顯然不那麼的協調，該換種設計概念，包括應用材料。

在汽油機中

1.混合氣燃燒是通過火花塞點火然後逐漸擴散開來，這是會損耗能量

2.發動機最佳的工況是出於爆燃臨界點，就是有輕微爆燃，這個時候活塞要運動到上止點會損耗一定的能量

3.零件之間的不必要摩擦

如果用電呢？算上發電中的消耗，是不是綜合的效率還是可以高很多。總覺得燃燒是個不太靠譜的方式。

翻開大學物理下，看看卡諾熱機那一節

熱機效率理論值=1-Tc/Th

算下正常發動機的理論效率可以到多少

作業要自己寫啊

很明顯，由於要考慮壽命所以汽油機不可能使用壓縮比太高的汽缸，導致效率不高。

但是從綜合角度來說目前的設置已經很何意了。

要高效率的地方，比如柴油潛艇等一般都不像汽車這麼要考慮體積，發動機都是很大的，效率也高。

現在普遍應用的是利用廢氣進行渦輪增壓，使空氣比體積增大，這樣會增大功率，但通過實驗表明也會提升消耗單位燃料所產生的功量。

40%的效率，難點在於發動機本身不能過熱，必須冷卻來降溫，而損失了大量能量

第一，普通汽車出廠時廠家會限制發動機的輸出功率，一般只在90%左右

第二，改變發動機缸徑，連桿，曲軸就相當於增大排量，當然進排氣也要相應升級

第三，刷發動機ECU，優化內部程序

第四，渦輪增壓，現代發動機都是根據進氣量為基礎來控制噴油量的

可以大幅提升啊，只是又要提升又不讓他飛起來變成飛機有點難。

發動機的效率為什麼無法大幅度提升？ 提升發動機效率的難點在哪裡？

發動機的效率為什麼無法大幅度提升？提升發動機效率的難點在哪裡？