汽油內燃機發動機的最大扭矩、最大功率、最高效率三種工況之間有什麼樣的關係？

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我知道汽車發動機的最大功率、最大扭矩是不同的工況，而且這兩者之間的關係往往是最大扭矩工況比最大功率工況出現早（轉速上）。那麼最高效率與這兩者又是什麼樣的關係？是否最高效率工況就是最大扭矩工況？
還請回答時討論一下渦輪增壓與否的影響。如果能說一說柴油機就更好了。
謝謝！
————補充1————

我理解的最高效率即是指讓燃油產生儘可能多的功率。個人以為也就是說最大化燃油經濟性。我的理解是否正確？是否有其他的「最高效率」定義？還請賜教。
另外，是否現在的汽車換擋邏輯會考慮效率而非（單純）考慮最佳功率？

已填坑。

首先，題主在補充中說明了：

我理解的最高效率即是指讓燃油產生儘可能多的功率。

我個人認為，最能說明這個指標的參數應該是燃油消耗率。

以下為百度百科給的定義：

燃油消耗率是指發動機以一千瓦的功率工作一小時的燃油消耗量，也稱為汽車制動油耗率，常有BSFC(Brake Specific Fuel Consumption)代指；或者指每小時單位有效功消耗的燃油量，通常以每千瓦小時的耗油量表示。

燃油消耗率的單位為g/(kW·h)，從這個單位就可以看出這個參數反應的是在單位時間內，產生1kW的功，需要多少g的燃油，也就反應出燃油的使用效率。

然後，問題來了，這個參數跟發動機扭矩和轉速有什麼關係呢？這就要說起發動機的另一個重要特性----萬有特性。以下為周龍寶主編的《內燃機學》對萬有特性的解釋：

萬有特性一般是在意轉速n為橫坐標，平均有效壓力 $p_{me}$ （或轉矩 $T_{tq}$ ）為縱坐標的坐標平面內繪出一些重要特性參數的等值曲線族。其中最重要的就是燃油消耗率 $b_{e}$ 。

文字太枯燥，來看圖吧，下圖就分別是汽油機和柴油機的燃油消耗率萬有特性圖。

萬有特性圖為等高線圖，在三維上看是一個凹坑的形狀。我們以柴油機為例子，可以看出來，當發動機在1500轉每分鐘，轉矩為280N·m時，發動機擁有最小的燃油消耗率216.8g/(kW·h)（pdf電子書為老版本，手上的紙質書上有更明顯的標示，一個小圓圈），同樣在1500轉每分鐘的轉速下，當轉矩大於350N·m或者小於220N·m時，燃油消耗率就達到了225g/(kW·h)。也就是說，如果發動機在最小的燃油消耗率工況下工作，就可以擁有最高的燃油使用效率。

相比之下，汽油的最小燃油消耗率需要轉速在3000轉每分鐘左右，這也反映出柴油機更適合在低轉速下工作，汽油機更適合在相對較高的轉速下工作這一特性。

這個圖有什麼意義呢？我領導的原話是：「萬有特性圖是設計出來的」。

下面就要說到發動機與使用發動機的車輛的匹配問題了，我用兩個例子來簡單說明。

例如，一台柴油發動機要用在拖拉機上，拖拉機工作時需要比較大的扭矩，而不需要非常高的轉速，這時，發動機在設計和調教時就會讓最小的燃油消耗率的點出現在扭矩點。

如果，另一台柴油發動機要被用在小汽車上，小汽車更多是時間是以比較高的速度行駛，這時，如果將這台發動機設計得和拖拉機上的柴油機一樣低轉速油耗低就明顯不合適了，小汽車上的發動機的最小燃油消耗率的範圍，就很可能是在較高轉速低扭矩的地方。

將上面的例子類比到汽車上，就可以說，不同的汽車，廠家會根據其實際情況（阻力、工況、車輛自重、變速器）進行調校，最後的結果是一款汽車會在某一個速度時特別省油，之所以很多老司機開車省油，也就是他們用經驗找到了最低的燃油消耗率那個區間。

最後，回到題主的問題，最大扭矩、最大功率、最高效率的關係。已知功率=2π*扭矩*轉速，也就是說最大功率應該出現在最大轉速下能達到的最大扭矩時。根據萬有特性圖，我們可以看出，最高效率並不一定出現在最大扭矩或者最大功率時。當然也不是絕對，畢竟，最高效率的點是被設計出來的。

以上。

因為只做過自然吸氣的汽油機就暫時只回答自然吸氣部分，渦輪增壓和柴油機交給相關專業人士來答吧。

首先題主的最高效率我先自作主張定義為燃油效率了，這個參數一般可以通過BSFC（單位做工消耗的燃油量）來反映。手機答題沒法給圖，BSFC在各轉速下的分布可以參照Sleepy Lin最近在為什麼怠速轉速都在600-800的回答。

前言結束然後先說結論，一般情況下燃油效率在2000-3000rpm達到最優值，最大扭矩一般情況下在3000rpm以上。（渦輪增壓的外特性曲線與自然吸氣不同故有可能最佳燃油效率轉速和最大扭矩轉速在某一點重合）

那為什麼這兩個參數的轉速會不同呢？

個人理解還是標定目的不同，2000±500rpm是城市最常用工況，主要考慮油耗和排放，扭矩雖然也要儘可能提高（說到底相同工況下扭矩越大一般油耗就越小），但優先順序要排在油耗和排放之後，所以空燃比就不一定會設定在最大功率空燃比上（最大功率空燃比在12.8附近，到16附近為止是越大越省油）。

然後說到最大扭矩點，自然就是死命榨性能了，只要別弄得太過分基本上是扭矩怎麼高怎麼來，空燃比自然也就要往最大功率空燃比設了。

ps：因為最大扭矩是在wot（節氣門全開）下的參數故上文所有情況均為wot，如果還要算上節氣門開度的話基本只有老實跑一遍各工況才能給答案了。

以上。

討論這個要看工況圖，不是每一架引擎的設計都是一樣的，所以必須具體問題具體分析。

飛度基本在5000轉扭矩最大，最大功率點都在6000轉

如果假設引擎每一轉消耗的油量一樣（其實不太一樣），那麼基本可以說：功率/轉速=效率

飛度這種功率曲線線形那麼好的，基本上6000轉以下相差都不大。當然，實測會有一個曲線的最優化點（斜率最小），1.5升曲線看起來比較可能是3000轉那個位置。扭矩和功率並沒有必然的關聯關係，不能簡單的認為最高效率工況就是最大扭矩工況

看1.4 T-jet的這組渦輪發動機，工況就很不一樣了。大扭矩出現早，120HP在2000-3000轉，150HP在3000-3500。但是功率就差不多是一個山峰靠後的山形曲線。這枚渦輪發動機是照顧普通用戶的調校，3000轉方便你超車哈哈哈哈。

看了渦輪發動機就知道，扭矩怎麼表現取決於發動機的設計和調校，和燃油經濟性並無直接關係。

最後一句，如果是買車不做研究的話還是看實際效果吧，因為你用車的時候不會刻意去照顧車，而是讓車來適應你開車的情況，並且在這些情況下做到綜合效率最佳。

負荷率應該就是題主說的「最高效率」吧。通俗來說，就是發動機發出的最大功實際使用的比率。負荷率越大，經濟性越好

題主希望能說一說柴油機就更好了，在此我以常見的渦輪增壓柴油機來回答。

首先貼兩張圖，以圖展開，理解概念。（電控單體泵，渦輪增壓）

圖1 外特性扭矩、功率隨轉速變化曲線圖

圖2 外特性油耗率、有效熱效率隨轉速變化曲線圖

最大扭矩：從圖1可以看出，最大扭矩在1800r/min時，哪能不能在1700r/min或者2000r/min時出現。

先看兩個公式，了解扭矩的來源

$p=frac{g*Hasteta}{V}$ ① $P=frac{Tastalpha}{9550}$ ②

$P=frac{W}{t}=frac{pV}{frac{1}{frac{α}{2*60}}}$ ③ $T=frac{P*9550}{α}=80*pV$ ④

其中：平均有效壓力p 循環供油量g 柴油熱值H 燃燒熱效率η 氣缸工作容積V 功率P 扭矩T 轉速α 循環功W 工作循環時間 t

平均有效壓力是一個假想的、平均不變的壓力作用在活塞頂上，推動活塞移動做功。是一個工作循環中單位氣缸工作容積所做的功，計算見①式，由②③式可得出④式，由此可見扭矩和平均有效壓力、氣缸工作容積有關係，更進一步來講，循環供油量、燃燒熱效率、氣缸工作容積直接影響輸出扭矩的大小。

最大功率：從圖1可以看出，最大功率為260kW，在2500r/min時出現，那麼功率能不能再大點或者小點，額定轉速能不能在2600r/min？

從上面的公式①③可以看出，循環供油量、燃燒熱效率、氣缸工作容積、發動機轉速（功率就是做功的快慢，這個概念熟悉吧）直接影響這功率輸出。

最高效率：（補充：有效熱效率=機械效率*燃燒熱效率），有效熱效率，實際循環的有效功與為得到此有效功所消耗的熱量的比值。發動機台架試驗時，會測試出燃油消耗量，進而計算出燃油消耗率，即熱效率。

見圖2所示，比如某工況點燃油消耗率 210 g/kWh，仔細觀察這個單位會發現這就是熱效率，將單位的分子分母調換 kWh/g ，分子乘以3600秒（結果為有效輸出功），分母乘以燃油熱值（燃油放出的總熱量），即燃燒熱效率。

總結

1、回到開始提出的問題，最大扭矩可以出現在別的轉速嗎，答案是可以的。因為氣缸工作容積在初始設計時已經定型，所以改變循環供油量，比如在1700r/min時增加循環供油量，減小1800r/min時的循環供油量，最大扭矩就可以轉移。至於為什麼把最大扭矩標定在1800r/min，這是跟整車標定和變速箱有關係的，在此不敘述。但在這裡有一個重要概念，扭矩儲備係數，它是最大扭矩和最大功率點的扭矩的比值，直接影響著內燃機動力性對外界阻力變化的適應能力。最大扭矩和最高效率沒有直接的關係，從上圖可以看出最大扭矩點的效率是比較高的，因為在中等轉速時，進氣充量大，空燃比大，中等轉速有充分的時間來燃燒，所以熱效率相比最大功率點高。

2、最大功率點也可以設定在別的轉速，（最大功率點標定的哪個轉速下，考慮的因素很多，設計功率目標，變速箱整車的匹配，燃油消耗率的指標，最高燃燒壓力的限制，排氣溫度的限制，內燃機振動，曲軸的扭轉振動等等）。而最大功率跟最高效率也沒有直接的關係，只是在高轉速時燃燒惡化，機械效率下降，所以熱效率低。內燃機的開發工作者，通過進氣壓力的控制，噴油提前角的控制，在滿足目標功率的前提下，在機械負荷（缸內最大燃燒壓力）限制下，熱負荷（排氣溫度）限制下，在排放限制下，盡量提高熱效率。

3、內燃機的最高熱效率，一般會出現的在中等轉速，中等負荷下。我的圖示為外特性曲線（油門全開）在這個曲線上會發現最高效率點在1300r/min-1500r/min時。燃燒熱效率是數百年來，國內外內燃機工作者一心努力奮鬥在提高的東西，影響熱效率的因素太多，不敘述了。熱效率在外特性上為什麼出現在中等轉速。

柴油機的燃燒熱效率主要取決於換氣和燃燒，轉速很低時由於配氣相位不匹配導致進氣充量係數下降，高轉速時由於流動阻力增加使充量係數降低，而在中等轉速時充量係數較高；低轉速時混合氣形成不理想影響燃燒過程並且傳熱損失大，高轉速時燃燒及時性差使效率下降，而中等轉速時燃燒進展好。所以在外特性上最高效率一般出現在中等轉速時。

因為我在此只列出的外特性曲線，在內燃機左右運行工況下，一般最高效率會在中等轉速的中等負荷時出現，前面有回答者的萬有特性曲線圖，會發現油耗率最低點就在中等轉速中等負荷出現。

總之，電控發動機，最大扭矩，最大功率，完全可以認為的去設計。