汽车工程师降低油耗的秘诀是什么？深度科普文

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我们把这个问题看得宏观一点，汽车在日常稳态驾驶过程中是如何实现热力学第一定律的，即能量守恒定律。

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在汽车的行驶中，汽油是如何消失的呢？我做了一个图，大概表示了汽油的化学能是如何分解到各个领域的。

首先，发动机会浪费大多数汽油的化学能，如今最先进的汽油发动机，最高热效率大概也就40%-45%，柴油发动机50%。即使在最佳热效率的区间，汽油燃烧的能量，有一部分未参与燃烧直接排到大气中去；有一部分能量被冷却系统转换成热能；有一部分能量进入到排气系统，形成高温高压的废气；有一部分能量在进气过程中被活塞的抽拉抽拉损耗掉（泵气损失）；有一部分能量被零部件的摩擦生热，润滑系统的阻力等等损耗掉。剩下的会转化为旋转的机械能，传递到飞轮上。

好不容易传递到飞轮上的机械能，还要被离合器和变速箱进行一波消耗，一般都是机械损失，最终转化到热能上，然后经过传动轴或半轴到轮胎，轮胎和对面的相互摩擦，产生前进的驱动力。

这是发动机输出的驱动力最终被分解到四个阻力上，分别是：滚动阻力、加速阻力、坡度阻力、空气阻力，从而达到一个动态的平衡。

在绝大多数驾驶工况中，汽油的化学能最终变为行驶的机械能，效率只有15%~20%，绝大多数能量都被浪费了。

好了，那么我们如何提高汽油的使用效率呢？需要回到这张图。

发动机相关

先从发动机来考虑，毕竟发动机是能量损失的大头，提高发动机的热效率是非常关键的因素之一。这些年随着油耗法规的严苛，各路工程师用各种“歪门邪道”来改善热效率。热效率也在不断进步，比如下图的高效发动机天梯图，热效率指标也在不断进步。

如何提高热效率呢？这张图展示了提高发动机热效率的7个关键因子，分别是压缩比（compression ratio）、比热比（specific heat ratio）、燃烧速度（combustion speed）、点火时刻（combustion timing）、热损失（heat losser）、泵气损失（pumping losses）、机械阻力（mechanical friction）。

提高压缩比：现在大家的压缩比都在不断提高，2011年马自达创驰蓝天发动机压缩比率先达到14:1（中国13:1），如今丰田TNGA发动机13:1（混动14:1），比亚迪骁云混动发动机15.5:1。涡轮增压发动机因为有涡轮增压，物理压缩比做得不会太高，但是现在也出现了11:1等压缩比。

提高比热比：比起压缩比对于热效率的帮助，比热比的帮助是极大的。首先提出比热容概念，比热容就是把流体的温度升高1℃所需要的热量，但是对于气体，因为温度上升压力和体积都会发生变化，所以分为两种，一种为保持一定压力的定压比热Cp，一种为保持一定体积的定积比热Cv。这两种比热的比称为比热比，比热比k=Cp/Cv。

如下图，想要提高比热比，一方面要提高燃料对应的空气比例，另一方面要将燃烧温度下降，通俗来说，即扩大不燃烧但能够吸收热量的气体，也就是废气，更通俗的讲，就是稀薄燃烧概念。

不过现在受到排放法规的限制，对稀薄燃烧非常不友好，因此到目前为止真正意义上的稀薄燃烧发动机只有一个，绝大多数发动机还是均质燃烧。

提高燃烧速度：燃烧速度这个概念比较好理解。同样的化学能的东西，做成炸药瞬间爆炸威力很强，做成煤油灯威力很弱。因此需要尽可能发挥爆发力，提高燃烧速度。一般主要通过提高燃烧室内的滚流比来提高。这里具体手段有很多种，比如进气道改善、气门调整、活塞面调整等等，目的就是充分提高气体的旋转速度，乱流速度，燃烧的时候火焰传播的更加快。

点火时刻：点火时刻是配合燃烧模型的，一般是为了实现极限的Pmax（气缸压力or气缸平均压力），只有气缸的压力大了，根据基础的F=P*S，推动活塞的力就强了，做工就多了，化学能变为动能的比例就多了。这里会非常复杂，有各种各样的手段，还要防止爆震、低速早燃等问题，不详细展开了。

热损失：热损失很好理解。热胀冷缩，发动机燃烧就要有热量，气体热了以后就能膨胀，从而推动活塞，从热效率的角度，我们当然希望燃烧越剧烈越好，热量越高越好，但是理想和现实有差距。比如燃烧的时候燃烧温度大概3000多℃，但是发动机缸体承受不了如此高温，直接融化了，因此需要冷却系统进行冷却，而冷却就把一部分汽油化学能转变为热量了，浪费了很多能量。目前行业内为了抠除这部分的能量，在热管理上做了各种文章，比如控制不同工况的冷却温度和流量，比如初期把发动机废热利用起来加热等等。当然也在尽可能改善材料性能，提高发动机正常工作的温度。

还有一块是尾气排出的废热，这部分高温高压的气体浪费非常可惜。如今最多的利用方式就是废气再循环（EGR）和涡轮增压。废气再循环是通过将一部分废气再引入进气，作为惰性气体不参与燃烧，从而进一步提高点火角，提高比热比，提高热效率；

涡轮增压很好理解，就是利用废气的动能，进一步提高进气量，从而可以在较小的发动机排量下实现较高的性能。

泵气损失：减少泵气损失的手段最简单粗暴就是增加进排气门尺寸，越大越好，越多越好。上古时代进气门只有1个，排气门也只有1个，比如下图，现在已经看不到这种发动机了。

然后现在的发动机基本是2个进气门，2个排气门，进气门的做得比较的大，普遍比排气门大一些。行业内也在控制策略上降低泵气损失，比如什么overloap策略，内部EGR等等。

很多车企在进排气门玩出了花样，可变气门升程、可变气门正时、可变气门升程+正时等，其中有很多车企各自的叫法，比如本田的i-VTEC、丰田的VVT-i、日产的N-VCT、铃木的VVT、起亚的CVVT、宝马的Valvetronic、保时捷VarioCam Plus、通用DVVT、阿尔法罗密欧的Variator、马自达的S-VT、福特的VCT，五花八门，实现的技术方式都不一样，但是目的都是一样的，就是改变各种工况下的进气效果，提高性能和效率。

机械阻力：这一块比较好理解，除了传统发动机的曲柄连杆机构有机械阻力外，一切的发动机附件都有机械阻力，比如机械水泵、高压直喷系统的油泵、机油泵、发电机、空调压缩机，通过一根皮带传动。现在为了更好地应用电气化，奔驰，比亚迪等车企都取消了轮系，采用了电子水泵、电子压缩机、电机机油泵、独立发电机、iBooster等，通过电器化设计，降低了机械阻力，提高热效率，提高汽油的利用率。

传动相关

发动机的相关环节说完了，第二块就是提高传动效率了，影响传动效率的核心零件就是变速箱，效率越高理论上驱动力的发挥更直接，燃油的利用率越高。

不同变速箱在不同挡位的传动效率是不一样的，以前坊间调侃说宝马的轮上马力高，发动机功率标的是轮上马力，这个是民科了。但确实宝马的传动效率高，比如看下面这个图，宝马用的8HP45变速箱在所有挡位的传动效率都在97.5%以上，而同级别的8AT在低速挡位效率只有94%，因此宝马的马力达成率确实高，实际热效率更高。

此外传动系统也在不断优化，传动轴和半轴的转动惯量，齿轮的设计，悬架的刚度扰度等等。