汽油發動機熱效率達到 40% 是什麼概念?實現起來有多難? | 知乎問答精選

 

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汽油發動機熱效率達到 40% 是什麼概念?實現起來有多難?

2018年10月07日 知乎問答精選 暫無評論 閱讀 7 ℃ 次

【ASUKAYIKALI的回答(109票)】:

謝邀。

這裡如果特指新普銳斯的那台2ZR-FXE 引擎的話,我個人的評價就一句話:

在量產型發動機裡面,它做到了其他廠家幾乎無法做到的事。

其他各廠家玩兒命的祭出TSI、VVT、ECOTEC GEN等等等等就是為那提高那麼一點點熱效率,哪怕增加1%都是非常了不起的巨大進步,Toyota這下直接把漲停板拉到了幾近40%,有點獨孤求敗的意思了。

一般來說,熱效率是指發動機輸出的機械功與燃燒燃油產生的化學能量的比率。汽油機大概在20%~30%,柴油機略高一些,約30%~40%;其中:不完全燃燒和排氣損失佔了損耗的大頭,其次是冷卻損失、泵氣損失和機械損失(主要做功部分)等;

Toyota給出的官方數據來看,是把重心放在了提高廢氣再循環率(EGR)上,使得氣缸內的滾流比提高至了2.8左右(又是一項相當了不起的壯舉),既然滾流比改變了,進氣口肯定也不能閒著,於是進氣口的造型也變成了「不可能實現的形狀」,使得進氣後形成的渦流變為幾近垂直的方向,降低了吸氣壓力損失,從而實現了快速燃燒。

總而言之,這是一款在量產型發動機中里程碑一般的一款作品,我個人要為豐田的工程師鼓掌。

還有,誰說豐田只賣車沒技術儲備的......來來來,咱倆嘮嘮......

【卞老闆的回答(3票)】:

熱效率的含義是:對於特定熱能轉換裝置,其有效輸出的能量與輸入的能量之比,是無量綱指標,一般用百分比表示。常見的有發電裝置、鍋爐裝置、發動機裝置等,有以下三種定義方法:發電效率,裝置效率,循環效率。在鍋爐中,一般不將鼓風機、引風機、爐排運動等小號的能量計入輸入能量,而是單獨計算和衡量。

發動機中轉變為機械功的熱量與所消耗的熱量的比值。發動機的熱效率分為指示熱效以及有效熱效率兩種。指示熱效率是指發動機實際循環指示功與所消耗的燃料熱量的比值。有效熱效率是指實際循環的有效功與所消耗的熱量的比值,是衡量發動機經濟性能的重要指標。

40%已經超過一些柴油機的35%熱效率了,非常嚇人了

【黎雨的回答(73票)】:

首先需要普及一個常識,這邊的熱效率40%是特指「最大熱效率」,文中也是這麼寫的。

也就是說一台發動機的熱效率其實並不是一成不變的,它隨著工況改變而改變。

舉個極端點的例子,按照熱效率的定義,怠速下的熱效率是0。

所以說其實光看最大熱效率其實和只看最大扭矩最高功率一樣並不科學。

當然了,最大熱效率提高以後整體的熱效率基本上也是隨之提高的。

那些懷疑是吹牛的可以洗洗睡了,熱效率又不是和車飄不飄那樣每個人都可以扯兩句的玄學,它完全可以通過實驗計算出來,有不信的自己買一台發動機回去上台架轉一轉就行了嘛,扯一些有的沒的陰謀論幹嘛。

不過要問我熱效率40%是什麼概念,這倒還真說不上來。

首先業界汽油機的平均水準應該都已經遠超過老舊教材的20-30%了,雖然各家會有差距,但差距應該基本在個位數。

然後因為上手的第一個項目就是36%的6AR,第二個是38%的9NR,所以作為我個人來說並沒有和另幾位答主一樣覺得40%是什麼黑科技,這個數字其實只是通過無數次軟硬件設計和實驗驗證後取得的無數個0.0x%逐漸累積起來的必然結果罷了。然後因為上手的第一個項目就是36%的6AR,第二個是38%的9NR,所以作為我個人來說並沒有和另幾位答主一樣覺得40%是什麼黑科技,這個數字其實只是通過無數次軟硬件設計和實驗驗證後取得的無數個0.0x%逐漸累積起來的必然結果罷了。

況且實現高熱效率手段也並沒有什麼難以理解的高科技,無非是

1高壓縮比

2直噴

3大量EGR

4阿特金森(米勒)循環

這些東西的理論其實都是已經是被研究得差不多了的,難就難在怎麼把他們應用到量產發動機上。

有些時候為了提升0.05%的熱效率你需要做數月到半年的實驗來尋求最優解以保證它對其他性能沒有影響,而且經常會出現台架上的理論值放到整車上後完全達不到預期的情況,再加上豐田對耐久性和成本的偏執,總會出現因為耐久性打回重來因為成本問題最後取消某個系統的情況,以至於我看本社那邊的開發月報經常是三個月過去了熱效率反而比原來低了。

所以說達成高熱效率難不難?理論不難,應用難。

另外說句題外話,你們說40%是目前的極限?

然而下一代的2.0NA TNGA(非混動)開發目標已經超過40%,2020年豐田的目標是最大50%,JC-08循環平均40%(公開資料)。

當然了,誠如一些人所說,追求高熱效率也只不過是一條技術路線,就像有些廠商走小型化渦輪增壓的路線,有的廠商會放棄低油耗追求動力性能一樣,純粹是針對各地市場廠商的傾向和目標人群不同從而選擇的科技樹分支不同,都沒什麼可吹也沒什麼可黑的。

但是單就熱效率來說,豐田還是可以吊打大部分廠商的。不服不辯。

PS:有些人張嘴就來阿特金森低扭如何如何,看來有必要週末抽空寫篇專欄科普一下什麼是阿特金森以及阿特金森是如何實現提高熱效率降低油耗的。

【知乎用戶的回答(0票)】:

208g/kWh

用超過15的幾何壓縮比的阿特金森/米勒循環應該可以達到吧。要在駕駛性和經濟性之間權衡才是比較難的吧。

【天氣的回答(4票)】:

就是人類百米跑進8秒的感覺

【半江的回答(4票)】:

為了更好的回答,更認真的回答, 我特意翻了我的大學課本。雖然英文版的更加專業,可是實在太難,所以找了本中文版的第三版工程熱力學,認認真真回答問題。

關於卡諾循環,直接上結論:

1、卡諾循環是實際熱機選用循環時的最高理想。

也就是說,我管你啥循環,你的熱效率都不會超過卡諾循環。

2、實際熱機的工作循環並非嚴格按照卡諾循環。

也就是說,這個循環太理想了,而且存在許多問題,實際設備在使用這個循環上,存在很大困難。

那麼活塞式內燃機的理想循環是什麼?

概括來說有三種:定容加熱理想循環(奧托)、定壓加熱理想循環(狄塞爾)和混合加熱理想循環(薩巴德)。

為什麼有三種,那是因為活塞式內燃機分汽油機、煤氣機、柴油機。

在給定相同參數的情況下,進行比較,進氣狀態相同、循環最高壓力和最高溫度相同的情況下,狄塞爾循環熱效率最高。所以柴油車的熱效率比汽油車高。

題主的問題是:40%熱效率的汽油車是什麼概念,概念就是相當於把汽油機做成了柴油機,通常是提高壓縮比,但提到這麼高的效率我估計不止這點手段,可能用了些黑科技。具體怎麼實現人家也不會告訴我們。

結束,卡諾循環中的低溫熱源對於車來說確實就是大氣環境溫度,因為你的排氣管不是對著周圍環境排放的咩?

卡諾循環揭示了一個普遍規律:1、對於理想的各種可逆循環而言,熱效率只由熱源條件決定。

2、不可逆循環的熱效率小於可逆循環。

也就是說,不管你汽油機也好柴油機也好,斯特林發動機也好,你的熱效率都小於卡諾循環的熱效率。

提高熱效率的方法就是不停的使你的循環形狀向理想循環形狀靠攏。

以下是前答案:

謝邀,單純靠記憶回答你,如果有錯,屬於胡言亂語。

汽車發動機的理想循環,如果沒有記錯的話,應該是卡諾循環。

這個循環的熱效率很好算,就是1減去低溫與高溫之比。

所以要提高熱效率,從公式上看,是盡可能降低低溫和盡可能提高高溫。

低溫是冷卻室室溫,車的話可以認為是環境溫度,這個真沒辦法,所以冬天車會有力一點?

那麼就只有提高高溫了,汽油或者柴油燃燒也是有理論上最高溫度的,除非更換工質,所以一開始車的最好熱效率就已經算死了,除此之外,提高高溫還要考慮缸體的耐熱,每個循環還要冷卻不然低溫部分又被拉高了,所以總的來說40個點已經是極限,再往上除非有新的理論,同時材料上的更新。@劉堯

【李煊的回答(3票)】:

電廠的燃氣輪機能有47.5%,再算上一路的折損。這東西居然比我的eq效率更高。

【知乎用戶的回答(1票)】:

瀉藥,

內燃機不管是柴油還是汽油,都是靠點燃燃料爆炸來獲得動力。

熱效率可以簡單的理解為點燃一單位燃料能盤

【最終】輸出多少動力。

而發動機的熱效率往往是從飛輪都都端獲得,也就是常說的抽出馬力,不是實際到達輪子的輪上馬力。

汽油和空氣混合點燃爆炸產生多少爆炸力,其實固定的,汽油完全燃燒後才能產生最大爆炸力。

而汽油完全燃燒經過計算得出,完全燃燒1g汽油需要消耗14.7g,稱作最佳空燃比。

但是這個空燃比是個理論的數值,

發動機在工作中受到各種客觀條件的制約,而克服這些制約,讓發動機更接近理論方式高效運轉,就是所謂的

【提高熱效率】了,

一般來說2大制約:

1,燃料的燃燒效率:這裡面還分了2小點,

a)讓燃料充分和空氣混合並且充分點燃,如果一次沒點燃完全再進行廢氣再燃燒

b)點燃產生的爆炸力剛剛好推動活塞到底,不多餘也不浪費

2,發動機運轉部件的摩擦損失

而現在發動機的技術進步都在圍繞著這2點在展開。

【米狸亞的回答(3票)】:

全文:新普銳斯的發動機熱效率超過40%,豐田怎麼做到的?

寫的比較簡單,只從EGR和活塞說了說

1. 提高廢氣再循環率(EGR)

廢氣再循環是將發動機燃燒後的一部分廢氣,再導入吸氣側。豐田的冷卻再循環廢氣可以提高發動機的熱效率,降低氮氧化物排放,減小發動機爆震傾向。

豐田此次將這款發動機的 EGR 率從 21%提高到了 28%。銳斯 EGR 系統

為了提高發動機的 EGR 率上限,豐田的想法是提高燃燒速度。為了提高燃燒速度,就要讓氣缸內有理想的氣體流動。豐田把氣缸內的滾流比(活塞運動方向的渦流強度與軸向渦流強度之比)從之前的 0.8 提高到了現在的 2.8。

為了提高滾流比,豐田改變了過去進氣口的造型,這樣一來,進氣後形成的就是垂直方向的渦流,效果很理想。據豐田估算,在 2000rpm 轉速時的壓縮行程中,氣缸內部氣體的平均湍流速度從 2.5 米/秒,提高到了 3.4 米/秒。

這樣一來,即使是在上止點,氣缸內的氣體流動狀況也很好。

2. 改變活塞表面形狀

豐田把這款發動機活塞表面的淺坑直徑減小了,這樣活塞對缸內氣體的擾動效果就更加明顯。但是氣體過高的流動速度,會很難點火。為了解決這個問題,豐田的研究團隊又提高了火花塞的點火能量,從 35mJ 提高到了 100mJ。

事實上,豐田對新款普銳斯發動機的改動,應該不止以上兩點。

【tensorspace的回答(0票)】:

中國的火電熱效率最高記錄是上海某電廠,將將過50%。考慮到中國煤電占比和輸電損耗,開這車的對於一次能源的能耗比電動車還低,如果考慮到油和煤的碳氫比的話,兩者的碳排放就更沒法比了。所以中國大力支持新能源車(你看都不叫清潔能源了),也是醉翁之意不在酒。

【精美精日又精分的回答(1票)】:

40%是外星水平。真的。濰柴的發電用柴油機恆速都到不了40%

【楊明的回答(1票)】:

米勒循環能提高效率,而且很早就發明了,為什麼應用那麼少?

衡量發動機性能的指標有很多,比較單一指標是沒有意義的。張三拿出指標A,炫耀說,看,我的發動機多牛!李四也可以拿出B指標,很不屑地說,切,不過爾耳!

不照顧其它指標,單純追求單一指標的話,40%肯定還不是天花板。廠家拿亮點宣傳可以理解,我們跟著狂熱就沒有必要了。

【柴健翌的回答(0票)】:

40%是目前行業先進水平了

【知乎用戶的回答(0票)】:

謝邀。最近太忙沒時間弄知乎。挖個坑。有時間了回來填。

先簡單說幾句。前一陣子還給我妻子講現在汽油車發動機熱效率最高也就30%幾不能再高了,換句話說你跑空一箱油實際有2/3都沒卵用。而且這東西是有個物理極限的,不是你想推到100%就能上去的。好比說1-100km/h加速,以一般輪胎路面間的摩擦係數,這是有個最短時間的極限的,大學物理水平的計算。再大的動力只會打滑。想突破這個極限只能換條件,比如特殊的路面更好的輪胎。

今天看到這消息我下巴已經掉下來了。沒時間查相關信息,我個人覺得不排除放衛星的可能性(官方油耗大家都懂的),但熱效率極高應該是真的,只是40%太難以置信。如果沒放衛星,那這將是劃時代的突破。內燃機發明以來可排前五的改進。

【nzm8qs的回答(0票)】:

張工已經說得很明白了。

我就補充幾個通過公開渠道發佈過的節點:

1997年實現了量產車37%左右的熱效率。

2009年實現了量產車38%。

2013年實現了量產車38.5%。

2014年實現了非混動量產車38%和38.5%。

2011年(有可能更早)實現了試驗機42.4%和43.7%

【盤子的回答(0票)】:

  1. 對於汽車而言,一般來看,燃料燃燒產生的能量只有不到1/3被有效利用,至少有超過2/3的熱量被浪費掉了。減少浪費就能夠提升熱效率,進而節油節能省錢!百年汽車史也是苦逼工程師和發動機鬥爭的歷史,如果引擎熱效率不難提高的話,知乎也就不會出現這個問題了嘛。

  2. 熱力學第二定律說過,沒有動力消耗或其他變化,是不可能使熱從低溫熱源轉移到高溫熱源的,因此,設計出不消耗其他能量的可逆熱機是不可能的任務(永動機?)。

  3. 由此推導而出的卡諾定理(「所有工作於同溫熱源與同溫冷源之間的熱機,其效率都不能超過可逆機」 )有兩個最基本的結論:

  • 在相同的高溫熱源和相同的低溫熱源之間工作的一切可逆熱機,其效率都相等,與工作物質無關,與可逆循環的種類也無關。

  • 在相同的高溫熱源和相同的低溫熱源之間工作的一切不可逆熱機,其效率都小於可逆熱機的效率。
  • 以上內容三言兩語說不明白,具體可以參考卡諾定理_百度百科。儘管現實中不存在理想的熱機,但卡諾定理對於提高熱機的工作效率仍具有非常重要的理論意義:盡量提升冷熱源之間的溫度差,或者讓熱機工作循環盡量接近可逆機使得過程中的熱損失盡量小,都能夠提升熱機的效率,這正是傳統汽車內燃機努力的方向。

    2014年,美國加州一家名為GoTekEnergy的公司曾經宣稱製造出了熱效率高達53%的轉子發動機。但眾所周知,以馬自達為代表的轉子發動機高能耗(1.3L排量,油耗約14L/100KM)、二氧化碳排放量高。所以從性價比出發去考慮,傳統路子還得繼續走下去。

由於柴油引擎的高壓縮比,使得熱效率要明顯高於汽油引擎。參見

【圖文】豐田全新柴油發動機發佈 熱效率高達44%_新聞中心。而對於汽油引擎而言,散熱損失、機械損失、排氣損失,泵氣損失消耗掉了太多的正能量——其中,個人感覺傳動過程中的能量損失占比應該也是非常大的吧(懶得去找數據啦O(∩_∩)O哈哈~)。所以,你說提高熱效率到40%有多難?這四大攔路虎上百年了啊!

必須說明的是,四沖程內燃機的最大效率只會出現在某一個轉速區間內,所以,所謂的40%也並不是常常在我們日常用車的過程中出現的。

【SoichiroJin的回答(0票)】:

40%已經是卡諾循環的極限了吧。

牛掰啊Toyota!

標籤:-汽車發動機


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