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今天我們來說說發動機熱效率的問題。我們在日常聊天說到汽車時，經常會說某某車型發動機技術先進，熱效率高達多少多少，某國產發動機熱效率比合資發動機熱效率還高，等等。那麼大家口中的發動機熱效率究竟指什麼呢？這個熱效率為什麼做不到百分之百呢？熱效率是恆定不變的嗎？熱效率越高，汽車就越省油嗎？還有現在大行其道的增壓發動機，它的熱效率與自然吸氣發動機相比，誰更高呢？為什麼柴油機熱效率更高？等等。下面我們就來說說這些問題。
所謂的發動機熱效率，又稱“發動機有效效率”，是指發動機有效功率的熱當量與單位時間所消耗燃料的含熱量的比值，用以評定發動機作為熱機的經濟性。用大白話簡單地說，就是燃油燃燒後產生的能量有多少變成了汽車的驅動力。熱效率是一個熱力學名詞，通常用百分比來表示。它的計算方法也很簡單，就是用實際利用的熱值除以燃料所含有的熱值。比如說，一升汽油完全燃燒後會釋放出33580KJ的熱量，這些熱量有10000KJ轉化成了發動機對外輸出的功，那麼這款發動機此時的熱效率就是
10000÷33580×100%=29.8%
當然，我們在日常用車時是不可能這麼去計算的，也沒有必要這樣做。發動機設計定型後，熱效率基本就固定了。汽油機最高熱效率一般在30%~40%之間，柴油機最高熱效率略高一些，在35%~45%之間。那麼剩餘的50~60%的能量哪兒去了？很遺憾，它們被白白浪費掉了。發動機在運轉時會產生機械阻力損耗、泵損耗、排氣損耗、冷卻損耗、未燃損耗，等等，它們會消耗大量 的能量，甚至比可利用的能量還高。這些損耗佔燃料熱能的比例可大致參考下圖。
有人說這麼多的能量都浪費了，太可惜了，為什麼不能把這些能量都利用起來呢？發動機的熱效率為什麼不能做到百分之百呢？
大家知道，發動機是一個把熱能轉化為機械能的機器，首先根據熱力學定律，熱能是不可能百分之百轉化為其它型式的能量；其次所有的機械，摩擦都是不可避免的，摩擦阻力不可能消除；還有就是汽車發動機必須維持一定的溫度和體積，不可能無限制地放大或者縮小，也不可能讓溫度無限地升高或者降低，所以冷卻損失也不可避免。再加上一些其它的因素，比如燃料不可能完全燃燒、泵氣損耗等，發動機的熱效率是絕對不可能做到百分之百的。
事實上，現在發動機的最高熱效率能做到40%以上，就已經很了不起了。一百多年前發動機剛誕生時，最高熱效率還不到20%。經過這麼多年一代又一代汽車工程師孜孜不倦地努力，終於將汽車發動機的最高熱效率提高到了40%以上，這是相當了不起的成就了。現在的汽車發動機熱效率已經接近於極限了，每提高一個百分比，都是巨大的技術進步。
那麼提升發動機的熱效率的方法有哪些呢？對於汽油機來說，最直接的手段就是提高發動機壓縮比，這也是現在汽車發動機壓縮比越來越高的原因之一；其它的方法還有降低機械摩擦阻力，採用低摩擦的活塞，低彈力的活塞環，效能更佳的潤滑油等；最佳化燃油供給系統，採用更高壓力的缸內直噴等；最佳化配氣機構進排氣道設計，採用可變氣門正時與升程技術；最佳化燃燒室設計，讓燃料燃燒更完全；最佳化氣缸設計，有合適的缸徑行程比；採用阿特金森迴圈，等等。
對於柴油機來說，除了可以採用上述的技術之外，還可以採用增加噴油速率、多次噴射、進氣高增壓等技術。
事實上，熱效率較高的發動機，採用的都是綜合性的技術，每個方面都最佳化一點，就可以把熱效率提升了。現在市面上熱效率較高的發動機有豐田的Dynamic Force系列2.5L發動機，最高熱效率為40~41%；本田L15B型1.5T渦輪增壓發動機，最高熱效率為38%；大眾EA211 1.5L TSI Evo渦輪增壓發動機，最高熱效率為37.5%；日產2.0T VC Turbo 可變壓縮比發動機，最高熱效率為38%～39%。而馬自達的SKYACTIV-X發動機，採用超高壓縮比和壓燃技術，最高熱效率號稱能達到50%。比亞迪全新推出的驍雲-插混專用1.5L高效發動機，最高熱效率能達到43%，這麼高的熱效率是以一種非常極端的方式達到的，它取消了所有的輪系，所有的附屬件都是用電來驅動的，不再消耗發動機的動力，機械損耗大大降低，所以熱效率就提升了。
很多人在發動機熱效率上有一個認知誤區，認為發動機熱效率是恆定不變的，比如某款發動機熱效率是40%，就認為這款發動機在任何工況下，熱效率都是40%，這也是某些人吹噓某國產發動機高熱效率的一個理由。
其實，發動機的熱效率是隨著工況變化而變化的。在絕大多數工況下，發動機的熱效率都是非常低的。比如最常見的市區擁堵路況下，發動機的熱效率只有百分之二十幾；在高速公路上行駛時，熱效率可以達到30%左右；熱效率最高的工況，是“大負荷、低轉速”，比如汽車在爬陡坡時，發動機節氣門全開，進氣阻力最小，而此時的發動機轉速並不高，機械摩擦阻力較小，此時的熱效率反而是比較高的。關於這一點，大家可以檢視發動機的萬有特性曲線，上面燃油消耗率最低的區域，基本就可以看做是熱效率最高的區域。有些發動機可以在較寬的區間內保持較高的熱效率，而有些發動機熱效率最高的區域很窄，這一方面是調教的因素，也與發動機技術與製造水平有關。
那麼發動機熱效率高，汽車是否就一定省油呢？其實並不一定。熱效率較高的發動機，技術水平一般都是比較先進的，發動機本身的經濟性也比較好。但是發動機的經濟性不等於汽車的經濟性，汽車的油耗並不僅僅是由發動機決定的，還有變速箱、底盤、車重等很多因素。所以並不是說所有搭載熱效率高發動機的車型都省油。
為什麼柴油機的熱效率會比汽油機高呢？一方面，柴油機的壓縮比更高，燃料被壓縮得越厲害，瞬間釋放的能量就越多；另一方面，柴油機都是稀薄燃燒，空氣量要遠遠大於燃油量，燃油基本都能完全燃燒；此外還有柴油機活塞行程更大，燃油燃燒後的能量能充分釋放，柴油的熱值也更高。這些因素綜合在一起，柴油機的熱效率就提升了不少，比汽油機要高一些。比如我們常見的載貨卡車，搭載的都是柴油機，油耗動輒百公里幾十個，但是它的經濟性比我們普通的家用車要好得多。如果把普通家用車換算成載貨卡車的話，油耗會超過百公里一百升，這也是卡車都使用柴油機的重要原因。
現在還有一種現象，就是很多家用車都採用小排量渦輪增壓發動機，那麼這樣的發動機與自然吸氣發動機相比，哪一個熱效率更高呢？
我告訴你，是自然吸氣發動機熱效率更高。渦輪增壓發動機由於增加了渦輪增壓器，導致進排氣消耗能量大大增加，小排量多氣缸設計，也增加了機械摩擦，最終會導致熱效率下降。事實上，小排量渦輪增壓發動機，是一個技術向政策妥協的產物，嚴格來說，在技術上是退步的。不信大家看熱效率較高的發動機，幾乎都是自然吸氣的，小排量渦輪增壓發動機的熱效率並不高，並且經濟轉速區間窄，如果沒有好的變速箱配合，經濟性是很差的。
還有一個現象，就是有很多車企開發三缸發動機，這讓很多人難以接受。他們都很疑惑，縮小排量我們可以理解，為什麼還要減少氣缸數量呢？小排量就不能做成多缸發動機嗎？
這也涉及到了發動機熱效率的問題。在同等排量、同等技術水平下，發動機氣缸數越少，熱效率越高。比如豐田，之前設計了一個1.2T四缸渦輪增壓發動機，搭載在卡羅拉上，使用效果並不好；現在重新設計了一個1.5三缸自然吸氣發動機，採用了阿特金森迴圈，高壓縮比，這款發動機的經濟性就要比1.2T的好得多。
