2017广州车展已经过去一段时间了，但各式各样令人眼花缭乱的新车依然吸引着众多网友的关注，丰田全新凯美瑞更成为关注的重点。这款基于丰田TNGA架构打造的新车，除了更加运动的外形，高达41%热效率的发动机也成为了热议的对象。但相信不少网友对热效率这一名词还是一头雾水。为什么高热效率能让汽车跑得快还能更省油呢？且听编辑慢慢跟您聊。

　　热效率是什么?

　　发动机热效率是发动机曲轴上输出的有效功与得到该有效功消耗的燃料内能的比值。在发动机的气缸中，燃料燃烧的总能量，除了一部分转化为机械能，推动活塞运动，其他部分都以不同的方式散失到外界。

　　这些散失到外界的能量主要是因为排气损失、冷却损失、机械损失、泵气损失等而被损耗掉了。所以我们才会追求高热效率的发动机，避免燃油的浪费。

　　我们换个通俗的说法，虽然并不严谨，但有助于大家对发动机热效率的理解：假设发动机是一位勤劳肯干的工人。消耗的燃料就如同吃下去的饭菜，而在工人感到饥饿，无力工作前所砌完的墙就是输出的有效功。有些工人吃了两碗米饭，只砌完了半面墙，就饿得无力工作了。而有些工人吃了一碗米饭，就能砌完整整一面墙。前者就相当于低热效率的发动机，而后者就相当于高热效率发动机。

　　高热效率的发动机，能量转化效率更高。在相同油耗下，热效率高的发动机动力会更充沛。相同速度下，高热效率的发动机会有更低的油耗。

　　追求高热效率的脚步从未停止

　　回顾内燃机的历史，我们也能看到随着技术的进步，内燃机的热效率也在逐步提升。1860年，第一台内燃机诞生，其由法国人勒诺瓦尔研制，燃料是煤气。压缩比为1，热效率4.5%,最大功率仅为4.5kW。

　　奥托研制的第一台四冲程内燃机

　　而到了1876年，德国工程师奥托研制第一台四冲程内燃机，压缩比2.5，热效率14%； 1886年，热效率达到15.5%； 1894年，热效率达到20%； 在1960年到2000年，发动机的热效率发展陷入停滞，均没有超过30%。

　　近些年来，随着技术的进步，绝大部分厂商的主流发动机已经达到了30%以上的热效率，比如大众的EA211，热效率为37%；而奇瑞的E4T15B发动机，也有着37.1%的热效率。

　　41%热效率是如何达到的？

　　相信到这里您已经了解了热效率是何物，也知道了高热效率带来的好处。让我们回到凯美瑞上来。首先我们要知道的是，凯美瑞代号为A25系列的2.5L发动机热效率为40%，只有在电机系统的辅助下，其热效率才能达到41%的峰值。

　　不过到目前为止，发动机技术的发展已经接近了极限，即便是1%的热效率提高也是很难得的事情。所以在全新凯美瑞上，各种科技可谓是应有尽有。其发动机采用了阿特金森循环、进气道附近缸盖造型也改为略上翘以及优化气门夹角。目的其实很简单，就是帮助进气气流更好地在燃烧室内形成滚流，便于燃油以及空气的混合。

　　除此之外，这款发动机还采用了进、排气门双可变正时技术，无极可变机油泵，高压缩比，EGR,多孔燃油喷射，低摩擦链条，树脂涂层轴承，气缸盖集成排气歧管等等。来自爱信的8AT变速箱通过换挡逻辑的升级，与发动机匹配后也带来了更好的油耗水平。

　　此外，电动机在燃油机非经济转速时进行介入，使得汽油机总能工作在最佳的转速工况下。通过上述众多技术的应用，才使得凯美瑞2.5L混动系统达到了41%的热效率。

　　在众多黑科技的辅助下，2.5L凯美瑞车型的的工信部百公里平均油耗仅为6L/100km，而2.5L混动车型的油耗甚至低到4.1L/100km。这也是目前为止，民用量产车领域的最高热效率动力系统。

　　热效率的极限在哪？

　　继续推进内燃机技术的厂商们

　　显然，丰田41%热效率的发动机并没有吓坏一众汽车厂商，他们纷纷使出浑身解数，继续推动燃油热效率的增长。

　　英菲尼迪日前在2017巴黎车展上并正式发布了可变压缩比技术的发动机。这台发动机名为VC-Turbo。在发动机中，连接曲轴和活塞的部分不只是一根连杆，而是采用了多连杆。车辆在不同的行驶状态下，通过电脑对这部分多连杆进行控制，对活塞的压缩行程进行控制和改变，从而达到改变压缩比的目的，使发动机时刻保持在一个最佳压缩比的工作状态下。

　　目前英菲尼迪的全新QX50已经搭载了采用可变压缩比的发动机。虽然官方尚未公布具体热效率数值，但相信其也会有着不俗的表现。

　　马自达则计划采用均质压燃（HCCI）的方法，进一步提高热效率。其热效率可达50%。其油耗仅为3.3L/100km。其油耗降低30%，扭矩提升30%。

　　传统的内燃机有四个行程，分别为吸气、压缩、做工和排气。我们传统的汽油机是在压缩行程快结束时，通过火花塞对混合气进行点火。而柴油机是在压缩行程快结束时，用高压喷入燃油，雾化的柴油遇到压缩空气后自行燃烧。

　　三种不同点火形式的示意

　　马自达的均质压燃虽然工作原理接近于柴油机，但混合气是在整个气缸内近乎同时完成燃烧过程，其热效率可达50%。而油耗仅为3.3L/100km。相比第一代创驰蓝天技术，量产车的油耗将降低30%，扭矩提升30%。

　　不过均质压燃技术只能在中高转速下完成，低转速下还是要依靠火花塞完成点火。而为了维持压燃的可控和持续性，高达18:1的压缩比和复杂的气缸混合气控制也有着极高的技术难度。而马自达宣称HCCI技术很快将搭载于量产车上，其耐用性和维修保养成本仍是个等待验证的问题。

　　马自达将推出的RX-9有望采用均质压燃技术的发动机

　　韩国现代公司同样不甘示弱，推出了SmartSream。该计划是现代公司未来动力总成战略的名称，致力于整合各种高效技术。而现代则考虑对连续可变气门正时系统进行进一步改进。配合8-DCT全新的八速湿式双离合变速器，现代宣称，其SmartSream技术也可另发动机达到50%的热效率。

　　而现代也在国际汽车动力总成峰会的会议中展示了Smart Stream动力系统下的四台发动机和两台变速箱，并宣称会首先量产1.6升的汽油和柴油发动机。Smart Stream动力系统预计在2022年之前扩展到10台汽油发动机，6台柴油发动机和6台变速箱的阵容。

　　换种材料试试？

　　除了在传统发动机技术上钻研瓶颈外，更是有人提出了新的方案：现有的合金耐热、耐磨和耐腐蚀性不够高？那我们就把陶瓷作为发动机的主材料。陶瓷拥有高耐热性、高硬度和稳定性，使得发动机的活塞和缸体在更高的温度和压力下也能稳定工作。不过目前的陶瓷材料的造价较高，无法使用在量产车上。另外，陶瓷材料的韧性不够好，非常容易因为外力破裂。

　　目前陶瓷材料已经在飞机发动机上应用

　　不少技术公司已经对复合陶瓷材料进行着深入的研究，其中纳米复合陶瓷能使其基体材料的强度和韧性提高2-5倍，而且可以改善硬度，强度，及其抗疲劳破坏性能。一旦可以大规模量产该材料，那么陶瓷发动机的热效率达到70%也不成问题。

　　写在最后：受到环保政策收紧的影响，已经有越来越多的厂商放弃了对开发接近极限的内燃机的研究，转投入新能源领域。但我们仍然注意到，不少坚持在突破热效率研究第一线的技术人员，仍然发起了对热效率阈值的持续挑战。若干年前，曾有人断言，燃油机热效率不会超过40%。而如今，41%热效率的发动机已经持续量产。虽然热效率永远不可能达到100%，但我们仍然期待高热效率的发动机的持续诞生。