发动机效率

热力发动机的发动机效率是燃料中包含的总能量与用于执行有用功的能量之间的关系。热机有两种分类——

• 内燃机（汽油、柴油和燃气轮机-布雷顿循环发动机）和
• 外燃发动机（蒸汽活塞、蒸汽涡轮和斯特林循环发动机）。

这些发动机中的每一个都具有独特的热效率特性。发动机效率、变速箱设计和轮胎设计都有助于提高车辆的燃油效率。

发动机的效率定义为完成的有用功与提供的热量之比。请注意，术语所做的功与离合器或驱动轴上传递的功率有关。这意味着从热力学膨胀所做的功中减去摩擦和其他损失。因此，不向外部环境传递任何工作的发动机效率为零。

内燃机的效率取决于几个因素，其中最重要的是膨胀比。对于任何热机，可以从中提取的功与膨胀阶段的起始压力和结束压力之间的差值成正比。因此，增加启动压力是增加提取功的有效方法（降低结束压力，就像蒸汽涡轮机通过排气进入真空一样，同样有效）。典型汽油（汽油）的膨胀比（纯粹从机械部件的几何形状计算）为10:1（优质燃料）或9:1（普通燃料），某些发动机的膨胀比达到12:1或更高.膨胀比越大，发动机效率越高，原则上，更高的压缩/膨胀比传统发动机原则上需要具有更高辛烷值的汽油，尽管这种简单的分析由于实际压缩比和几何压缩比之间的差异而变得复杂。高辛烷值抑制燃料在高压缩/高热条件下几乎瞬间燃烧（称为爆震或爆震）的趋势。然而，在使用压缩而不是火花点火的发动机中，通过非常高的压缩比(14–25:1)，例如柴油发动机或Bourke发动机，不需要高辛烷值燃料。事实上，通常按十六烷值评定的低辛烷值燃料在这些应用中更可取，因为它们在压缩下更容易点燃。在部分节气门条件下（即当节气门未完全打开时），有效压缩比低于发动机以全节气门运行时，这是因为进入的燃料-空气混合物受到限制且无法填充的简单事实腔室达到完全大气压。发动机效率低于发动机全速运转时的效率。该问题的一种解决方案是将多缸发动机中的负载从一些气缸（通过停用它们）转移到其余气缸，以便它们可以在更高的单独负载下运行并且具有相应更高的有效压缩比。这种技术被称为可变位移。大多数汽油（汽油、奥托循环）和柴油（柴油循环）发动机的膨胀比等于压缩比。一些使用阿特金森循环或米勒循环的发动机通过膨胀比大于压缩比来提高效率。柴油发动机的压缩/膨胀比在14:1到25:1之间。在这种情况下，由于压缩比超过20:1的柴油机是间接喷射柴油机（与直接喷射相反），因此较高压缩比提高效率的一般规则不适用。这些使用前室来实现汽车/轿车和轻型卡车所需的高转速操作。来自前室的热和气体动态损失导致直接喷射柴油（尽管它们的压缩/膨胀比较低）更有效。

发动机有许多会产生摩擦的运动部件。其中一些摩擦力保持不变（只要施加的负载不变）；其中一些摩擦损失会随着发动机转速的增加而增加，例如活塞侧向力和连接轴承力（由于来自摆动活塞的惯性力增加）。一些摩擦力在更高的速度下减小，例如用于操作入口和出口阀的凸轮凸角上的摩擦力（高速时阀的惯性倾向于将凸轮从动件拉离凸轮凸角）。除了摩擦力外，运转中的发动机还具有泵送损失，这是将空气移入和移出气缸所需的功。这种泵送损失在低速时最小，但大约随着速度的平方增加，

空气中大约有21%的氧气。如果没有足够的氧气进行适当的燃烧，燃料将不会完全燃烧并且会产生更少的能量。燃料与空气的比例过高会增加发动机中未燃烧的碳氢化合物污染物。如果由于燃料过多而消耗了所有氧气，则发动机的功率会降低。由于燃烧温度会随着燃料空气混合物的稀薄而增加，因此未燃烧的碳氢化合物污染物必须与较高水平的污染物（例如在较高燃烧温度下产生的氮氧化物(NOx)）相平衡。这有时可以通过在燃烧室上游引入燃料以通过蒸发冷却来冷却进入的空气来缓解。这可以增加进入气缸的总充气量（因为较冷的空气会更密集），从而产生更多的动力，但碳氢化合物污染物的含量更高，氮氧化物污染物的含量更低。使用直接喷射，这种效果没有那么显着，但它可以冷却燃烧室，足以减少某些污染物，例如氮氧化物(NOx)，同时提高其他污染物，例如部分分解的碳氢化合物。空气-燃料混合物被吸入发动机，因为活塞的向下运动会产生部分真空。压缩机还可用于将更大的充气（强制感应）强制进入气缸以产生更多动力。压缩机要么是机械驱动的增压器，要么是排气驱动的涡轮增压器。无论哪种方式，强制进气都会增加气缸入口外部的气压。还有其他方法可以增加发动机内可用的氧气量；其中之一是向混合物中注入一氧化二氮(N2O)，有些发动机使用硝基甲烷，这是一种提供燃烧所需氧气的燃料。因此，混合物可能是1份燃料和3份空气；因此，可以在发动机内部燃烧更多的燃料，并获得更高的功率输出。

怠速时的往复式发动机热效率低，因为从发动机中抽出的xxx可用功来自发电机。在低速时，汽油发动机在小节气门开度处因高湍流和摩擦（头部）损失而遭受效率损失，当进入的空气必须在几乎关闭的节气门周围流动时（泵损失）；柴油发动机不会遭受这种损失，因为进入的空气没有受到节流，但由于使用全部充气来压缩空气以产生少量动力输出而遭受压缩损失。在高速下，两种类型的发动机的效率都会因泵送和机械摩擦损失以及必须发生的燃烧时间较短而降低。高速也会导致更大的阻力。

现代汽油发动机的xxx热效率超过50%，但用于为汽车提供动力的道路合法汽车只有20%至35%左右。换句话说，即使发动机在其xxx热效率点运行，消耗的汽油所释放的总热能中，也有大约65-80%的总功率作为热量散发而没有转化为有用功，即转动曲轴。大约一半的热量被废气带走，一半通过气缸壁或气缸盖进入发动机冷却系统，并通过冷却系统散热器传递到大气中。产生的一些功也会因摩擦、噪音、空气湍流以及用于转动发动机设备和电器（如水泵、油泵和发电机）的功而损失，汽油发动机燃烧汽油和空气的混合物，由大约12到18份（按重量计算）的空气和一份（按重量计算的）燃料组成。空气/燃料比为14.7:1的混合物是化学计量的，也就是说，当燃烧时，xxx的燃料和氧气被消耗掉。燃料略少的混合物，称为稀薄燃烧，效率更高。燃烧是利用空气中的氧气与燃料结合的反应，燃料是几种碳氢化合物的混合物，产生水蒸气、二氧化碳，有时还产生一氧化碳和部分燃烧的碳氢化合物。此外，在高温下，氧倾向于与氮结合，形成氮的氧化物（通常称为NOx，因为化合物中氧原子的数量可以变化，因此X下标）。这种混合物，在2008年到2015年，GDI（汽油直喷）将配备这种加油系统的发动机的效率提高了35%。目前，到2020年，该技术可用于各种车辆。

使用柴油循环的发动机通常效率更高，尽管柴油循环本身在相同压缩比下效率较低。由于柴油发动机使用更高的压缩比（压缩热用于点燃缓慢燃烧的柴油燃料），因此更高的压缩比足以补偿发动机内的空气泵送损失。现代涡轮柴油发动机使用电子控制的共轨燃油喷射来提高效率。借助几何可变涡轮增压系统（尽管需要更多维护），这也增加了发动机在低发动机转速（1200–1800RPM）下的扭矩。MANS80ME-C7等低速柴油发动机的整体能量转换效率达到了54.4%，这是所有单循环内燃或外燃发动机中燃料转化为动力的最高效率。大型柴油卡车、公共汽车和新型柴油汽车的发动机可实现45%左右的峰值效率。

燃气轮机在xxx功率输出时效率最高，就像往复式发动机在xxx负载时效率最高一样。不同之处在于，在较低的转速下，压缩空气的压力会下降，因此热效率和燃油效率会急剧下降。效率随着功率输出的降低而稳步下降，并且在低功率范围内非常差。通用汽车公司曾经制造了一辆由燃气轮机驱动的公共汽车，但由于1970年代原油价格的上涨，这一概念被放弃了。罗孚、克莱斯勒和丰田也制造了涡轮动力汽车的原型，克莱斯勒制造了一个简短的原型系列，用于实际评估。驾驶舒适性很好，但由于上述原因，整体经济性欠佳。这也是为什么燃气轮机可用于xxx和高峰电力发电厂的原因。在此应用中，它们仅在高效或不需要时关闭的情况下以或接近全功率运行。燃气轮机在功率密度方面确实具有优势——燃气轮机被用作重型装甲车辆和装甲坦克的发动机，以及喷气式战斗机的发电机。对燃气轮机效率产生负面影响的另一个因素是环境空气温度。随着温度的升高，进气变得不那么稠密，因此燃气轮机的功率损失与环境空气温度的升高成正比。最新一代燃气涡轮发动机在简单循环中的效率达到了46%，在联合循环中使用时达到了61%。

另见：蒸汽机#Efficiency另见：蒸汽动力时间表

蒸汽机和涡轮机在朗肯循环上运行，实际发动机的xxx卡诺效率为63%，蒸汽轮机发电厂的效率可达到40%左右。蒸汽机的效率主要与蒸汽温度和压力以及级数或膨胀数有关。随着工作原理的发现，蒸汽机的效率得到了提高，这导致了热力学科学的发展。见图：蒸汽机效率在最早的蒸汽机中，锅炉被认为是发动机的一部分。今天，它们被认为是分开的，因此有必要知道所声明的效率是整体的，包括锅炉，还是仅仅发动机。由于以下几个原因，很难比较早期蒸汽机的效率和功率：1)蒲式耳煤没有标准重量，可能在82到96磅（37到44公斤）之间。2）煤没有标准的热值，可能没有办法测量热值。这些煤的热值比今天的蒸汽煤高得多，有时会提到13,500BTU/磅（31兆焦耳/千克）。3)效率被报告为责任，这意味着产生了多少英尺磅（或牛顿米）的工作提升水，但机械泵送效率未知。由ThomasNewcomen于1710年左右开发的xxx台活塞式蒸汽机的效率略高于0.5%（0.5%）。它通过负载将接近大气压的蒸汽吸入气缸中运行，然后通过向充满蒸汽的气缸中喷射冷水进行冷凝，从而在气缸中产生部分真空和大气压力以驱动活塞下降。使用汽缸作为冷凝蒸汽的容器也冷却了汽缸，因此下一个循环中进入的蒸汽中的一些热量在加热汽缸时损失了，降低了热效率。JohnSmeaton对Newcomen发动机所做的改进将效率提高到1%以上。詹姆斯瓦特对纽科门发动机进行了几项改进，其中最重要的是外部冷凝器，它可以防止冷却水冷却气缸。瓦特的发动机使用略高于大气压的蒸汽运行。瓦特的改进将效率提高了2.5倍以上。缺乏一般机械能力，包括熟练的机械师、机床和制造方法，直到大约1840年才限制了实际发动机及其设计的效率。高压发动机由OliverEvans和RichardTrevithick独立开发。这些发动机效率不高，但功率重量比高，因此可用于为机车和船只提供动力。瓦特首先使用离心调速器来保持恒定速度，它通过节流入口蒸汽来工作，从而降低压力，导致高压（高于大气压）发动机的效率损失。后来的控制方法减少或消除了这种压力损失。Corliss蒸汽机（1849年获得专利）的改进阀门机构能够更好地根据不同负载调节速度，并将效率提高约30%。Corliss发动机为入口和排气蒸汽配备了独立的阀门和集管，因此热的进料蒸汽永远不会接触到较冷的排气口和阀门。阀门动作迅速，减少了蒸汽的节流量，从而加快了响应速度。调速器不是操作节流阀，而是用于调节阀门正时以提供可变的蒸汽切断。可变截止是科利斯发动机效率提高的主要部分。Corliss之前的其他人至少也有过这个想法，包括ZachariahAllen，他为可变切割申请了专利，但由于需求不足、成本和复杂性增加以及加工技术不发达等原因，直到Corliss才推出。Porter-Allen高速发动机（约1862年）的运行速度是其他类似尺寸发动机的三到五倍。较高的速度xxx限度地减少了气缸中的冷凝量，从而提高了效率。复合发动机进一步提高了效率。到1870年代，三倍膨胀发动机已在船上使用。复合发动机使船舶运载的煤炭少于货物。复合发动机在一些机车上使用，但由于其机械复杂性而未被广泛采用。一种设计精良的蒸汽机车在其鼎盛时期曾用于获得大约7-8%的效率。最有效的往复式蒸汽机设计（每级）是单流式发动机，但当它出现时，蒸汽正在被柴油发动机取代，柴油发动机效率更高，并且具有煤炭处理和石油需要较少劳动力的优势，更密集的燃料，更少的货物。使用1940年代初期收集的统计数据，圣达菲铁路公司测量了他们的蒸汽机车车队与他们刚刚投入大量使用的FT机组的效率。他们确定在蒸汽机中使用一吨燃油的成本为5.04美元，平均在整个系统范围内产生20.37英里的火车里程。柴油成本为11.61美元，但每吨产生133.13英里的火车里程。实际上，柴油机的运行距离是使用成本仅为两倍的燃料的蒸汽轮机的六倍。这是因为与蒸汽相比，柴油发动机的热效率要好得多。据推测，用作里程标准的列车是4,000吨货运，这是当时的正常鞣制l（原文如此）。—JimValle，蒸汽机的效率如何？

蒸汽轮机是效率最高的蒸汽机，因此普遍用于发电。涡轮机中的蒸汽膨胀几乎是连续的，这使得涡轮机可与非常多的膨胀级相媲美。在临界点运行的蒸汽发电站的效率在40%范围内。涡轮机产生直接的旋转运动，比往复式发动机更紧凑，重量也更轻，并且可以控制在非常恒定的速度内。与燃气轮机的情况一样，蒸汽轮机在全功率下工作效率最高，而在较慢的速度下工作效率低下。出于这个原因，尽管蒸汽轮机的功率重量比很高，但它们主要用于可以以恒定速度运行的应用中。

斯特林发动机的理论效率是所有热机中最高的，但它的输出功率重量比很低，因此实际尺寸的斯特林发动机往往很大。斯特林发动机的尺寸效应是由于它依赖于温度升高的气体膨胀和发动机部件工作温度的实际限制。对于理想气体，在给定体积下增加其xxx温度只会按比例增加其压力，因此，在斯特林发动机的低压为大气压的情况下，其实际压差受温度限制的限制，通常不超过几大气压，使得斯特林发动机的活塞压力非常低，因此需要相对较大的活塞面积来获得有用的输出功率。