发动机的效率为什么那么无法大幅度提升？ 提升发动机效率的难点在哪里？ 无往，我有一个新的故事要对你讲 看到问题第一反应是：“胡闹，你又把老师留的作业直接复制过来了吧？”正准备施放“学长的教诲”技能，仔细又读了一遍题目，看到错误的标点符号，感觉老师留问题应该不会这么问，才决定回答。 发动机效率的理论极限 在讨论如何提升发动机效率之前，难道你对“发动机的效率是否有极限”这一问题感兴趣吗？ 第一个回答这个问题的是一个叫尼古拉·莱昂纳尔·萨迪·卡诺的人（Nicolas Léonard Sadi Carnot）。1824 年，卡诺发表的一本书叫《关于火的动力》（Reflections on the Motive Power of Fire）。书中他提出了卡诺循环，创造了卡诺热机，阐明了”一切实际热机的效率都低于卡诺热机的效率“这一观点。 那时没有知乎，卡诺的回答在其生前无人关注，也没有人点赞，直到十多年后才被大 V 点赞。从此卡诺定律被无数看得懂和看不懂的人跟风点赞，进入了教科书，挂了无数修习大学物理和热力学的学生。 当然最重要的还是，卡诺定律为热机 / 制冷供暖的设计者和研究者们指明了提高效率的道路——使热机 / 制冷的工作循环更接近近卡诺循环 / 逆卡诺循环。 它当然毫无意外地适用于今天的发动机，当然也适用于蒸汽机，汽轮机，喷气式发动机，冰箱空调等，甚至可能也适用于现在大家很关注的燃料电池（Fuel cell efficiency redefined : Carnot limit reassessed）。 卡诺定律的公式很简单： 热机的最高效率只与两个热源的热力学温度有关。 热机（heat engine）是指是能够将热源提供的一部分热量 Q转化成为对外输出的机械能 W的机器。发动机属于热机的一种. 对于发动机而言，一般高温热源来自于燃料燃烧提供的热量，低温热源就是大气环境。 从卡诺定律我们很容易想到提高发动机效率的途径了吧： 既然环境温度 我们无法改变，那我们提高高温热源的温度 。 理论上，制约提升的因素也是制约发动机效率提升的难点啦：比如材料的耐高温性，加工工艺，燃烧的控制等等，这一展开就是材料学，机械制造设计，燃烧学，热力学，化学反应动力学，流体力学 blablablabla 学方面的问题了。 给出一些数字，感兴趣的同学可以去估算一下提升发动机效率是怎样的一个难易程度： 卡诺定律里面的温度是热力学温度，单位是 K，摄氏温度加上 273 才是热力学温度； 发动机在压缩和做功行程一般温度范围会在 800-2500℃左右； 发动机排气出口温度一般在 300-1000 摄氏度左右； 提升 200 度左右大约能提升多少效率。 实际发动机效率的提升 卡诺循环全由可逆过程组成。可逆过程是指系统的某些属性能够在无能量损失或耗散的情形下通过无穷小的变化实现反转的热力学过程。现实中的热机都是以不可逆循环来工作，因此卡诺循环是一个理想的循环，只具备指导意义，不可能实现。 卡诺循环是永远不可能达到，此外无论是汽油机的奥托循环也好，柴油机的狄塞尔循环也好，实际发动机运转时也都不会严格按照这些理想的动力循环去运转。因为发动机需要散热冷却，会有机械摩擦，需要吸入新鲜空气，排出废气，这些都会消耗或者耗散掉一部能量。这些现实与理想的差别，也是阻碍发动机提升效率的因素。 从上图可以看出，发动机热量由以下几部分构成： 发动机做功输出 排气中的热量 冷却水中的热量 机械损失 泵气损失 辐射及失火损失 最右下红色部分是发动机的有效输出，也就是说发动机的最高效率在 30%多，大部分的热量都被排气、冷却水带走了，还有一部分为机械损失和泵气损失，小部分热量被热辐射和失火损失。 自此我们也很容易得到提高发动机的效率的途径——缩小理想与现实的差距，降低损失呗。如何降低这些损失也正是是提升发动机效率的难点。 如何降低这些损失，缩小理想与现实差距，的确也很不容易，下图是某日系厂商在 2010 年前规划的一些技术路线（说实话，很多技术名词缩写我也不能一下子认出来）。细心的朋友可能可以发现，搞了这么多飞机也只能从 20/100→ 20/70。这也侧面说明，要想提高发动机效率，做出像样的发动机，不是一朝一日所能完成的，需要有技术积累和沉淀。 当然还有一条途径就是再回收——排气中的能量不是占比很大么，那么回收起来用不就好啦？ 比如像这样的想法： 实际这样的回收实现起来是非常困难的，具体原因及效果可以参考我之前的回答： 内燃机废气的能量可否回收用来做功？ - 无往的回答 查看知乎原文
