提升发动机能效的新探索：降低损耗能量，变废气为宝

自汽车诞生以来，关于排放以及燃油经济性的相关技术就开始陆续应用到了内燃机上，而汽车性能同时也得到了明显的改善。然而目前提到汽车发动机效能的关键字眼无非“浪费”二字，这从美国能源部公布的数据就可以看出：一个普通内燃发动机产生的58%~62%的能量主要被排气管和冷却设备所消耗。

然而这样热量散失的过程反而必不可少：因为如果引擎得不到有效冷却的话，汽油就很可能会提前燃烧，发动机润滑油也会因高温而失效，今儿导致各活动部件也会遭到破坏。因此，在发动机必须得到冷却的情况下，这些额外的热量该如何有效得到利用，是多年来横亘在车企面前非常棘手的问题。

其实提高续航里程的压力由来已久，而车企一直以来所进行的尝试要么是改良一些影响空气动力的设计，要么在降低滑动摩擦上下功夫。但这些曾经一度被认为既麻烦又棘手的小范围改进也日渐得到了研究人员的青睐。

随着各大品牌车型之间的争夺战进入白热化状态，很多汽车主机厂对如何提高燃油经济性、降低油耗，充分利用发动机热能的话题也是闭口不谈。有外媒记者试图联系到本田北美的发言人，希望对方分享一些本田在汽车热力学研究方面的问题，但因内容“涉密”而遭到拒绝。

其实这样的结果不言而喻，本田之所以三缄其口，反而从侧面证明了热力学研究对提高发动机做功效率有实质性的突破。热力学研究涵盖了热和能量的物理原理和现象，车企希望通过开发设备以有效利用废弃的热能，达到降低油耗提高能效并减少有害气体排放的效果。

有啥能耐，你上呗

首先，包括宝马在内的众多汽车主机厂都希望利用热能发电。当然原理也很简单：选取两种不同材质的半导体组成闭合回路，当半导体两端存在温度差时，回路中就会产生电流，而两端电势高低不等形成电压。美国航天局（NASA）对这项技术（塞贝克效应）可谓驾轻就熟，一直利用其为空间探测器提供电力。

宝马表示公司已经研发出了专门安装在汽车排气系统的热电装置，该装置能够提供200瓦的电能。而最新一代的设备由于采用了更为先进的材料和制造工艺，可提供电能600瓦，当然未来该设备有望输出高达1000瓦的热电。

热电发电器甚至可以取代交流发电机的作用，减少发动机的工作压力，或者为混动车型的电池充电。宝马表示该设备搭配汽车本身的能量回收系统可达到事半功倍的效果：无论汽车加速减速，汽车通过热电和能量回收系统都能够提供稳定的电流。

然而，相对于汽车公司其他层见叠出利用热能的招数，开发热电设备仅是其中的九牛一毛。其实要解决这个问题，这里还有一个由来已久的方法：使用涡轮增压的方式来提高热能的利用率。

“涡轮增压”凑热闹

20世纪20年代，飞机上率先使用的涡轮增压发动机通过利用废气驱动的涡轮，将空气增压后进入气缸。但其实最开始由于存在迟滞现象，涡轮增压发动机在汽车上表现差强人意。但是增压技术发展至今已经非常成熟，通过使用两个先后交替工作的涡轮避免迟缓现象发生。此外，双涡流增压发动机使用两套废气涡轮和两个增压部件以保证转速范围内可以达到持续加速的效果。

汽车发动机涡轮增压技术

废气涡轮也能促使发电机持续为汽车配件、电池和电机供电，涡轮复式发动机直接使用涡轮动力，连接到传动系统以协助主动轮运转。

对于在热动力方面进行的研究，福特倒是愿意分享他们的一些成果。在接受记者采访时，某项目负责人表示福特目前的研究方向包括涡轮复式设置、发电、热量储存设备，以及利用引擎热量产生蒸汽来推动发电机工作的朗肯循环热动力原理。

2011年召开的“发动机能效和排放研究指导会议”提供的参会论文集中刊登了福特工程师的实验成果：一台利用朗肯循环闭合回路原理设计的设备。它可以将液体通过泵运输至一个利用废气加热的汽化器中，随之产生的蒸汽驱动涡轮转动，带动发动机产生电流。在汽车冷凝器中，之前产生的蒸汽又转化成液体，如此循环往复。

尽管在硬件上，福特已经做得非常完美了，但是要将这台朗肯循环的设备严丝合缝地放进车里，目前还是个巨大的挑战。

同样的，宝马也在开发一个运用相似原理的系统。宝马的热能交换器研发团队负责人向记者介绍了一种热量转换器，它可以从发动机排出的废气中吸收热量加以利用。而吸收的热能可以用来加热一种高压下的特殊液体，该液体在高温下转化为蒸汽，为膨胀涡轮（expansionturbine）增加动力，带动发电机产生电能。

宝马的研究项目——涡轮蒸汽机作为提高燃油能效的热交换系统，体积在逐渐减小

而宝马方面表示，如果系统能顺利投入使用的话，预计能在长途出行过程中削减至少10%的能源消耗。

热能の二次利用

当然为汽车配备带储热功能的发动机是降低油耗的另一个招数，但福特方面表示这种做法可能漏洞频出，危险性也较大。因为直接后果会导致使用涡轮增压的直喷式发动机迅速升温，而这些热量如果不能加以有效控制的话，会生出什么幺蛾子，那谁都无法保证。

而如果采取“保守疗法”的话，其实可以将热的冷却液储存起来以备后用。目前福特正在研发一款采用相变材料制成的热力电池，能够吸收大量的相变潜热，并用于对汽车启动前的发动机进行加热。

采用这种方式最典型的代表是丰田。丰田为旗下混动车型安装了一个容积为三升，类似不锈钢热水瓶的储热装置，此装置在发动机关闭后开始储备冷却液。当车重新启动的时候，温热的冷却液又循环到气缸盖，这就使得燃料混合物的构成更为简单，可有效减少油耗和有害气体排放。在冰冷刺骨的冬日清晨，汽车发动机若能提前预热，车厢也会很快温暖起来。

而作为美国汽车产业曾经的老大哥通用，同样将热力学的研究作为提升发动机性能的主攻方向。通用目前正积极地进行集成系统的开发调试，该系统可以将废气带走的能量实现最大程度地回收利用，同时还要满足设备体积足够小，安装复杂性低等要求。尽管涡轮复式发动机配合朗肯循环和热电装置使用能够提高燃油经济性，同时还可以减轻发电机的负载，但本身设备的维护费用以及额外消耗的燃油并不一定能够和产生的电能相抵。

克莱斯勒正在尝试将发动机燃烧产生的废热来预热道奇公羊的8速自动变速箱润滑油。根据负责变速器研发工程师的描述，要让一个常温状态下的变速器达到最佳运行温度的话，需要35-40分钟的时间。但是如果用发动机冷却液来预热变速器润滑油的话，短短十分钟之内即可达到该温度，整个驾驶过程可以节省约两成的燃料。

车云小结：

说到发动机的能效，想必这是各车企既心痛又希望卯足劲有所创新的地方。除了上述提到的运用热力学原理开发热电设备变废为宝的方式之外，车云菌去年曾报道英国国家物理实验室研制出了一种新型的无铅耐高温的陶瓷电容，这种新型材料将会减少电动车对散热系统的依赖以及降低自重，可以明显改善混合动力和纯电动车的能效和可靠性。

然而，Alphabet能源集团，这家为采矿、石油工业提供热点技术的公司目前发现了一种名为“黝铜”的新材料。1千克的黝铜价格是有毒催化剂的1/6，而且根据最新测试发现在将热能转换为电能的过程中，它可以达到5%-10%的转换率，尽管并不理想，但相比之前的2.5%，技术上还是有了极大地提高。

考虑到这种材料低廉的价格、资源获取的容易程度以及Alphabet在这项新技术的投入，我们可以预见到未来混合动力汽车可能在原有设备的基础上会增加一个尾气排放的处理装置，其中的热量捕捉设备可以通过黝铜将热能转化为电能，这样的话，也许不用制动能量回收装置也可以实现对电池的充电。

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