汽车内燃机的热效率真的不可能高于发电厂热机吗？

这是我在知乎写的第一篇文章。在知乎也混了两年多了，回答了一些汽车相关的问题。想写这篇文章，主要是发现，其实大多数人对于热效率这个概念很模糊。希望这篇文章能讲清这几件事情：

什么是热效率。
什么是热力学第一、第二定律，什么是卡诺循环和卡诺效率。
汽车内燃机的热效率。
发电厂的热效率。

这篇文章会不可避免地有一些学术，希望能讲得不像教科书那样无聊，也欢迎讨论。但是有一点我要明确，这篇文章，尤其是1-3点，是绝对正确的，这些并不是我个人的主观看法，是客观事实，就像1+1=2一样正确。内燃机还在继续发展，但是决定内燃机极限的基础热力学理论，在两百年前就有人想清楚了。所以，有不理解的尽管问，我非常愿意解释，但请不要质疑它的正确性。如果觉得我扯淡的，请立刻拉黑我，不要犹豫。

什么是热效率？

对于往复式内燃机而言，热效率（thermal efficiency）指的是缸内气体对活塞做的功和放热量的比值，

$\eta_{th}=\frac{W_{out}}{Q_{in}}$

热效率的概念很简单。但需要明确的是，热效率和发动机内的摩擦、机械效率 $\eta_m$ 一点点关系都没有，完全衡量的是热机本身的效率。也有非常多的人，无法区分热效率和燃烧效率 $\eta_{c}$ 。燃烧效率指的是缸内燃料完全燃烧的程度，一般都在90-95%以上。一台发动机的热效率如果只有30%，并不是说，缸内只有三分之一的燃料烧掉了，而是，缸内的燃料燃烧以后，只有三分之一的能量，转化成了机械功输出。燃烧效率、热效率、机械效率相乘，可以认为是整个发动机的总效率：

$\eta_{b}=\eta_{c}\eta_{th}\eta_{m}$

因为燃烧效率和机械效率一般都在90%以上，提高热效率才是关键。所以很多时候只提热效率。当然，不同场合的这些效率定义略有不同，这里就不细说了。

路上的量产汽车热效率一般都30%多一些，剩下60%多的能量都去哪里了呢？可以简单这么认为，汽油燃烧放的热分成三份，一份被用来冷却气缸的冷却水带走，第二份在排气的时候被浪费掉了，剩下的三分之一，是有效的功，所以热效率是30%多。也就是说，只要你车子水箱是热的，排气管是烫手的，就有能量被浪费掉了。

热力学第一、第二定律，卡诺循环和卡诺效率

热力学第一定律就是能量守恒。如果对这一点有疑问的，我觉得知乎不适合你，你应该去立刻做一些能获得诺贝尔奖的研究。

热力学第二定律，指的是，能量的转化不仅仅要遵守能量守恒，也就是不发生量的改变。同时，不同的能量是有品质差别的，从高品质的能量变成低品质的能量，转化效率是100%，但是从低品质的能量，转化成高品质的能量，效率不可能100%。也就是说，不同形式的能量之间互相转化，有方向性。高品质的能量有电能和机械能。最低品质的能量就是热。用电阻丝发热，消耗的电能可以100%转化成热。但是把热量转化成机械能，是不可能达到100%效率的，这也就是热机的理论上限。因为热机是把热转化成机械能的一种装置。

至于卡诺循环，可以认为是针对热机的热力学第二定律的定量表达。也就是说，无论这个热机是什么样的，无论是内燃机、还是外燃机，无论是往复式热机，还是旋转式（透平式）热机，不管怎么获得热量的，它的极限效率不可能违背热力学第二定律，这个极限效率就是卡诺循环的效率，简称卡诺效率。

任何一个热机都可以认为从某个高温热源获得能量，然后对外做功，最后会有一小部分能量必须排出系统，给低温热源。举个简单的例子，下图是一个蒸汽轮机的示意图。蒸汽轮机在2-3的时候从锅炉吸热，3-4的时候通过涡轮对外做功，但是在4-1的冷凝器中必须向环境排出一些热量，否则这个热力学循环没法完成。

https://en.wikipedia.org/wiki/Rankine_cycle

卡诺在1824年认为，一个热机的极限效率只和高温热源、低温热源的温度有关，而和这个热机是怎么样的没有关系：

$\eta_{Carnot}=1-\frac{T_{low}}{T_{high}}$

$T_{low}$ 和 $T_{high}$ 都是热力学温度，单位是开尔文。低温热源的温度比较简单，大部分情况下，可以认为是室温，23 ℃（296 K，算300 K吧）。所以，如果一个蒸汽机锅炉的加热温度是600 K（327 ℃）的话，那这个蒸汽机的极限效率是50%，不可能突破，这就是卡诺效率的意义。

卡诺循环的指导意义在于，它告诉我们，为了提高热机效率，尽管我们不能降低低温热源温度，但我们应该尽量去提高高温热源温度，来提高热机效率。

汽车内燃机和奥拓循环

前面的第一张图，使用锅炉对工质（工作物质，用来做工的流体）加热，在冷凝器里面通过热交换冷却。那么其中的低温、高温热源很好理解，这是一种典型的外燃机。

对于汽车内燃机，其实不存在所谓的高温热源。一般都是假设由于燃料的燃烧，缸内气体的达到的极限温度，是高温热源，这个温度不低于2000 K（没错，你没看错，我也没写错，并且，我还可以告诉你，钢的熔点在1400 ℃左右，也就是1700 K，铝的熔点是660 ℃，约1000 K），那么一个汽车内燃机的卡诺效率在

$\eta_{Carnot}=1-\frac{300}{2000}=0.85$

所以目前汽车内燃机热效率才30%，40%，潜力很大吧？

其实，2000 K是相对保守的，对于传统汽油机，缸内最高温度能到2500 K是很正常的。那为何内燃机的极限温度能那么高，甚至突破金属熔点？主要原因很简单，汽车内燃机是往复式热机。一个四冲程内燃机转两圈完成一个工作循环，也就是720°，其中可能只有10°左右的时间，缸内气体温度可以高于2000 K。在吸气、排气这一整圈的时候，缸内气体温度可能只有300-400 K，所以，尽管有一瞬间缸内气体温度很高，平均温度并没有那么高（400-500 K），所以往复式内燃机对缸壁材料非常友好，有利于降低成本。因为这个原因，往复式内燃机的高温热源温度可以很高，根据卡诺定律，往复式内燃机的极限效率非常高。对于缸壁温度，有一个更好的答案，可以参考 @苏黎世贝勒爷的发动机工作时其内部是如何承受两千多度的高温的？

那既然汽车内燃机的理论卡诺效率那么高，为何汽车内燃机的效率并不高呢？因为这受到了热力学循环的限制。汽车往复式内燃机可以近似成理想奥拓循环（Otto Cycle）。1-2是压缩，2-3是燃烧，3-4是膨胀做功，4-1是排气，0-1-0是换气。

https://en.wikipedia.org/wiki/Otto_cycle

对于奥拓循环，它的热效率计算很简单，看下面这个公式。 $\gamma$ 是一个叫比热容比的随温度和气体组分小幅变化的数，可以认为是1.35。 $CR$ 是压缩比。所以说，如果压缩比是10，奥拓循环理论热效率为55%，如果压缩比是15，奥拓循环理论热效率为61%。

$\eta_{Otto}=1-\frac{1}{{CR}^{\gamma-1}}$

所以可以看到，奥拓循环的效率并不高，和卡诺循环差距很大，所以汽车内燃机效率相对比较低。不严谨地说，热力学第二定律的限制对汽车内燃机没什么用，差太远了。但是，因为汽车内燃机极限温度比较高，这提高了内燃机的效率。并且，热力学告诉我们，汽车内燃机的效率是能轻松突破50%的。事实上，先进内燃机技术已经不被奥拓循环所局限了，所以奥拓循环的理论热效率，并非完全是内燃机的上限。但在这篇文章里就不展开了。

传统火电厂、蒸汽轮机和朗肯循环

这其实就是大家熟悉的烧开水嘛，可以烧煤，烧天然气，烧铀，总之，烧某种东西，放出热量，来把水烧开，做功，这就是蒸汽轮机，对应的是热力学的朗肯循环（Rankine Cycle）。

烧开水最大的问题是，水温不能烧得太高，一个传统的蒸汽轮机，涡轮进口温度一般低于374 ℃（水的临界点），那么根据这个温度计算的卡诺效率只有54%，远比内燃机的85%低。但是，因为朗肯循环中有水的液-气相变，朗肯循环本身，其实是很接近卡诺循环的，所以实际效率能做得很高，到30%以上。具体的我就不展开讲了。

这个时候，就有人说超临界（Supercritical）和超超临界（Ultra-Supercritical）朗肯循环了。这指的是水蒸气的状态，指的是水温高于374 ℃时，无论如何加压，水都不会变成液态。根据维基百科（Supercritical steam generator）超临界机组最高温度可以到达566 ℃，这个时候，卡诺效率是64%，超超临界机组最高温度可以到760 ℃，卡诺效率是71%。所以，用了超临界和超超临界机组的确可以大幅提高蒸汽机热效率，但这伴随着对材料要求的提高。蒸汽机是旋转式机械，高压涡轮叶片始终接触高温，因此，能承受的温度远低于往复式内燃机。

联合循环

最后来提一下联合循环（Combined Power Cycle）。因为朗肯循环的热源温度不能太高，所有有人的想法是把一个燃气机组和一个蒸汽机组串联在一起，如下图。6是燃气轮机，用的是布雷顿循环（Brayton Cycle），这类循环效率比较低，而且出口温度很高。因此，燃气轮机的出口可以用来加热一套蒸汽轮机，也就是2-5。

https://en.wikipedia.org/wiki/Combined_cycle_power_plant

燃气轮机里的温度比较高，可以上千度，如果正好是1000 ℃的话，此时的卡诺效率有76%，相当高了。但是燃气轮机的出口温度也很高，有时候达到五六百摄氏度，如果没有再利用的话，效率非常低。但是这个温度正好适合朗肯循环。因此，联合循环的效率很高，可以达到60%。但同样，燃气轮机内的温度也不能太高，也受到了材料的限制。原因和蒸汽轮机类似。

总结

汽车内燃机及近似的奥拓循环，并不是很高效的热力学循环，但因为高温热源温度可以非常高，达2000 K，所以尽管汽车内燃机的效率离卡诺效率差得很远，它仍然可以做到不错的热效率。汽车内燃机毫无疑问可以做到50%热效率，做到60%热效率有一定的难度。汽车内燃机的限制主要是如何组织燃烧来提高热力学效率，对于材料没有特别的要求。
发电厂中常用的基于朗肯循环的热力学循环，是比较高效的热力学循环，其实际效率会比较接近热力学第二定律限制的卡诺效率。但因为旋转式热机中的涡轮叶片始终接触高温，受材料限制，高温热源的温度比较低，卡诺效率较低。但也能做到60%。
总的来说，两者都能轻松突破50%热效率，突破60%热效率有一定难度。汽车内燃机受热力学限制，发电厂的不同循环的热机主要受到材料性能的限制。

现代热机研究者和工程师在做什么？

最后再补几句吧。有人可能不理解，既然热力学已经研究那么透了，为什么现在的热机还有提升空间？其实热力学作为基础科学，只是告诉了你什么可以什么不可以，具体怎么做，是工程学的事情。一方面，前面提到，对于发电厂的旋转式热机，提高材料极限可以显著提高热机性能。另一方面，无论哪一种热机，里面工质的流动、热交换、燃料的燃烧，都是非常复杂而且重要的过程，这牵涉到了流体力学、传热学、燃烧学、化学动力学等等一系列应用科学，所以，对于这些学科的深入理解和应用，可以减小各类损失，让实际效率接近理论效率，这就是现在的业界和学界在做的事情。

后续计划

好吧，我也没想到居然就被编辑收录了，虽然被收录的确没什么大不了的，不过这至少说明会有人看吧。大致想了一下，以后会这么写：

汽油机和柴油机的区别。这看上去是一个很简单的不用任何解释的问题，但其实，没这么简单。不理解汽油机和柴油机，就无法理解为何HCCI和马自达的SPCCI能提高热效率。
提高发动机效率的途径和局限。
各种汽油机魔改，只关注发动机本身，暂时不涉及混动。（柴油机去死吧我不会写的）
均质压燃HCCI。
其它HCCI衍生技术，比如PCCI、SACI（马自达的SPCCI）、RCCI等。也可以介绍一下turbulence jet ignition。
各种奇葩发动机：比如转子发动机、自由活塞发动机、对置活塞发动机等。纯粹是写着好玩，这些发动机甚至未必有意义，但都很有趣。

不定期更新。其实关于电动车和混合动力动力总成和整车层面的分析我也可以写，不过目前没有想到特别好的点子。

参考资料

题图是布加迪Chiron发动机的照片。其它所有图都取自维基百科。

顺便安利一下自己的其它回答：

为什么会有这么多人不看好新能源汽车？蔚来EP9为什么比迈凯轮塞纳慢？如何评价38号车评最新一期关于汽车性能主要靠功率而不是发动机输出扭矩的结论？

来源：知乎 www.zhihu.com

作者：阿葱葱葱

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