互动科普

全世界对汽车的需求量越来越大。考虑到温室气体排放的严峻形势，科学家和工程师正努力寻求更好的汽车动力源，包括纯电动汽车和燃料电池车等。虽然这些技术及其他替代方案显示出良好的应用前景，但从近期来看，由于内燃机（internal-combustion engine）仍处于汽车动力的绝对主导地位，进一步提升内燃机效率仍是降低化石燃料消耗的最重要途径。

庆幸的是，现在有很多技术能够提高内燃机的效率。更好地控制燃烧室中油气混合的比例、控制汽油在其中的点火方式，或者控制利用这些能量的机械装置，可以使传统内燃机达到与油电混合动力发动机相当的效率水平。

2008年下半年汽油价格快速上涨使更多消费者开始关注汽车的燃油经济性，此后一段时间的油价下跌又削弱了这种需求。但是，燃油经济性和温室气体排放法规的强制实施将改变这一状况，你每更换一次爱车，都会明显发现发动机的节能效果又提升了。

内燃机被广泛用作汽车、卡车、摩托车和摩托艇等交通工具的动力源。它最大的优点在于，使用的燃料（汽油）相对来说储量丰富、价格便宜且能量密度较大，而最大的缺点是效率一般。目前效率最高的车用汽油机的效率值只有20%~25%，即燃烧汽油产生的能量中只有20%~25%用以驱动汽车前进。柴油机和油电混合动力的效率较高，能达到25%~35%，但成本也相对昂贵。氢燃料电池车，例如本田的概念车FCX Clarity可以将氢气能量的60%转化为动力。

尽管内燃机技术已经发展很多年，但还是有许多地方可以继续改进。最近美国环保局的研究显示，从1987年到2006年，美国汽车发动机的效率大约每年提升1.4%，这些提升主要通过提高燃烧效率和热效率、降低机械摩擦损失和附件消耗等手段来实现。然而这种改善并没有降低对汽油的消耗，反而满足了市场对于排量更大、动力更强劲以及性能更高的汽车的需求。

新标准推动节油

一些即将施行的法规将确保未来汽车动力效率的提升主要用于提高汽车实际的燃油经济性。2008年起，中国出台了相应法规，分阶段对不同排量的汽车燃料消耗量限值作出规定 （参见《轻型商用车燃料消耗量限值》）。美国环保局正在制定汽车温室气体排放标准，美国交通部已经完成了更严格的企业平均燃油经济性标准（CAFE）。这两个机构必须在2010年4月1日之前推出一个综合两方面要求的最终标准。美国国会要求交通部尽“最大可行性”强制执行节能规定，在2011年到2030年之间提高美国轿车、轻型卡车的平均燃油经济性。基于该项提议，第一阶段的标准将在2012年到2016年之间每年按照4.4%的比例提高大部分轿车、SUV、皮卡和小型客货车的燃油经济性，使大部分车的油耗低于6.6升/百千米的限值。到2020年甚至2030年，该限值还将更加苛刻。

该法规还将改变温室气体以及燃油经济性目标的计算方法，并影响汽车制造商。为了避免像如今的法规一样，对美国所有轿车或轻型货车设置单一标准，新法规将根据车辆的占地面积，即车辆四个轮子所确定的矩形区域面积，来设定燃油经济性标准。根据每一家汽车公司轿车和小货车的销量，计算出该公司产品占地面积的加权平均值，然后根据这个数字制定该公司唯一的油耗限值。

这种方法意味着，汽车公司将不再为了“达标”而大量制造小型轿车，因为新标准对各种车型进行了综合考虑，目的是要汽车公司设计出能效更高而二氧化碳排放量更低的产品。对于汽车制造商来说，多生产一些大排量车或者卡车也不再有坏处。新标准的实施并不是鼓励或者限制某一种车型，而是为了使所有车型都能尽可能提高能效，真正做到经济节油，并且在技术上具有可行性。

多途径降低损失

新标准的出台使汽车开发商面临一次严峻挑战：如何利用有限的资源在短时间内大幅度提高内燃机效率，还要满足用户对汽车性能、安全、用途以及舒适等方面的要求。

首要的问题就是降低能量转化过程中的损失。汽油燃烧释放的能量中有60%通过传热损失，其中约一半是通过发动机传热损失，另外一半是通过排气损失。另外有15%~25%的能量损失于发动机摩擦，特别是汽车在怠速（发动机空转）或减速做无用功的过程中。摩擦损失还包括换气过程中节气门的节流作用造成的泵气损失。

剩下的能量用来提供发动机的动力输出。这其中大概一半出头（占总能量的10%~15%）用来克服汽车的牵引阻力，包括汽车的惯性、空气阻力以及轮胎和地面的滚动摩擦阻力等。而总能量的5%~10%消耗在动力传动系统以及动力转向、空调和电机之类的附件设备上。

这些过程中每一部分的效率都有提高的潜力，即使是一点小小的改进也能收效明显。例如，降低1%的牵引阻力便可将燃油经济性提升4%~5%。如何通过各种技术，用最小的成本获取最大幅度的效率提升，则是技术人员需要面对的挑战。因为每一个汽车公司都拥有自己的团队，都有自己的技术优势和劣势，每个公司都会选择不同的技术路线。

本文无法一一列举所有的技术改进。仅降低发动机摩擦损失这一项，就涉及材料、运动件的几何形状、润滑以及零件设计等多个方面；几十项细微改进综合起来，可以将效率提高几个百分点。尽管如此，大部分工程师或许都对其中少数方法表示认可，这些技术将在未来十年内广泛用于提升发动机效率。第28页的表格列出了这些技术，文中亦有相应说明。

超级发动机

从更长远来看，未来内燃机效率进一步提高将依赖于整个系统的优化，硬件与软件的结合将无处不在。未来的“超级发动机”会具有如下特征：汽油缸内直喷、连续可变的无凸轮气门正时系统、电机混合动力以及涡轮增压技术（利用排气系统的能量来产生动力）。

在这种假想系统中，电池会在低速低负荷运行时单独工作。一旦发动机开始运行，在不同的模式或循环方式之间进行切换，便能使它达到最大效率，例如在发动机的阿特金森循环（Atkinson cycle）和奥托循环（Otto cycle）之间切换（传统发动机一般具备一种循环方式）。在汽车加速过程中，电机和涡轮增压会提供快速动力响应。而排放废气中的能量以前都白白浪费了，今后也将会被收集起来用于给电池充电。

按照这个方式进行优化，新发动机将只有目前的一半或者1/3大小，这样可以降低摩擦损失并减小重量。这种设计将有效提高发动机效率，但也会增加系统复杂度和成本。一个很重要的任务就是利用软件选择不同转速和负荷下的最佳运行策略，并控制发动机在不同模式之间切换。

最终，我们必然将面对石油供应不足的问题，世界需要许多可以替代汽油的能源，科学家和工程师也正朝着这个目标奋斗。但是对先进汽车技术的探寻，不应该阻碍改善内燃机效率的步伐。没有任何一种技术或者能源能够完全满足全世界日益增长的交通能源需求，但是内燃机技术的提高，伴随着混合动力技术的应用，将对从化石燃料平稳过渡到可再生能源大有裨益。从本文可以看出，在降低温室气体排放量、实现未来更清洁和可持续发展的这场战争中，汽油内燃机并不是敌人，而是一种武器。