第三百二十二章 发动机的效率只有30%？-全自动无人驾驶汽车什么时候普及
第三百二十二章 发动机的效率只有30%？-全自动无人驾驶汽车什么时候普及-无人驾驶帝国-一本书
无人驾驶帝国
作者：无人车来也
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2009年11月28日，星期六晚上。
弟子舒焕的家里。
沈笑夫问：“舒焕，你驾驶学科奥赛预赛成绩多少？上线了吗？”
舒焕喜笑颜开：“79分，上线了呢！分数线才45分！”
沈笑夫摸摸小弟子的头，表扬道：“超过分数线一大截，不错喔！加油，争取复赛取得好成绩！”
舒焕笑着点点头。
沈笑夫说：“如果能获得初中组三等奖就好了！你才小学六年级，多牛啊！”
舒焕不好意思地笑了笑，嘴角挂着坚毅和决心。
过了一会儿，舒焕道：“初中组三等奖，小学毕业后就可以保送到重点在中学！”
沈笑夫又说：“是吧？你到时候别一不小心，考个初中组二等奖甚至一等奖哦，我这个老师会上天的，哈哈！”
舒焕有些不好意思起来，腼腆地说：“呵呵！”
沈笑夫鼓劲道：“不管考多少分，关键是要抓紧复习，以平静的心态迎接复赛。怎么样？没问题吧？”
舒焕坚定地点点头：“好的，没问题！”
接下来开始上课。
今天学习讨论发动机的效率问题。
舒焕问道：“沈哥，听说发动机的效率不高，有的说只有30%？是真的吗？”
沈笑夫：“是啊。据说如果按燃烧1升汽油产生热量生成的动力计算，汽车的效率至多只有30%。”
舒焕惊讶道：“什么？真的有那么低？”
沈笑夫笑着说：“你先别惊讶。那还只是就发动机本身来说的，还有人说汽车行驶时的效率只有20%，甚至是15%。”
舒焕的眼珠子都快掉出来了，但语气尽量保持平和：“看来是真的了。那全世界的汽车生产商们究竟在干什么啊！效率那么低，剩下的效率去哪儿了呢？”
沈笑夫道：
“这个问题要解释清楚非常复杂！
发动机是热机的一种，整个过程可以看做高温物质转化为低温物质同时输出功。
根据热力学第二定律：不可能从单一热源吸收热能并使之完全转换为有用功而不产生其他变化。
说人话就是，热能不可能完全用来做功，在能量转化过程中必然会有一定的损失。”
舒焕一脸懵逼：“沈哥，确实有点复杂！呵呵！”
沈笑夫笑着说道：
“专家们解释说，32%转化成了废气的热量，28%用于冷却发动机，剩下的10%给了摩擦和辐射热。
你见过在寒冬开车时从排气管往外冒热气吧？
废气就那么热。也就是说剩余的能量被白白排出去了。
散热器负责冷却发动机的冷却液，冷却液热得甚至没法轻易打开盖子，所以它的温度也是不容忽视的。”
舒焕点点头：“那摩擦损失和辐射热又是什么呢？我听不懂你这些专业术语呀。”
沈笑夫说：
“我知道，这就给你解释。
摩擦损失存在于很多地方。
例如带动空调的压缩机、液压助力方向盘的助力泵、用于发电的交流发电机等都需要使用发动机的动力，各机器的摩擦也会损耗动力。
再来说辐射热，就是类似于热量从发动机本身的金属部分释放到大气中的放射热。它们都起不到任何驱动汽车的作用。”
舒焕若有所思：“原来如此。那么为什么汽车发动机发展了近百年，热效率始终在一个学渣的水平上徘徊，提高发动机热效率有这么难吗？”
沈笑夫答：
“难！
受热机理论限制，根据‘卡诺循环’η=1-t2（低温物体）/t1（高温物体），所以要提高热效率，从公式上看，是尽可能降低低温和提高高温，但在发动机上要想做到这一点很难。
所以发动机热效率每提高1%都非常困难。”
舒焕没有听懂，摇摇头道：“太高深了。就没有简便易行的办法吗？”
沈笑夫答道：
“有啊！
比如，稀薄燃烧！空气和汽油的理想混合比率是14.7∶1，稀薄燃烧就是指利用小于这个比率的汽油量启动发动机。
还有就是混合动力汽车，启动发动机以外（如空调）的压缩机时不需要借助发动机。
再就是把利用发动机动力的液压助力，方向盘替换成电动调节方向盘，这一方法也广泛应用在了汽油动力车上。”
舒焕点点头：“哦！这样子啊！这么看起来，燃油汽车确实浪费很大！”
沈笑夫：“是呀！电动车是方向，是有道理的！”
舒焕沉思了片刻又抬头问道：“沈哥，我看了一个资料，说是汽车如果没有油门，效率更高。这是真的吗？”
沈笑夫点头道：“是真的！为了降低油耗，汽车生产商们甚至想要拆掉油门。”
舒焕好奇的表情再次浮现，赶紧问道：“啊！为什么会这样子呀？”
沈笑夫说道：
“老司机都知道，平时开车时，一般无需将油门踩到底，即使在高速公路上也很少如此。
只有在需要急加速等极少数情况下，才会考虑是否将油门踩到底。
也就是说，平时开车时，油门的开启程度多处于停车时的怠速状态和急加速时的完全开启状态之间。
因此，在大多数情况下油门的存在都会阻碍空气的流动。
这就催生出了一种新的调节空气量的方法，即拆掉阻碍空气流动的油门，通过调整进气阀的上下移动程度控制空气量。
怠速时只需吸入少量空气，因此只要稍稍下压进气阀即可。”
舒焕道：“我明白了，就是要时时刻刻保持轻踩油门。油门踩得轻，空气阻力就小。是这样吗？”
沈笑夫说：
“是的。
在日常行驶中，也只需将进气阀下压到中间位置。只有在需要急加速时才会将进气阀下压至最低点。
阀门的移动程度都由电脑控制。
说到这里你可能会产生疑问。之前我讲过推动进气阀上下运动的是凸轮，如果不像vtec那样改变凸轮的形状，就无法改变进气阀的上下移动程度。
这时就需要加装一个装置，将凸轮的旋转以偏离中心的状态传递至进气阀。
所谓偏心，是指偏离凸轮的旋转中心。
由于普通的凸轮轴无法实现偏心，因此就需要加装一个充当桥梁作用的装置，使得凸轮的旋转不同于一般的鸡蛋形凸轮。
我们把这个装置称为可变阀门升程装置。”
舒焕“哦”了一声，继续安静地倾听。
沈笑夫说：
“2001年，德国的b公司开发出了这一装置，随后其他的汽车生产商纷纷开始使用。
你或许会想，这么好的方法为什么不早点采用呢？
无论是之前介绍过的搭载低转速和高转速两种凸轮的vtec，还是拆掉油门的方法，在设计者的头脑中都酝酿已久。
但是，从精密的电脑控制和传感器技术，到将装置小型轻量化并嵌入发动机内部，再到保证这些装置的耐久性，都必须依靠成熟的技术。
甚至可以说，如果成本太高，将无法应用于市售车。”
弟子舒焕的家里。
沈笑夫问：“舒焕，你驾驶学科奥赛预赛成绩多少？上线了吗？”
舒焕喜笑颜开：“79分，上线了呢！分数线才45分！”
沈笑夫摸摸小弟子的头，表扬道：“超过分数线一大截，不错喔！加油，争取复赛取得好成绩！”
舒焕笑着点点头。
沈笑夫说：“如果能获得初中组三等奖就好了！你才小学六年级，多牛啊！”
舒焕不好意思地笑了笑，嘴角挂着坚毅和决心。
过了一会儿，舒焕道：“初中组三等奖，小学毕业后就可以保送到重点在中学！”
沈笑夫又说：“是吧？你到时候别一不小心，考个初中组二等奖甚至一等奖哦，我这个老师会上天的，哈哈！”
舒焕有些不好意思起来，腼腆地说：“呵呵！”
沈笑夫鼓劲道：“不管考多少分，关键是要抓紧复习，以平静的心态迎接复赛。怎么样？没问题吧？”
舒焕坚定地点点头：“好的，没问题！”
接下来开始上课。
今天学习讨论发动机的效率问题。
舒焕问道：“沈哥，听说发动机的效率不高，有的说只有30%？是真的吗？”
沈笑夫：“是啊。据说如果按燃烧1升汽油产生热量生成的动力计算，汽车的效率至多只有30%。”
舒焕惊讶道：“什么？真的有那么低？”
沈笑夫笑着说：“你先别惊讶。那还只是就发动机本身来说的，还有人说汽车行驶时的效率只有20%，甚至是15%。”
舒焕的眼珠子都快掉出来了，但语气尽量保持平和：“看来是真的了。那全世界的汽车生产商们究竟在干什么啊！效率那么低，剩下的效率去哪儿了呢？”
沈笑夫道：
“这个问题要解释清楚非常复杂！
发动机是热机的一种，整个过程可以看做高温物质转化为低温物质同时输出功。
根据热力学第二定律：不可能从单一热源吸收热能并使之完全转换为有用功而不产生其他变化。
说人话就是，热能不可能完全用来做功，在能量转化过程中必然会有一定的损失。”
舒焕一脸懵逼：“沈哥，确实有点复杂！呵呵！”
沈笑夫笑着说道：
“专家们解释说，32%转化成了废气的热量，28%用于冷却发动机，剩下的10%给了摩擦和辐射热。
你见过在寒冬开车时从排气管往外冒热气吧？
废气就那么热。也就是说剩余的能量被白白排出去了。
散热器负责冷却发动机的冷却液，冷却液热得甚至没法轻易打开盖子，所以它的温度也是不容忽视的。”
舒焕点点头：“那摩擦损失和辐射热又是什么呢？我听不懂你这些专业术语呀。”
沈笑夫说：
“我知道，这就给你解释。
摩擦损失存在于很多地方。
例如带动空调的压缩机、液压助力方向盘的助力泵、用于发电的交流发电机等都需要使用发动机的动力，各机器的摩擦也会损耗动力。
再来说辐射热，就是类似于热量从发动机本身的金属部分释放到大气中的放射热。它们都起不到任何驱动汽车的作用。”
舒焕若有所思：“原来如此。那么为什么汽车发动机发展了近百年，热效率始终在一个学渣的水平上徘徊，提高发动机热效率有这么难吗？”
沈笑夫答：
“难！
受热机理论限制，根据‘卡诺循环’η=1-t2（低温物体）/t1（高温物体），所以要提高热效率，从公式上看，是尽可能降低低温和提高高温，但在发动机上要想做到这一点很难。
所以发动机热效率每提高1%都非常困难。”
舒焕没有听懂，摇摇头道：“太高深了。就没有简便易行的办法吗？”
沈笑夫答道：
“有啊！
比如，稀薄燃烧！空气和汽油的理想混合比率是14.7∶1，稀薄燃烧就是指利用小于这个比率的汽油量启动发动机。
还有就是混合动力汽车，启动发动机以外（如空调）的压缩机时不需要借助发动机。
再就是把利用发动机动力的液压助力，方向盘替换成电动调节方向盘，这一方法也广泛应用在了汽油动力车上。”
舒焕点点头：“哦！这样子啊！这么看起来，燃油汽车确实浪费很大！”
沈笑夫：“是呀！电动车是方向，是有道理的！”
舒焕沉思了片刻又抬头问道：“沈哥，我看了一个资料，说是汽车如果没有油门，效率更高。这是真的吗？”
沈笑夫点头道：“是真的！为了降低油耗，汽车生产商们甚至想要拆掉油门。”
舒焕好奇的表情再次浮现，赶紧问道：“啊！为什么会这样子呀？”
沈笑夫说道：
“老司机都知道，平时开车时，一般无需将油门踩到底，即使在高速公路上也很少如此。
只有在需要急加速等极少数情况下，才会考虑是否将油门踩到底。
也就是说，平时开车时，油门的开启程度多处于停车时的怠速状态和急加速时的完全开启状态之间。
因此，在大多数情况下油门的存在都会阻碍空气的流动。
这就催生出了一种新的调节空气量的方法，即拆掉阻碍空气流动的油门，通过调整进气阀的上下移动程度控制空气量。
怠速时只需吸入少量空气，因此只要稍稍下压进气阀即可。”
舒焕道：“我明白了，就是要时时刻刻保持轻踩油门。油门踩得轻，空气阻力就小。是这样吗？”
沈笑夫说：
“是的。
在日常行驶中，也只需将进气阀下压到中间位置。只有在需要急加速时才会将进气阀下压至最低点。
阀门的移动程度都由电脑控制。
说到这里你可能会产生疑问。之前我讲过推动进气阀上下运动的是凸轮，如果不像vtec那样改变凸轮的形状，就无法改变进气阀的上下移动程度。
这时就需要加装一个装置，将凸轮的旋转以偏离中心的状态传递至进气阀。
所谓偏心，是指偏离凸轮的旋转中心。
由于普通的凸轮轴无法实现偏心，因此就需要加装一个充当桥梁作用的装置，使得凸轮的旋转不同于一般的鸡蛋形凸轮。
我们把这个装置称为可变阀门升程装置。”
舒焕“哦”了一声，继续安静地倾听。
沈笑夫说：
“2001年，德国的b公司开发出了这一装置，随后其他的汽车生产商纷纷开始使用。
你或许会想，这么好的方法为什么不早点采用呢？
无论是之前介绍过的搭载低转速和高转速两种凸轮的vtec，还是拆掉油门的方法，在设计者的头脑中都酝酿已久。
但是，从精密的电脑控制和传感器技术，到将装置小型轻量化并嵌入发动机内部，再到保证这些装置的耐久性，都必须依靠成熟的技术。
甚至可以说，如果成本太高，将无法应用于市售车。”