[ 导读] 涡轮与自然吸气引擎各有优势，也都拥有各自的簇拥者。那么对于
普通消费者用户而言，等功率的涡轮和自然进气引擎车型该如何选择呢？
涡轮与自然吸气引擎各有优势，也都拥有各自的簇拥者。那么对于普通消费
者用户而言，等功率的涡轮和自然进气引擎车型该如何选择呢？我们先从内燃机
的热效率谈起。
【卡诺定理】
由热力学第二定律（没有某种动力的消耗或其他变化，不可能使热从低温转
移到高温，可知可逆热机的效率不可能为100%），那么理想可逆热机的最大效率
为多少呢？
由热力学第二定律推导出的卡诺定理证明了两个结论：
1.在相同的高温热源和相同的低温热源之间工作的一切可逆热机，其效率都
相等，与工作物质无关，与可逆循环的种类也无关。
2.在相同的高温热源和相同的低温热源之间工作的一切不可逆热机，其效率
都小于可逆热机的效率。
由此可得到理想热机，即卡诺热机的效率
现实中，这样的热机是不存在的，但卡诺热机模型对于提高热机的工作效率，
仍具有重要的理论意义：提升冷热源的温度差以及让热机工作循环尽量接近可逆
机（Q2到Q1过程的热损失尽量小），都能够提升热机的效率，这正是内燃机研究
努力的方向。
目前最先进的活塞式四冲程汽油发动机的效率能达到40% 就已经非常不错了，
柴油机会更稍高一些。以汽油机为例，汽油燃烧后释放的热量只有不到40% 真正
转换为了可对外输出的机械能，超过60% 的燃烧能量都通过排气损失，泵气损失，
散热损失和机械损失消耗掉了。而且四冲程内燃机的最大效率仅仅出现在某一个
转速区间内（最佳燃油效率点，此时对于四冲程汽油引擎而言，空燃比在16左右，
油气处于稀混状态，即稀薄燃烧），也就是说，我们的汽车在日常行驶中，是很
少有机会能一直处于最高效率的，大多数情况下我们汽车的引擎热效率往往远低
于40%.加上传动系统和变速箱的机械损失（70% ～94% 之间），平均我们消耗掉
的1L汽油（7 元）中，大约只会有1.5 元是真正用来驱动汽车前进的，其他的5.5
元都被无用的消耗掉了，只是为GDP 作出了贡献。
【从上图可以看到发动机在不同转速和负载下，空燃比的变化】
说到燃烧效率，就需要引入空燃比的概念。对于大多数自然吸气引擎而言，
最佳燃油效率点会出现在2000-3000rpm上的某一点（此时空燃比比理论值14.7大，
稀混合气，油少气多，稀薄燃烧更加完全，油耗低，污染小），而最大扭矩峰值
往往出现在3500rpm ～4500rpm 的区间（此时空燃比比理论值14.7小，浓混合气，
油多气少，燃烧相对不完全，油耗高）。
而在最大功率区间，通常在6000rpm 左右，空燃比会更低，大约只有12左右，
此时发动机效率反而是最低的，此时NOx 的排放也是最差的。因此，对于自然吸
气发动机而言，最大扭矩区间与最佳燃油效率区间通常不重合。因此，为了降低
油耗和减少污染，有厂商设计出了在低负载时使用空燃比大的稀混合气燃烧，只
在需要时才提供浓混合气，以提高燃烧效率。比如大众的FSI 自然吸气发动机就
匹配了这种技术。最佳燃油效率点往往会对整车的动力匹配起到重要决定性作用，
一台车身，发动机，变速器匹配良好汽车，厂方标定的经济时速下的发动机转速
往往就在最佳效率点附近。
【N20与N52功率扭矩特性对比】
而对于涡轮引擎而言，涡轮增压导致了引擎的外特性曲线与自然吸气不同，
扭矩峰值平台被平移到更低转速区间，所以涡轮增压引擎往往最佳燃油效率转速
和最大扭矩转速会在某一点重合，这样的好处就是最大功率相当的涡轮与自吸引
擎，在匹配同一辆车身时，变速器的齿比可以更大，从而降低发动机的转速，这
样发动机会有更多时间进入稀燃状态。因此涡轮引擎的脉谱图与NA引擎会有很大
的区别，这导致了等功率涡轮引擎与自然吸气引擎在匹配相同车身的时候，涡轮
引擎可以通过改变变速器齿比或尾牙的齿比获得更低的转速，从而让其发动机在
行驶工况下更有更多时间处于稀薄燃烧状态，从而提升了效率。
另外，等功率涡轮增压与自然吸气引擎，涡轮机的体积和重量都会更轻，也
降低了整车质量。同时因为小排量低缸数涡轮增压引擎的机械损耗相对于大排量
多缸数自然吸气引擎更小（转动惯量更轻，摩擦面更少），比如下面这个例子
（引用自知乎作者，感谢劳动成果！）：
我们来做一个假设：
一台1L自然吸气发动机假设额定输出功率50kW，摩擦功假设40kW，散热等损
失40kW，无附件损失。那么这台发动机的热效率是50/ （50+40+40）=38.46%
涡轮增压后，进气歧管压力提高一倍（2bar，绝对压力），额定输出功率达
到80kW，增加60% ，假设燃烧效率（combustion efficiency ）与自然吸气相同，
因摩擦功损失是转速的强函数，是负荷的弱函数，那么摩擦功上升不会高于60%
（假设60kW），散热损失上升也不会高于60% （同样假设60kW），那么这台发动
机的额定点的热效率是提升的，为80/ （80+60+60）=40%，提升了1.54%.
综上，等功率涡轮引擎的热效率会比自然吸气引擎稍高一点点。
【美国环保署EPA油耗测试规则】
此外，在实际用车工况下，大排量自然吸气引擎在怠速与低转速区间的油耗
相对等功率小排量涡轮增压引擎之间的油耗差距会更多，这也就是为什么在目前
最接近实际行车环境的美国环保署EPA 油耗测试中，匹配N20 2.0T涡轮引擎的2014
款BMW 528i油耗会比匹配N52 3.0 自吸引擎的2011款528i更高的原因。
根据美国环保署的数据，对于同样匹配ZF 8AT自动波箱的宝马5 系车型，新
款匹配2.0T引擎的528i相对于老款3.0 自吸的车型（功率均为245 匹），在城市
和高速工况油耗均有下降（相对自吸引擎节油2MPG约为0.7L/100km）。同样的情
况也出现在新老款的BMW X3 28i车型上：
同样，笔者还找了更多测试样本来验证这个问题：
北美的2012款捷达（即国内的新速腾）提供了2.5L直列五缸自然吸气引擎，
匹配5 速手动档变速器的车型，这款车型在2014年改款后，2.5L直列五缸自吸引
擎被EA888 1.8TSI引擎取代，新老款车型功率相等（均为170 匹），且均匹配5
速手动变速器，传动效率相当。但匹配1.8TSI的新款车型，显然在城市和高速工
况都存在着油耗的优势。三款车型样本对比，可以看到同功率涡轮增压引擎确实
比自然吸气引起更加省油。但对于家庭用户而言，涡轮引擎相对的节油就一定很
重要？未必，小排量涡轮机在油门响应度和动力输出平顺度方面，与同功率自吸
引擎还存在差距，这也是为什么在北美这三款车型的老车主对于涡轮化后的新款
车型并不感冒的缘故——开车爽度变差了，有得必有失。
在商用车领域也有这样的例子，等功率的涡轮机相比自吸车型在运行费用上
就一定有优势吗？
我们以这台定位城际高速交通工具的，装有V10 自吸柴油发动机的五十铃GALA
客车为例：
发动机型式 V10，每缸4 气门，柴油
排量19L
最大功率257kW/2300r/min
最大扭矩1176Nm/1600r/min
缸径×行程127mm×150mm
这台排量为19L 柴油引擎功率为257KW ，而对于涡轮增压柴油引擎而言，一
般只需要六缸12L 左右的排量就能做到与此相当的动力输出了。但这具排量高达
19L 的V10 巨肺真是油老虎吗？据开过五十铃GALA的客车司机介绍，这款车的运
行费用并不比同档次的增压引擎客车高，其高速油耗表现与匹配六缸涡轮机的国
产高速大巴相当甚至更低，综合运行费用反而相对涡轮机有优势，因为其保养周
期比涡轮机长，故障率也较低，而且它的散热能力要好于涡轮机，表现更稳定。
因此这款GALA在高速大巴司机的心目中，地位是很高的。
等功率涡轮与自然吸气引擎，哪个更适合家庭用户选择呢？这个也没有定论，
虽然现在的国际趋势是小排量涡轮代替大排量自然吸气引擎，那也是厂商为了符
合新的排放法规和EPA 测试标准所做出的改变。自吸引擎也在不断通过技术改进
提升热效率，比如SKYACTIV Technology （创驰蓝天技术）同样能够满足欧美严
苛的排放和燃油经济性法规。对于车主而言，同功率的自然吸气引擎车型油耗会
稍高，但在驾驶感受上，多缸大排量的自吸引擎往往带给人更多高级感和驾驶愉
悦感。在维护费用和使用寿命上，涡轮引擎也占不到便宜，如果你期望将一台车
保留尽量长的时间，享受它带给你的快乐，那么大排量自吸引擎依然是你的最好
选择。
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