活塞引擎 7：功率與效率

什麼叫功率呢？就如同它的字面意義，是做功的率。 這個功也就是能量的其中一種表現方式，如果沒聽過功或能量的話，可以暫時理解為產生的動力； 那麼功率也就是機器產出動力的速度了。 那為什麼我們不直接講力不是更加直白嗎，為什麼要講什麼能量呢？ 的確看力的大小是比較容易理解的，套用在轉軸上也就是力矩，只要小學高年級程度就能夠理解， 但是如果只看容易理解的力或力矩大小，其實反而會產生更多更加複雜化的問題。 比方說用在 F1 賽車上的引擎軸所產生的力矩普遍偏小，基本遠小於一輛 3.5 頓卡車引擎軸的力矩， 然而我想應該沒有人會認為 F1 賽車的引擎動力比小卡車還要低！ 這是因為一顆引擎它可能產生的力矩不大，但是人家活塞動的快； 也有的引擎活塞動的不快，但人家汽缸大啊。 於是會發現，車子跑的快不快、引擎有動力沒動力， 其實不能只靠其所容易被理解的力與力矩來判斷，除了轉軸力矩之外還往往需要一並考量引擎轉速。 甚至於在變速箱的作用之下，低扭力(就是引擎軸力矩)但高轉速的引擎一樣可以拖動大負載。

既然不能夠只看發動機產生的轉動力矩也就是扭矩來判斷動力輸出的大小程度， 也不能夠只看轉速來判斷， 那麼我們就需要一種指標數值來良好適當的指示某一臺機器所輸出的動力大小； 又既然發動機就是一個將化學能量轉換為機械能量的轉換裝置， 那麼我們就直接以產出的能量大小來評斷所謂的動力輸出大小吧。 這就是為什麼發動機總是喜歡用功率來表示能量輸出的原因了， 因為這個「功」其實就是能量的眾多表達形式中的一種，也就是機械能的表現形式。

那麼功就功吧，我已經知道它是一種能量的單位了，那為什麼又要來個「率」呢？ 如果單單只看能量值也就是功的輸出其實意義有限，就好像在瓦斯爐上面燒一壺水一樣， 就算用的是小瓦斯爐，只要給它足夠的燒煮時間，一樣可以燒開一大鍋水。 因此我們通常關心的其實不是瓦斯爐能夠產生出多少熱能， 而是關心它在一個時間範圍內所能產生的熱，也就是熱的產生率。 因此發動機也是一樣的，其實我們關心的不是發動機所能夠產出的能量， 因為只要給它足夠的運作時間，小小發動機一樣能夠產出大大的功。 所以我們更加關心，也是用來評比一臺發動機的動力大小的指標， 就成了發動機它做功的速率，也就是功率。

從上面的示意圖中，注意到標示的「廢熱」這個部份， 它是發動機運作時產生的無用副產品，卻昭示著發動機的另一項重要性能指標 — 效率。

截至目前為止，人類造不出完美的機器，因此各種損耗也充斥在人造的機器中。 我們的機器作為一種能量轉換器它並不能夠完美的轉換能量，而是會有一定程度的折損。 比方說我們丟入一公升的燃料，燃料燃燒能產生出 1000 焦耳的熱能， 理論上完美的神造機器就能轉換出 1000 焦耳的機械功從引擎軸傳出去， 但是我們人造的機器卻可能只能轉換出 300 焦耳的功， 因此轉換率就是 300 / 1000 = 30%。 這就是所謂的能量轉換效率，也就是引擎效率， 或者因為我們的引擎絕大部份都是以機械和熱膨脹等原理運作的， 所以經常也能看到其它文章裡會以「熱效率」稱呼之， 只不過不管用詞如何，其所表達的就是輸入能量與有效輸出能量的轉換比例。 其計算原理也很簡單， 效率的根本定義就是： 你投入了多少熱能(也就是燃料)，然後產生了多少機械功輸出，兩者的比例關係即為轉換效率。 將投入熱量作為分母、產生的動力作為分子，兩者一除， 就得到了一個介於 0 到 1 之間的轉換效率數字，此值也能以百分比表示。 效率數值愈高表示引擎效率愈好，也就愈省油。 (實際上目前所有現存燒油的發動機，這個效率都不到 50%，通常約在 20% 至 40% 左右)

我們現在知道了引擎的能量轉換效率不是 100%，而是會產生一些折損， 而且以目前的科學技術水準來說通常這個折損還是過半的！ 但是能量應該是守恆的，就如同質量守恆一樣，能量既不會憑空產生，也不會憑空消失， 那麼這就奇怪了，我們所謂損失的那些能量去了哪裡了呢？ 確實能量不能無故消失，而且也並沒有消失， 只不過是有部份的能量被轉換成了我們無法利用的能量罷了！ 意思就是說燃料燃燒出來的熱能，只有其中一部份被引擎轉換成為能夠被利用的機械功， 而另外的其它部份則轉換成了我們無法利用的能量。 因為無法捕捉並利用這些能量，因此這些能量就逸散出去外面，成為上圖所示的副產品：廢熱。

關於無法利用的廢熱，我們先從比較容易理解的部份來說明。 在活塞運動中我們將氣體膨脹的壓力傳遞給活塞，讓活塞去推動後面一系列連桿、曲軸等機械， 這些機械結構彼此互相的摩擦運動都在消耗著活塞所傳遞出來的能量， 所以可以說這些機械結構的運動過程消耗掉了一小部份理想上可以往後傳遞輸出的機械能。 而小學生都知道，摩擦會產生熱，也就是說這些機械結構在將能量從活塞傳遞到輸出軸的過程中， 對這些能量抽了一點稅，並將它轉換成摩擦熱能，使引擎發熱了。

不過實務上，齒輪與機械結構的能量傳遞效率非常高，掐指一算大約都有 98% 以上， 所以其實這些機械結構摩擦所偷走消耗的能量只算是皮毛而已， 而真正摩擦消耗掉更多能量的其實是活塞與汽缸。 為了保持密封的緣故，活塞與汽缸壁之間其實卡的有點緊(主要是活塞環)， 因此會產生很大的摩擦阻力，至少相比於連桿、曲軸、齒輪這些零件的阻力來說是大得多的多了。 雖然為了減少活塞運動的阻力，人們已經發明了接觸面積相對比較小的活塞環， 還對活塞汽缸之間噴上機油等做潤滑處理，已經最大程度的減小了活塞的摩擦消耗， 但是活塞摩擦所產生的耗損依然無法被忽視； 而這也是為什麼現代強調省油的汽車，都會儘量減少汽缸數量的主要原因之一。

雖然活塞與汽缸壁之間的摩擦已經夠大了，但其實把活塞、和其它所有機械零件的消耗加總起來， 吃掉的引擎動力在整個引擎產生的廢熱裡其實也不過是零頭而已， 而廢熱產生的真正主要大頭其實來自於發生在汽缸裡面的壓縮、膨脹、與燃燒反應。 這一個部份比較難理解，至少不像機械摩擦消耗動力並產生熱這樣這麼能夠直覺的想像， 其中比較詳細的原理我會在下一篇章進行探討，這裡只說個比較能夠容易理解的大概。 汽油與空氣混合的氣體被點燃後成為高溫高壓的氣體，請注意這裡的「高溫」與高壓， 因為只有壓力被我們用來推動活塞，至於氣體的高溫對於推動其實一點用處都沒有， 然而它的升溫確著實吸收了燃料的能量； 矛盾的是，如果不對氣體加熱，又如何使氣體產生壓力呢？ 於是為了得到高壓氣，我們必須得加熱， 這些吸收了大量燃油能量而升高的溫度卻無法被加以利用， 只能無奈的將這些吃飽了而溫度上升了的氣體給排放出去。 而這，其實才是引擎廢熱的最主要產生來源，也是吃掉引擎效率的主要罪魁禍首！

我們這裡看發動機就是一個能量轉換器，將燃料的化學能轉換成機械動力，順便產生一些廢熱。 如同上面所說，效率指的就是上面這個能量的轉換率， 轉換率愈高的引擎其效率就愈高，運轉起來就愈不會發熱。 假如有一個真正理想的效率 100% 發動機，那麼它在產生動力的同時，引擎本身一定是不會升溫的； 相反的，如果一個引擎產生動力的同時自身還變得燒燙，可能還大量排放高溫廢氣的話， 那我們就能知道它的效率一定不高。 (所以電動馬達的效率是非常高的，轉起來也幾乎不會燙，完全符合假設條件； 即便有些人可能會說馬達轉起來也是會發熱的，甚至有些馬達還會需要散熱片， 但是馬達的發熱量對比汽、柴油引擎的發熱量而言，那幾乎就可以算是不會發熱了！)

我想對於許多孩童到學生階段的熱血男孩而言，可能更加關心的是引擎的總功率吧！ 畢竟只有足夠大功率的發動機，才能夠帶動汽車在賽道上疾馳， 帶動戰鬥機在空中高速飛行、進行炫麗的大角度機動動作， 或者推動萬噸級別的重型武裝船艦在一望無際的大海上進行艦隊搏殺！ 但其實在表面的鬥志昂揚之下， 發動機的熱效率同樣關乎著從武器裝備載具到尋常家用交通工具的重要屬性！

一臺發動機的功率往往是需要給油來產生的。 前面我們探討過了，動力不會憑空出現的，一切強勁的動力其實根本源自於給了多少燃料。 所以當需求的動力愈加強大時，其實只代表一件事：你必須要供應上足夠的大量燃油去給發動機消耗！ 這時如果一臺發動機的熱效率過低，就表示你需要供應更多的燃油才能夠產生出同樣的動力， 並且其中的大部份其實是被無用的發熱散發掉了。 如果我們能夠竭盡可能的善用巧思去改善發動機的效率，那麼對於民用與商用的需求來說， 行駛同樣的距離將會消耗更少的燃料，也就是省錢，這可能也是大部份市井小民最在意的一件事。 對於軍事用途來說，雖然在某種程度上，軍事用途往往表現的好像不差錢似的， 只要能夠產生足夠的性能，這個錢嘩嘩的燒好像都不會心疼。 然而其實事情也並不完全是這樣的，當軍用發動機的效率過低的時候， 有時候耗油燒錢真的事小，但是影響戰機的航程這事情可就嚴重了！ 效率過低的發動機即便能靠著土豪般的吃油如喝水一樣產生強大推力， 但過大的消耗量將會給戰機產生一個嚴重的問題：短腿，跑不遠，也就是續航里程不夠長。 我想對於通曉各種軍事歷史與軍武的愛好者來說，短腿導致的戰場劣勢應該不需要再多解釋什麼了吧？

所以效率這件事情不管放在哪裡其實都是非常重要的性能指標， 一個效能高的引擎在直接上的意義意義就是， 能在提供相同動力輸出的前提下，比別人更加節省燃料的消耗； 或者在同樣的燃料消耗率之下，能提供比別人更多的動力輸出。 在民用用途上，省油的引擎可以節省燃料的消耗量，減少成本的支出， 可以使運輸服務成本更加低廉，也可以減少廢棄排放，更加保護地球； 而對於家裡的爸爸媽媽來說更加直觀的感受， 可能就是能夠減少每個月從錢包裡掏出來給車子加油的鈔票數量； 對於軍事用途來說，省油的引擎同樣能夠節省軍費的開支， 即便是在花錢不手軟的戰爭行動中，省油的引擎能夠給予各種武器載具擁有更遠的作戰範圍， 或者能夠滯留空中更久的時間。

還有一個和引擎效率有關，可能比較常見的混淆，就是「省油」與「效率」之間的關聯。

簡單說就是一個配備高效率引擎的車輛不一定省油，一個省油的車輛也不一定配備有高效率的引擎。 其實可能會產生的混淆，在於「省油」這個詞往往與語境有關係， 白話的意思就是不像是「效率」一詞具有比較嚴格的定義，其就是投入與產出的比例， 而「省油」這個詞的意義則往往依賴於說出它的時候腦袋在想什麼有關。

比方說我們說一輛大巴士省油的時候，旁邊小朋友可能就會冒出疑惑了， 明明看著這輛超大巴士嘩嘩的在燒油，我們加油一次一千元，他們加油一次一萬元，怎麼就省了呢？ 我想小朋友說這話的問題在哪裡，大人們應該都很看得名白。 雖然人家大巴士看起來燒油燒很兇，但是人家的動力需求也大呀， 一次可以拉 100 人出去，平均下來一趟路一個人才花 100 油費； 我們加 1000 油錢看似不多，但一趟路只能拉 4 人，分下來一個人花 250 油費呢！ 因此從這個例子來看，如果撇除掉大小車輛呆重的影響因素的話， 那麼這輛大巴士搭載的發動機很可能就比那量小車的引擎具有更高的能量轉化效率。 (然而事實上大車小車造成此等差距的主因可能還是來自於車輛呆重的差異，不過本篇的重點不在此， 所以就姑且當作大巴士的引擎比較高效吧。) 在這種情況下，我們一般認為大巴士會比較省油， 因為如果要用小車同樣運送 100 人，油費就會是 25000，肯定是費油的！

上面的例子很符合效率與省油之間的關聯性直覺，那麼我們再看另一個例子。 今天我想出去散散心晃兩圈，這時我應該要開大巴士出門呢？還是開小車出門呢？ 延續上面的設定，這時如果你開大巴士出門就肯定費油了！ 因為大巴士引擎的功率大，即便能量轉換效率比另一輛小車高， 但如果只看燃油耗用量的話，肯定還是比小車消耗的多的。 所以在這樣的前後文語境下，我們一般會認為小車比大車省油； 甚至如果有摩托車能夠作為選項的話，還能比小汽車更省， 即便這臺小摩托引擎的能量轉換效率可能比其他二者都還更低！

所以，我們平常也許沒有意識到， 但其實「省油」這個詞作為口與的描述詞，它的意義其實很依賴談話時的上下文、或需求的情況， 而這也給我們提供了另一個設計產品時的想法。 為了省油，除了一個勁的開發上各種神奇科技去提升引擎的熱效率之外， 直接減少發動機的功率輸出，往往能夠省下也許更加可觀的燃油消耗。 這就是為什麼現代的汽車一個個都在縮減汽缸數量的原因， 也是那些看起來很厲害的大功率發動機在民用市場不見得更加吃香的原因其一， 因為如果客戶的需求並不需要那麼大的馬力的供應的話， 直接縮減發動機功率也能夠非常有效的降低對燃料的消耗。

至此，我們應該了解了功率和效率這兩項屬性對於一臺發動機的重要價值。 那麼理想上，我們肯定是要一個功率超高、效率也同樣超好的一部發動機呀！ 可惜在現實世界裡，也不知道是上帝喜歡和人類開玩笑還是怎麼樣？ 你會發現這兩項指標通常難以兩全！ 在體量差不多規模的發動機上， 一部效率高的發動機，往往它能產生的功率就不會大； 相對的如果一部發動機能輸出大功率，那麼往往它的效率就高不起來。 比方說目前人類世界上輸出功率最大的動力系統大概是火箭了吧， 它能把幾十上百噸的酬載加速到 280000 km/hr 的速度送入太空， 然而它的效率一般卻可能只有大約 2% 到 4% 左右； 而像是燃料電池、離子火箭這種高效率的東西，它們產生的功率卻一個比一個還小。 當然你也可以把高效率的發動機造的大一點，這樣它就又高效又能大功率； 只不過它的體積和重量也就一起往上去了……

當然前面只是講一個大概的趨勢，就如同我們用汽缸數量去粗略評估一臺發動機的馬力一樣， 只是一個非常粗略的趨勢關係而已。 實際上在核心原理相同的發動機類型裡，每一個不同設計之間仍然存在著彼此之間的優劣競爭的。 而且目前為止我只有大範圍抽象式的表達了功率和效率兩難的一個現象， 並未深入解釋其中的原因， 不過在未來我們更加深入探討發動機的效率分析、以及往後的其它發動機主題文章裡， 慢慢都會一一展現出造成這些兩難情況的詳細原理。 總之一般來說發動機的效率和功率往往是個不能夠兼顧的性能屬性， 而更多的思考與設計理念往往是在兩者之間做一個怎麼樣的折衷取捨的策略佈局。

最後講到功率上限這件事。 從前面的示意圖來看其實看不出來發動機的輸出功率上限這回事， 那是因為我們將發動機視作一個黑盒子，左邊投入燃料給它吃，右邊它就會產出動力。 然而實際上這個黑盒子內部的實現原理決定了很多表面特性， 比方說以汽缸、活塞為原理基礎的發動機就存在一個比較明顯的發展瓶頸： 動力有個上限並且難以突破，這個我們在往後的篇章會更深入探討。 簡單的說就是，有些發動機的原理結構導致了它胃口不大， 即便理論上依據黑盒子理論，好像只要塞給它更多的燃料就能夠產生更多的功率， 然而現實上發動機卻會告訴你它這小嘴吃不下了！ 這時你想塞給它更多的燃料，然而它卻消化不了； 那麼當燃料消耗的速度有個上限的時候， 依據本篇學到的黑盒子原理，我們也能很容易的得出一個結論： 發動機的功率最高只能達到某一個程度為止！

本篇我們試著使用小學生能夠理解的程度介紹認識了燃油發動機的兩項重要性能指標：功率與效率， 從黑盒子轉換機器理論的角度去重新理解發動機的角色，認識能量轉換率與廢熱的生成， 認識功率與效率所代表的意義，以及初探兩者之間的關聯性和限制。 下一篇我將進一步分析活塞發動機，用更加實際可見的物理和數學原理去計算輸出功率、及轉換效率， 使讀者在本篇可能過度抽象描述的性能特性之後，可以透過更加實際的計算去理解背後的物理原理。