还有一个视频，里面的动画基本上也演示得比较清楚了。法拉利F12tdf跑车 发动机工作原理演示（法拉利V12的发动机都有这个技术，包括Laferrari和F12以及F12tdf，视频中展示的是最新的F12tdf。我知道有人会说我上面这张图片是放的V8。。。（而法拉利的V8其实没有可变进气歧管）是因为选来选去就这张比较好看。。。而且这就是个示意图，他上面也有小盒子。。。所以就放他了。。。）
最后再提一句，发动机直喷与否也会影响进气效率，而且也是在发动机转速全域。直喷的发动机会高百分之3-5左右，这也是为什么这些年自然吸气发动机直喷化以后，动力会提升5%左右（比进气量的提升要多是因为净结果是进气量乘以效率，直喷让效率也能轻微上升），主要是空气吸进来的多了。原因就是由于在汽缸内直接喷油，这样一来，基本上喷油蒸发的全部能量都能被转化为缸内气体温度的降低，所以进气密度会大，而这在非直喷发动机里是不可能的，因为在PFI（非直喷）发动机里你真的是在喷油冷却进气歧管而不是空气（因为PFI是喷在进气歧管和进气阀门后背的，隔壁就是燃烧室，温度很高）。
直喷方面的另一小点注释：
从另一个角度讲，直喷导致的更低的进气温度也是为什么这些年小排量涡轮着增压发动机一定要直喷化的原因，不然无法较好地在目前的全油门增压值＋较高压缩比（10-11）情况下抑制爆震。其实随着近两年downzing程度的增加，大家已经开始在W.O.T的时候用retard点火正时的方法来弥补过高的爆震趋势了（即说明直喷在这方面的贡献也用尽了），但这显然已经在降低W.O.T效率了（说明downsizing的压力已经使得另一端（在保证最大动力上）触碰到了一个constrain（平稳燃烧，即不发生爆震）），更有甚者在这种情况下催生出了宝马喷水抑制knocking的方法。。。不过这说得更远了，可以单开文章说如何评价小排量涡轮增压发动机省不省油，为什么欧洲先会有这个技术路径之后日本follow，以及未来燃油动力系统趋势是什么之类的）
1.1.2 单位空气能喷多少油？
有了吸入空气的量，我们就可以来喷油燃烧空气中的氧气了，不过这里面也是有一个小的自由度的，到底喷多少？因为燃烧需要燃料结合空气中的氧气，所以理论上应该是喷正好能够消耗（燃烧）完吸入汽缸空气中氧气的汽油量（lambda 1）。但是追求性能的工程师很快发现如果稍微再喷多一点儿，能够释放的总能量是最多的，这一点儿是指多喷百分之5％左右。所以在很长一段儿时间内，汽车喷油都是薛微多于进气量（中的氧气能够完全燃烧）的。当然代价是效率低，因为可能100份的油可以产生100份的能量，但是你喷105份的油（在还是只有100份空气的情况下）可能只能产生103份的能量，能让你多出3%的总能量但是转化效率低了。之所以是这样的原因简单来讲就是燃烧这个化学反应是有上百个顺序反应和副反应的可逆过程，多喷油能诱导前几步的的化学反应，碰巧前几步又是释放能量的主要反应（产生CO的那步）。副作用就是由于氧气不够了所以后续反应无法进行，就会有很多没烧完的碳氢化合物（汽油燃烧的中间产物），导致排放上去。所以说在没有排放法规之前，都是用这种喷油方法的，包括现在赛车里面都是这样，因为动力最多，同时排放没有顾忌。但是不幸的是（从产生动力的角度），从十多年前欧1开始，由于必须要满足日渐严苛的排放法规，对于汽油机低成本可靠的就一条路，三元催化，而使用这种催化剂的要求就一个（其实还有温度够高），喷油量要控制在lambda 1（小于1过浓无法氧化CO和NOx），也就是刚好燃烧空气中的氧气的量。所以对于现代发动机（最近十五年以内），喷油量只严格取决于进气量（normalized以后1：1，净比值1：14.7），但是纯从产生动力来看，这不是最优化的方法，是目前基于环保法规要求的结果。（看到评论里的留言，说现在的发动机全油门是加浓15%而不是lambda1，我想说从冷却发动机（也就是实际）的角度来说是这样的。但是我们这里主要的目的是给普通受众一个发动机的整体概念，让他们能知道喷油是和进气是成正比的，同时现在有三元催化的存在。所以这里请各路大神理解一下，咱们就假设lambda1，因为也不影响对回答这个问题的讨论）
好了，对第一个因素喷油量做一个简单的总结。现代发动机喷油量，由于排放的原因（三元催化），严格等比例取决于进气量。而（最大）进气量，是发动机进排气特性所导致的随转速变化的函数儿，在传统自然吸气发动机上呈现出抛物线的形状。改良的配气机构（air-path devices）（等长，抛光打磨，可变气门正时升程，可变进气歧管等）及直喷化能够不同程度地提升进气效率。就单从转速变化来看，传统发动机固定的气门正时和升程是导致进气效率随转速呈现抛物线变化的最主要原因。
（友情提示：到这里如果你思路还很顺畅完全跟得上，请继续往下看，如果有一些混乱建议可以再看一遍上面的内容，其实不是很复杂，只是如果第一次看的话可能会需要一些时间理解。只需要保证，到这里你自己明白，上面我们在谈总量（喷油）的事情，下面我们要说有效转化率了）
1.2接下来就该说说发动机转化效率了。
上面的所有都是在讲，你到底能把多少燃料（汽油），也就是能量带到发动机气缸里面来，接下来就是你能把这些能量中的具体多少比例，转化为有用的机械功输出。两者相乘，也就是汽油的能量乘以这些能量的转化效率，就是发动机输出的扭矩（本质上就是有效能量）。
首先到了这步，先回答提问者的一个问题，现代发动机一般情况下，基本上不太存你提到的所谓的不完全燃烧的情况。如果有，目前这个数量级在1-3%（的全部汽油）左右，也就是基本上没有什么燃烧不完全的汽油，因为现在的发动机都是lambda1的喷油加上比较成熟的燃烧室设计（活塞和汽缸盖设计），不能避免的1%或者更少比例是因为压缩冲程被挤到活塞环下面或者溶入润滑油里面的HC（碳氢化合物）躲过了火焰传播，在做工和排气冲程自己又由于平衡（化学和物理的）跑了出来。所以在转化率这部分我们假设在燃烧室内的汽油完全燃烧，损失只发生在能量转化的过程中。
那么说回到转化率的问题。这是个比较系统和复杂的问题，好在目前发动机界已经有了很系统的归纳方法。发动机的效率是几个效率的乘积，包括第一理论效率（只由热力学循环类型（diesel/otto/sabathe等）和压缩比决定），第二指示效率（indicated efficiency，主要由燃烧速度和热损失决定），第三机械效率（由摩擦和泵吸损失决定），这三个角度非常独立但是又互补全面地总结了发动机能量转化的过程（注意这个归纳也直接适用于涡轮增压发动机）。这里不会再每一项进行展开和解释，只解释（随转速变化会有影响的）相关项（像进气和喷油一样全部展开有点儿多。。。）。由于我们在讨论同一款发动机最大扭矩随转速变化的关系，所以我们自然掠过了理论效率（同一台发动机自然是一样，类似上面进气效率中直喷，抛光进气道，等长排气歧管等的性质。前者让在全部转速下的能量转化率整体提高或者降低，后几者让进气效率在全部转速下整体提高或者降低）和机械效率中的泵吸损失（因为W.O.T所以几乎0泵吸损失）。这两点我会在其他问题里，在合适的背景下中讲解理论效率（属于发动机热力学本质，T-S图）和机械效率中的泵吸损失（属于发动机动力输出及效率在恒定转速下随扭矩输出变化的变化）。所以现在的问题就变得比较明确了，就需要搞清楚随着转速的变化，在全油门情况下发动机燃烧速度和热损失，还有摩擦的变化关系，幸运的是这几点都比较好理解。
首先摩擦是最好理解的，随着转速的上升而上升，具体关系一般工程上我们用一个二次表达式来近似。
燃烧速度和热损失需要单独的分析。之所以燃烧速度会影响效率，是因为燃烧速度快的话燃料释放的能量可以更多地可以被转化为动力，不然没有被转化为动力就会被留在排气里以高温的形式（排气内能）浪费掉，这是热力学上最严谨的理解，在T-S图上看到的就是燃烧的速度越快释放能量的面积比例越大。对于很多汽车爱好者，更简单的是从力学的角度来理解这个问题，在上止点（活塞运动顶部）附近的位置发力才是最适合活塞动力转化的（发力），燃料和空气混合之后燃烧的速度必须要足够快才能够赶上在上止点位置附近的活塞上做工，如果燃烧速度慢，等到燃烧室内的气体高温膨胀做工的时候，活塞已经下行远去了（因为发动机在运转，燃烧需要时间），动力就没有被很好地转化释放。这个问题也可以比喻为，当你骑自行车的时候，大腿发力的角度只有一个是让你感觉最适合最舒服的，太高或者太低都有使不上劲儿的感觉，发动机活塞做功也是类似的。经过系统的建模分析，有很多因素会影响发动机的净燃烧速度（燃烧速度和平均活塞速度Mean Piston Speed的相对关系），这里就不展开公式了，只需要知道净结果是随着转速的上升，燃烧速度基本能跟得上活塞速度的上升（因为燃烧速度受进气turbulence影响，而进气turbulence受转速影响），但是转速过高的话燃烧的速度（的增加）就不够快了。
散热是另外一个重要的因素，散热多，在做工的过程中就会有很多能量通过汽缸壁散热的形式损失掉，被冷却水带走，导致汽缸内的空气温度降低内能减少，压强也就减小了，从而减少做工。经过系统的建模分析，有很多因素会导致发动机做工的时候产生散热，这里也不展开公式了，只需要知道净结果是随着转速的上升，散热（损失的能量）的比例会减小即可（可以简单理解为转速越高，留给一个做工循环散热的时间越少）。
以下示意图中展示了燃烧需要时间以及热损失这两个事实，以及他们导致的在功能转化过程中的能量损失。（燃烧非瞬时导致PV图形状非最优，热损失导致PV图中整体压强下降，两者随转速变化趋势即见上两段讲解）
所以对效率的整体趋势总结一下就是，发动机转速过低，过大的散热会让发动机效率降低，过高的转速由于摩擦的增加以及燃烧速度提升的乏力也会让发动机效率降低，所以就发动机能量转化效率来说，基本上也呈现一个随转速变化的抛物线形状。
2. 传统自然进气发动机的最大扭矩在一个点。
以上讲述的两大部分就是整个儿发动机工作原理的自然划分。这其中包括外部循环（external cycle）中的配气机构（air－path）和喷油机构（fuel－path），这两个决定了你能有多少可燃气体，也就是能量。然后这个总量再和效率，也就是发动机的内部循环（internal cycle）导致的能量转化效率，相乘，也就是把两者的影响叠加，得到的就是发动机的动力输出随转速变化的结果。不难理解，这两个随转速变化的抛物线如果相乘叠加，得到的还是一个抛物线（只不过两头更低），所以其最大值必然在一个特定的转速。如果用示意图做一个简单的总结，就是下面这张手绘图中所表达的。（我画得比较丑，这个先天不足。。。各位凑活看吧。。。）
所以回到开头的解释，发动机最大扭矩只爆发在一个特定转速，是因为这是影响发动机扭矩输出的各个因素（随着转速变化）相互作用的净结果，高于或者低于这个转速，（多个因素中）都会有一个显著的因素恶化，降低扭矩的输出。这里所谓的各个因素，就是上文（和上图）两部分中所分析（和展示）的。
如果明白了以上所表述的这些，其实还可以明白很多简单地道理。比如发动机改装就是把上面所讲到的每一项能够提升发动机动力输出的因素做改进。同时发动机为什么会有怠速和红线也变得很好理解。怠速就是发动机的一个转速的下限，如果低于这个值由于内部过大的热损失，动力输出就开始变得不稳定，也就会导致转速的不稳定（抖动）。类似的，红线就是发动机的一个临界转速值，从这里开始随着转速的上升，燃烧效率的提高（速度，散热）抵不过摩擦的增加同时进气也会减少，扭矩输出就会掉下去（显然，这个具体的度就是扭矩输出随转速变化的曲线和某条等功率线相切的时候），再提高转速也就没有意义了。
3. 装配了可变气门正时升成，还有可变进气歧管的发动机有更宽广的扭矩输出范围。
如果你能看到这儿想必已经明白了即使对于有些自然吸气发动机，扭矩输出也可以呈现出一个宽广的范围，原因无非就是可变配气机构在很大范围内弥补了发动机的进气量。在上一张图片的基础之上，下图中的红线就是装配有可变配气机构的发动机进气和扭矩输出的示意（在过低和过高处可以得以一定提升）。
举一个我开过车型里面可变配气机构给我印象最深的车型吧，其实很多车现在都有这个功能但是很多车开起来真的不是很明显，可能是因为确实可调整幅度不大或者有些车可能是因为动力本身就比较小开着也没感觉。给我印象最深的是奔驰的M276的3.5自吸，这个发动机看扭矩输出图在3500-5000rpm都有375NM的输出，但开起来感觉发动机扭矩平台比这个还广，即使两千多转也非常有力，关键是开起来完全不像只有这么点儿动力的车，在CLS350上感觉开起来像一个加速5秒出头的车，更不用说CLS的行驶质感，让人非常享受。对于民用发动机来说，真的还没有遇到过另一辆车感觉动力和匹配能够做到这个级别。
下为3.5升V6的奔驰M276发动机扭矩图，可以非常清晰的看到可变配气机构所产生的小扭矩平原。（显然，图中左侧纵轴为扭矩，右侧纵轴为功率单位）
