
“熱效率”是燃油汽車(chē)總在討論的問(wèn)題,想要高性能需要高效率,想要低油耗也要高效率,可是內燃機的熱效率究竟能達到多高的標準呢?
量產(chǎn)發(fā)動(dòng)機的最高標準沒(méi)有超過(guò)47%,目前來(lái)看還是比亞迪的第五代DM技術(shù)實(shí)現的46.06%的標準最高,大部分發(fā)動(dòng)機的標準都在35%左右。柴油機的熱效率在35%~45%區間,也不是非常的高。
有沒(méi)有什么辦法能讓發(fā)動(dòng)機的熱效率大幅提升,如果能提升到一半甚至現有水平的一倍,燃油車(chē)的未來(lái)又會(huì )是什么樣子呢?
內燃機的熱效率高不了,這是很無(wú)奈的事實(shí);目前仍舊躺在實(shí)驗室里的超高熱效率發(fā)動(dòng)機也就是50%出頭,其使用了材料是“陶瓷復合材料”,這里所謂的陶瓷和用來(lái)燒制瓶瓶罐罐的陶瓷概念不同,這是一種高標準的納米復合材料,制造成本是非常之高的。
而即使這種陶瓷發(fā)動(dòng)機的熱效率也只是50%左右,到底是什么限制了內燃機的熱效率?!參考下圖。
進(jìn)排氣損耗、磨損損耗、冷卻損耗、燃燒充分性的損耗,幾個(gè)損耗里的最夸張的就是“冷卻損耗”;所謂的內燃機或外燃機都是“熱機”,依靠燃燒燃料產(chǎn)生的熱能,通過(guò)復雜的機械結構再轉化為機械能,也就是動(dòng)力。
熱力學(xué)第二定律說(shuō)明了熱能會(huì )從高溫物體傳導至低溫物體,燃油燃燒的火焰溫度非常高,汽油可以達到1200℃、柴油可以達到1800℃,可見(jiàn)產(chǎn)生的熱能會(huì )有多夸張;而發(fā)動(dòng)機的機體溫度遠遠低于火焰溫度,可發(fā)動(dòng)機的材料也有極限,超過(guò)閾值就會(huì )融化,所以材料會(huì )大量吸收熱能但還不能只讓材料吸收熱能,于是就需要冷卻系統。
冷卻系統分為兩部分,其一為外部電子扇和氣流從外部吸收機體熱能進(jìn)行降溫,其二是內部的防凍冷卻液吸
那么想要提高發(fā)動(dòng)機的熱效率,核心就是減少冷卻損耗,減少的方式是提高發(fā)動(dòng)機材料的耐熱極限;目前看來(lái)能選擇的高標準材料極其有限,納米陶瓷復合材料可以考慮,但是用這種材料打造的發(fā)動(dòng)機的成本會(huì )高到離譜。
于是內燃機進(jìn)入死循環(huán)了,高效率內燃機的制造成本奇高,是沒(méi)有普及的可能性的,普通材料的內燃機熱效率高不了,動(dòng)力和油耗的極限很低。
收燃燒產(chǎn)生的熱能從內部降溫;只有這樣才能保證發(fā)動(dòng)機材料不被熔化而損壞,但這樣也會(huì )損耗(吸收)掉大量的熱能,可以轉化為動(dòng)力的部分則會(huì )大幅減少。
期望提升內燃機的熱效率并不現實(shí),除非材料學(xué)有突破,可是突破不了;所以只能在現有材料的范圍內,用其他技術(shù)打造出高效率的發(fā)動(dòng)機,實(shí)現高效的方向是“不燒油”!
比如電動(dòng)機。
電機通過(guò)動(dòng)力電池組輸入到電機繞組的電流形成電磁場(chǎng),通過(guò)與永磁體的磁極或另一組線(xiàn)圈的磁極“互斥”就能驅動(dòng)轉子運轉;結構可以非常的簡(jiǎn)單,重點(diǎn)是轉化機械能的原理是磁場(chǎng)而不是熱能,冷卻損耗的問(wèn)題解決了。電子的結構又很簡(jiǎn)單,機械阻力損耗也是極低的。
于是電機的“熱效率”極限就可以非??鋸?,超高標準的永磁同步電機可以達到97.5%!這是內燃機無(wú)法企及的高度。異步交流電機在高轉速區間的損耗較低,如果用異同合作的話(huà),電驅系統的效率會(huì )非常理想。
用普通的材料就能打造出高效率、高性能、低能耗的發(fā)動(dòng)機,似乎再沒(méi)有理由去費心的研究?jì)热紮C了;現在亟待突破的是動(dòng)力電池的制造成本,只要能打造出高密度低成本的動(dòng)力電池,電動(dòng)汽車(chē)可以直接替代燃油汽車(chē);
在此之前則只需要用插電混動(dòng)技術(shù)和增程技術(shù),讓內燃機在車(chē)輛中的角色成為“發(fā)電器”,機器以低轉速運行轉化出不多的電能,以滿(mǎn)足高效率的電機正常驅動(dòng)汽車(chē),這個(gè)模式等同于讓驅動(dòng)系統的熱效率達到極高的標準,所以不用再糾結內燃機了。