汽車動力系統:內燃機緣何「大勢已去」,電動汽車有什麼魅力呢?

2020-12-23 汽車科學島

燃油動力汽車電力驅動汽車這兩種動力系統的汽車普及於同一時期,但宿命卻完全不同。電動汽車在百餘年前是被高階消費層級的汽車用戶青睞有加的車型,內外燃機汽車則主要作為工業生產交通運輸工具使用,可以說電動汽車才是最理想的家用車,那麼為什麼會被燃油車最終取代呢?

NVH-電動汽車核心優勢1

電動汽車的普及有兩位歷史上赫赫有名的大人物,分別是託馬斯·阿爾瓦·愛迪生與享利福特。前者是美國歷史上最知名的發明家之一,同時這是一位成功的企業家,因其創造的「愛迪生照明」公司影響力同樣很大。其中還有一段愛迪生與尼古拉·特斯拉的趣聞,簡而言之是愛迪生作為企業家的「姿態」佔有了特斯拉的一些發明。不過這些內容與電動汽車並無很大的關係,重點是愛迪生的鎳鐵電池,以及享利福特創造的「Ford汽車」的合作。

愛迪生一生致力於電動汽車的技術研發與推廣,這件事幾乎是其下半身的主要課題。而其之所以如此執著並不是因為當下電動汽車主要討論的【節油減排】,初期的核心因素是電動車理想的NVH(噪音/振動/聲振粗糙度)的表現,相比外燃機車和內燃機車幾乎是「靜音車」。電動汽車使用的發動機為電動機,這種機器的運轉依靠的是電磁場;以永磁同步電機為例。

電池輸送電流到電動機電磁線圈-靜音。電磁線圈形成電磁場與永磁體互斥-靜音。永磁體帶動轉子運轉輸出轉矩-準靜音。(運行原理參考下圖)

電動機整個能量轉化過程只有轉子軸承運轉時有細微的聲響,而這種「嗡嗡」的聲音就像把F1方程式賽車的引擎咆哮聲縮小N倍——線性而悅耳。但是同期普及的外燃機和內燃機汽車,這些車輛使用的發動機不比今天的「拖拉機」裝備的柴油機體驗更好。外燃機(以蒸汽機)為主已經不再汽車上使用,這種機器不做討論,看一看特徵就好。

內燃機是利用混合汽油在發動機氣缸內部「爆燃」,利用燃爆過程中分子運動產生的推動力,將活塞連杆曲軸這一複雜的系統推動運轉。整個能量轉化過程中不僅是「動態」而且非常「暴躁」,分子的劇烈運動必然會產生連帶機體的共振,振動會引發空氣振動而產生聲波;於是振動會讓駕乘人員感受到不適,噪音會讓聽覺系統的疲勞硬性精神狀態。

內燃機汽車在普及初期的體驗實際還沒有馬車理想,所以使用馬車的用戶自然也難以接受。於是善於「玩電」的愛迪生則想要把電動機搬到汽車上,打造出一臺比馬車NVH體驗好而且性能更強的機動車。這項發明自然是成功了,尤其是在鎳鐵電池即將突破能量密度限制,與福特T型車的融合即將成功的階段,電動汽車成為了汽車工業發展史的未來。然而兩次戰爭徹底改變了全球汽車工業發展方向。

在第一次世界大戰爆發之前,石油開採技術突飛猛進,然而卻沒有多少汽車使用。為了讓這些能源可以創造價值則必須打壓電動汽車,於是出現了一次非常殘酷的「競爭」,愛迪生的電動汽車工廠「走水」導致核心技術資料以及試驗車輛付之一炬,技術研發出現了必然的「斷更」。隨之而來的又是一戰,電動汽車在這一節點沒有能為戰場提供車輛,燃油車水順推州;之後則是二戰,韓戰、越南戰爭,以及近現代圍繞石油展開的局部戰爭。

因兩次戰爭造就的燃油動力汽車-熱效率決定了必然被淘汰

內燃機即使經過了百年技術升級,至今在NVH仍無法做到高水平的前提下,熱效率仍普遍低於40%。熱效率指燃燒固定單位的燃料產生的總熱能,其中能夠轉化為機械能(有效功)的比例;簡而言之內燃機有超過60%的熱能是被浪費的,那麼也就是說一升石油浪費了0.6升,這是巨大的浪費。

這造成的結果是全球石油探明儲量不足2000億噸,全球年均消耗量超57億噸,如果內燃機的熱效率沒有突破性升級(實際不會有)的話,石油儲能僅足夠全球消耗34年左右。在這一階段中必然會出現的場景不難預測——圍繞石油展開局部直到全面的戰爭。而想要規避戰爭則需要找到替代能源,遠離這一個「是非圈」。

而以目前科技等級能尋找到的替代能源,並且能直接驅動小型發動機的能源——只有電能。因為電可以從大自然無限獲取,比如水流不止發電不止的三峽水電站,各地都有普及的光伏和風能發力,地熱能、潮汐能、生物質能與核能等等,這些能源可以從宇宙無限獲取,那麼電能自然也就可以無限獲取了。於是技術發展方向再一次指向了電動汽車,汽車的NVH將會再一次回到高水準,同時節能標準以及動力體驗也會得到升級。

電流傳輸的速度僅次於光速,電動機藉助高速的電流剎那間形成電磁場,其優點是在起步第一轉就能爆發最大扭矩,這是最優秀的柴油機或汽油車都不做到的。其次電動機不以熱能轉化動能則不存在冷卻動力損耗,運行結構簡單也很少有運動動力損耗,所以這種機器的能量轉化效率(等於熱效率)的比例總會超過90%。汽車用電不會為電力系統帶來壓力,汽車用油總會讓傳統能源「枯萎」。

綜上所述:歷史周而復始100年,汽車最終還是要回到電驅動形態。不論是出於節能減排還是用車體驗,這種升級都會是歷史的必然,而這百年只是工業史上的一次「錯誤嘗試」而已。

編輯:天和Auto-汽車科學島

責編:天和MCN

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