“活塞往复循环内燃机”是燃油动力汽车的主要发动机选择。这台机器的平均热效率只有35%,优秀机型的平均热效率勉强能达到41%。比如丰田的NA车型就能达到这个水平,但由于进气方式太落后,实际能耗还是很高。那么为什么热效率这么低呢?热效率是多少?
基本知识点:热效率是指燃烧燃料产生的热能总量与发动机实际转换的机械能之比。例如,如果消耗一公斤汽油产生44000千焦的能量,实际只使用了大约35%(15400千焦)的机械能,其余大部分都被浪费了。
参考能量守恒定律,我们可以得出这样的结论:燃烧产生的热能全部转化为其他类型的能量,但其中60%以上是不可利用的能量形式。那么有没有可能利用所有这些能量呢?答案是绝对不可能的。
内燃机的结构非常复杂,气门、活塞、连杆、曲轴、飞轮等结构在工作时都会失去能量。特别是有物理接触(摩擦)的部位会有相当大的损耗,比如活塞、气缸等一直需要油润滑的部位。其次,在进排气过程中,由于气缸压力和温度的变化,也会损失热能,同时车身材料本身也会吸收热量,所以这些结构的损失比例总会达到60%左右。
目前能量转换效率最高的发动机类型是【永磁同步电机】。该机的转换率比异步电机高10%左右,标准为90%~97%。为什么这台机器能达到高效率?
原因是电机的能量转换不依赖于燃烧,而是将电流转化为电磁场,利用磁极互斥原理驱动转子。而且转子悬浮固定在机体内部,只有很多钢球组成的轴承磨损。那么能量转换过程的损失可以忽略不计,摩擦损失的能量很小。这台机器有可能达到100%的效率吗?
热效率100%实现不了
无论是内燃机还是电动机,一旦转换率达到100%,基本相当于永动机。虽然这不违反能量守恒定律,但确实违反了热力学第二定律。所有的内能都会转化为其他能量,但早期摩擦过程中必然存在不规则的热传导,这种能量不应该转化为机械能来利用。
当电机的转子轴承运转时,会因摩擦而发热。即使转子完全悬浮,似乎也会切割空气体,所以这种机器无法实现100%的能量转换。那么结构复杂得多的低效内燃机就更不可能了!
总结与预测:优秀的内燃热机在Turbo时代很难超过40%的大关,少数机构测试的陶瓷发动机、涡扇等机器中约有60%无法在汽车上推广。前者的超高制造成本决定了不现实,后者的高温尾喷火焰没有推广价值。
因此,内燃机最终将是往复循环的落后形式,在动力电池制造成本足够低或专用充电道路普及后,将完全被高效电机所取代。