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内燃机真的大势已去了吗

内燃机大势已去没有争议——内燃机的普及是「历史性错误」

  • 燃油动力汽车
  • 电力驱动汽车

这两种动力系统的汽车普及于同一时期,但宿命却完全不同。电动汽车在百余年前是被高阶消费层级的汽车用户青睐有加的车型,内外燃机汽车则主要作为工业生产交通运输工具使用,可以说电动汽车才是最理想的家用车,那么为什么会被燃油车最终取代呢?


NVH-电动汽车核心优势1

电动汽车的普及有两位历史上赫赫有名的大人物,分别是托马斯·阿尔瓦·爱迪生与享利福特。前者是美国历史上最知名的发明家之一,同时这是一位成功的企业家,因其创造的“爱迪生照明”公司影响力同样很大。其中还有一段爱迪生与尼古拉·特斯拉的趣闻,简而言之是爱迪生作为企业家的“姿态”占有了特斯拉的一些发明。不过这些内容与电动汽车并无很大的关系,重点是爱迪生的镍铁电池,以及享利福特创造的“Ford汽车”的合作。

爱迪生一生致力于电动汽车的技术研发与推广,这件事几乎是其下半身的主要课题。而其之所以如此执着并不是因为当下电动汽车主要讨论的【节油减排】,初期的核心因素是电动车理想的NVH(噪音/振动/声振粗糙度)的表现,相比外燃机车和内燃机车几乎是“静音车”。电动汽车使用的发动机为电动机,这种机器的运转依靠的是电磁场;以永磁同步电机为例。

  • 电池输送电流到电动机电磁线圈-静音。
  • 电磁线圈形成电磁场与永磁体互斥-静音。
  • 永磁体带动转子运转输出转矩-准静音。(运行原理参考下图)

电动机整个能量转化过程只有转子轴承运转时有细微的声响,而这种“嗡嗡”的声音就像把F1方程式赛车的引擎咆哮声缩小N倍——线性而悦耳。但是同期普及的外燃机和内燃机汽车,这些车辆使用的发动机不比今天的“拖拉机”装备的柴油机体验更好。外燃机(以蒸汽机)为主已经不再汽车上使用,这种机器不做讨论,看一看特征就好。

内燃机是利用混合汽油在发动机气缸内部“爆燃”,利用燃爆过程中分子运动产生的推动力,将活塞连杆曲轴这一复杂的系统推动运转。整个能量转化过程中不仅是“动态”而且非常“暴躁”,分子的剧烈运动必然会产生连带机体的共振,振动会引发空气振动而产生声波;于是振动会让驾乘人员感受到不适,噪音会让听觉系统的疲劳硬性精神状态。

内燃机汽车在普及初期的体验实际还没有马车理想,所以使用马车的用户自然也难以接受。于是善于“玩电”的爱迪生则想要把电动机搬到汽车上,打造出一台比马车NVH体验好而且性能更强的机动车。这项发明自然是成功了,尤其是在镍铁电池即将突破能量密度限制,与福特T型车的融合即将成功的阶段,电动汽车成为了汽车工业发展史的未来。然而两次战争彻底改变了全球汽车工业发展方向。

在第一次世界大战爆发之前,石油开采技术突飞猛进,然而却没有多少汽车使用。为了让这些能源可以创造价值则必须打压电动汽车,于是出现了一次非常残酷的“竞争”,爱迪生的电动汽车工厂“走水”导致核心技术资料以及试验车辆付之一炬,技术研发出现了必然的“断更”。随之而来的又是一战,电动汽车在这一节点没有能为战场提供车辆,燃油车水顺推州;之后则是二战,朝鲜战争、越南战争,以及近现代围绕石油展开的局部战争。


因两次战争造就的燃油动力汽车-热效率决定了必然被淘汰

内燃机即使经过了百年技术升级,至今在NVH仍无法做到高水平的前提下,热效率仍普遍低于40%。热效率指燃烧固定单位的燃料产生的总热能,其中能够转化为机械能(有效功)的比例;简而言之内燃机有超过60%的热能是被浪费的,那么也就是说一升石油浪费了0.6升,这是巨大的浪费。

这造成的结果是全球石油探明储量不足2000亿吨,全球年均消耗量超57亿吨,如果内燃机的热效率没有突破性升级(实际不会有)的话,石油储能仅足够全球消耗34年左右。在这一阶段中必然会出现的场景不难预测——围绕石油展开局部直到全面的战争。而想要规避战争则需要找到替代能源,远离这一个“是非圈”。

而以目前科技等级能寻找到的替代能源,并且能直接驱动小型发动机的能源——只有电能。因为电可以从大自然无限获取,比如水流不止发电不止的三峡水电站,各地都有普及的光伏和风能发力,地热能、潮汐能、生物质能与核能等等,这些能源可以从宇宙无限获取,那么电能自然也就可以无限获取了。于是技术发展方向再一次指向了电动汽车,汽车的NVH将会再一次回到高水准,同时节能标准以及动力体验也会得到升级。

电流传输的速度仅次于光速,电动机借助高速的电流刹那间形成电磁场,其优点是在起步第一转就能爆发最大扭矩,这是最优秀的柴油机或汽油车都不做到的。其次电动机不以热能转化动能则不存在冷却动力损耗,运行结构简单也很少有运动动力损耗,所以这种机器的能量转化效率(等于热效率)的比例总会超过90%。汽车用电不会为电力系统带来压力,汽车用油总会让传统能源“枯萎”。


综上所述:历史周而复始100年,汽车最终还是要回到电驱动形态。不论是出于节能减排还是用车体验,这种升级都会是历史的必然,而这百年只是工业史上的一次“错误尝试”而已。

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