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最好的发动机热效率仅41% 达到100%有可能吗

发动机效率不可能达到100%

  • 内容概述:热效率概念,电动机水平,100%转化与热力学第二定律。

「活塞往复循环式·内燃式热机」是燃油动力汽车的主要发动机选项,这种机器的热效率平均只有35%,优秀机型勉强可达到41%。比如丰田的NA机型就能达到这种水平,然而因进气方式过于落后所以实际能耗还是很高。那么热效率为什么这么低,到底什么是热效率呢?

 


基础知识点:热效率指燃烧燃油产生的热能总量,与通过发动机实际转化的机械能的比例。比如消耗一公斤汽油产生44000千焦的能量,实际只有35%(15400kj)左右的机械能,剩余的大部分都被浪费了哦。

参考能量守恒定律可以得出这样一个结论:燃烧产生的热能均转化为其他类型的能量,只是超60%是不可利用的能量形态。那么有没有可能把这些能量都利用起来呢?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、飞轮等等结构在运转过程中都会损耗能量。尤其是存在物理接触(摩擦)的部分会有相当大程度的损耗,比如一直需要机油润滑的活塞与气缸。其次进排气过程中也会因缸压与温度的变化而损耗热能,同时机体材料本身也要吸热,所以这些结构的损耗比例总会达到60%左右。

 

目前能量转化效率最高的发动机类型为【永磁同步电机】,这机器的转化率比异步电机还要高10%左右,标准为90%~97%。为什么这种机器能够实现高效率呢?

原因在于电机的能量转化不依靠燃烧,而是电流转化为电磁场,利用磁极互斥的原理驱动转子运转。而且转子是悬浮固定与机体内部,存在磨损的只有由很多钢珠组成的轴承。那么能量转化过程的损耗可以忽略,摩擦损耗的能量又很小,这种机器有没有可能达到100%效率呢?

 


  • 热效率100%实现不了

不论内燃机还是电动机,一旦达到100%的转化率就基本相当于永动机了。虽然这没有违背能量守恒定律,但是却违背了「热力学第二定律」。内能一定会全部转化为其他能量,但是早摩擦起到的过程中必然存在无规则的热传导,这种能量应该是无法转化为机械能利用的。

电动机的转子轴承运转时会摩擦生热,即使连转子都完全悬浮似乎也还要切割空气吧,所以这种机器都做不到100%能量转化。那么结构复杂很多的低效率内燃机就更不可能了!

 

 


总结&预测:优秀内燃式热机在Turbo时代很难超越40%的大关,少数机构测试的陶瓷材料发动机、涡扇机等60%左右的机器也不可能在汽车上普及;前者的超高制造成本决定了不现实,后者的高温尾喷火焰综合实际道路资源也没有普及的价值。

所以内燃机最终还会是往复循环式的落后形态,这种机器会在动力电池制造成本足够低,或者专用充电道路普及后,被高效率的电机全面取代。

 

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