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内燃机为什么会被电机淘汰?

2021-10-26 10:41:29     来源:汽车科学岛        

【哔哥哔特导读】原因在于电机效率很高,略差一些的异步交流电机可以达到平均80%左右、极限更高,高标准永磁同步电机可以达到平均90%左右、极限目前为97.5%。

当然燃油车用户还在分析如何提高热效率,怎么提高低扭爆发力、提升功率并控制油耗的时候,殊不知一系列的知名汽车品牌都陆续的停止了内燃机的研发;究竟内燃机有什么不足,为何经历百年后还是被电机无情地淘汰了呢?咱们来简单分析一下吧。

热效率

使用寿命

噪音

振动

磨损

「热效率」的概念是对特定热能转换装置、比如汽车的内燃机,其有效输出能量和输入能量的比值,是无量纲指标,用百分比来表示;简而言之可以理解为消耗了多少热量和转化为机械能(有效功/动力)的比例,目前最高标准的汽油机超过43%,用增程模式才实现了将运行转速稳定于最佳热效率区间。

但是纯燃油动力汽车的平均热效率要低很多,原因是最佳热效率需要在理想的温度环境和转速区间内才能实现,依靠内燃机驱动的车辆在行驶中会有高频率的大幅转速波动,平均效率就会低至30%左右。

造成热量损耗的因素就是这些,都是无法避免的;也就是说内燃机消耗的燃油大部分都是被浪费掉的,是“无效功”,所以燃油车的油耗才会很高。一升汽油的能量相当于3kwh的电能,有些紧凑级甚至中型车以80km/h的时速巡航,电耗也只是≤10kwh/100km,而同标准的燃油车则要达到6-10L/100km不等、相当于18~30kwh/100km的电耗。只是电动车的电耗为什么会低很多呢?

原因在于电机效率很高,略差一些的异步交流电机可以达到平均80%左右、极限更高,高标准永磁同步电机可以达到平均90%左右、极限目前为97.5%;转化机械能过程中的损耗极小,所以能耗才能比燃油车低三倍左右。而且电的价格本就更低,用车成本可以5~10倍不等。

01内燃机的高频率保养是电机不需要的燃油车每隔5000-10000公里就要更换机油和机滤,这是乘用车的标准;卡车机油用量很大的柴油机可以到10万公里更换,但也只是三四个月的时间就要更换一次,毕竟行驶里程很夸张。其次还需要定期更换油路系统中的燃油滤清器、进气系统中的空气滤清器、温控系统里的防冻冷却液、传动系中的变速箱油或差速器油等,维保成本还是比较高的。

可是电机无需这些保养,因其无需机油进行润滑,大部分电动或混动汽车还没有变速箱;不需要润滑的原因是没有磨损,使用寿命不是内燃机可以相提并论的,看一下内燃机和电机的结构剖面图吧。

内燃机依靠的是燃烧产生的热能驱动,过程中必然会产生高温与振动;电机依靠电流形成的磁场与永磁体或线圈互斥驱动转子,核心结构只有一个简简单单的转子,一定要说有什么磨损也就是轴承了,可是高标准轴承还是不需要担心磨损。所以结构简单的电机的使用寿命很长,不需要“拐弯”的结构也决定了效率会很高;同时没有燃烧则没有振动的问题,NVH的水平也有绝对优势。

电机的声线是“绵绵的”,感觉就像是在很远的距离听到喷气机的声音,细腻且比较舒服;内燃机的声音高频率“燃爆”产生的噪音,声音“粗线条”会感觉比较吵闹。

02动力的优势有些老司机认为电动车的性能不行,没有燃油车直接和暴力,因其使用的艾玛、雅迪、绿源等等品牌的电瓶车就是这样;然而这些都是用低标准电机且功率很低的电瓶车,和高标准的电动汽车是完全没有可比性的。比如电瓶车的电压不过是48-72V,而电动汽车动辄五六百伏;电瓶车的电机只是几百瓦、高标准也不过1.0-1.5kw,汽车使用的电机可以轻松达到150-300kw。

所以不能以电瓶车的视角分析汽车,可是电瓶车其实都不弱,比如在摩擦力较低的路面上起步,电门给大了就会出现后轮打滑,可是燃油动力摩托车就很难出现如此强悍的低扭爆发力。原因如下……

燃油动力摩托车使用的是自然吸气发动机,最大扭矩要到六七千转才能爆发;使用同类型发动机的汽车最大扭矩在4000转左右爆发,即便用涡轮增压技术也要到1500转左右才能最强发力。

但是电机起步瞬间即可爆发最大扭矩,内燃机的最大扭矩需要标准进气量和喷油量,标准进气量需要高转速才能实现;电机的最大扭矩需要最大电流放电,动力电池组随时可以最强放电,所以电驱车辆的低扭爆发力是柴油机都无法媲美的。同时电机因没有磨损问题还能高转速运行,转速可以达到1.5-2.0W rpm,功率可以轻松超过汽油机。

最后一个亮点,电机可以高转速运行且电耗很低,于是用转速升降的方式即可直接调速,也就是直驱;不需要变速箱在中间增扭变速,这样既能降低车辆的制造成本,又能跳过“换挡操作”实现加减速的真正平顺,驾驶品质也会更高。

所以内燃机真的是没有前景了,最终必然会被电机淘汰;在油电转型的过渡期内,内燃机也只适合作为辅助动力单元,或单纯作为发电器使用,这就是各大车企都在陆续停止内燃机研发的原因,这种发动机的技术已经遇到无法突破的瓶颈了。

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