讲述:汽车发动机四大类型简史预测未来发动机形态

讲述:汽车发动机四大类型简史预测未来发动机形态

蒸汽机发动机的雏形,蒸汽机的雏形诞生于公元1世纪发明的汽转球,不过在漫漫的历史长河中这种机器并没有得到关注。直到1785年由詹姆斯瓦特改良了蒸汽机,至此这种机器带领人类进入了“蒸汽时代”,也是工业革命的核心推动力。其运行的原理实际很简单,在外部通过消耗燃料(如石油/煤炭/木柴等)烧水,利用水沸腾产生的水蒸气驱动发动机运转;简而言之这种机器属于外燃机的类目,但由于体积庞大往往用在工业领域,其次则是大型船舶舰艇仍使用蒸汽轮机驱动,比如航空母舰。

对普通交通工具如汽车和货车等车型而言,最初装备的也是外燃机,不过类型升级为【斯特林热机】。这种发动机命名的原因为发明者名为罗巴特斯特林,发明时间为1816年;这种活塞式往复热机是主流汽车发动机的雏形,运行的步骤已经是冷却、压缩、吸收热量与膨胀做功是个步骤;不过产生动力的基础仍然是在外部消耗能量产生热能,利用热能加热气缸内部空气使其膨胀,在通过冷却的方式实现循环。

斯特林热机的热效率是非常高的,但是这种发动机想要大扭矩则需要很大的体积,汽车总不能都像早期的货车一样制造成庞然大物。家用小型汽车如使用小体积的斯特林热机则会限制扭矩,扭矩小输出马力会受到严格限制,车辆的加速能力与极速都会受到严格限制。所以斯特林热机并没有应用在汽车领域,外燃机包括蒸汽机汽车在内燃机发明之后都被淘汰了。

内燃机正是沿用至今的燃油动力汽车发动机,由大名鼎鼎的卡尔本茨在1880年代发明;这种机器将外燃机的燃烧室集成在发动机的内部,跳过加热和冷却空气的过程,利用燃油爆燃产生的热能直接驱动活塞运转。燃油的瞬间燃爆本质是一种剧烈、快速且无序的化学反应,在反应过程中分子的剧烈运动伴随相对有规律的火焰方向可实现对活塞的推动力;活塞在被推动之后则可以驱动连杆与曲轴运转,最终通过曲轴的飞轮将动力通过离合器变速箱与传动结构输出至车轮。

内燃机的优点非常明显,首先是体积要比外燃机小得多,其次则是能量跳过了一个步骤则等于减少了一次能量损耗,热效率自然也会比较理想。且通过直接将爆燃的热能转化为动能的方式驱动,发动机想要获得大扭矩高功率输出则非常简单;因为只要提供发动机的进排气量即可,排量稍大一些即可通过爆燃膨胀做功获得大扭矩。

其次内燃机在涡轮增压技术发明之后,通过发动机排气产生的高压驱动增压器的涡轮运转,涡轮带动进气系统的叶轮运转;利用高速旋转的叶轮将大体积的空气压缩成更小的体积,实现单位体积中空气氧分子含量的提升。以富氧燃烧的状态可催动燃料做功时的强度倍数级提升,简而言之是在不提升油耗的前提下,实现内燃机扭矩成倍的增长,至此内燃机的技术达到了巅峰,不过最终一定会被电动机淘汰。

电动机的诞生时间也非常的早,在1821年由迈克尔法拉第发明,在1881年由法国人古斯塔夫特鲁福将电动机装在了汽车上,不过真正风靡是在爱迪生与福特享利两大巨头合作阶段风靡。电动机在同期要比燃油动力汽车更受欢迎,因为当时的热机不论外燃还是内燃的NVH体验都会比马车还差;而初期会选择汽车的用户往往对用户体验要求极高,所以续航能力并不理想的电动汽车仍然备受青睐。

转折点1:在电动汽车即将完成技术突破的节点,也就是爱迪生镍铁电池与T型车即将融合升级的过程中,因两次世界大战陆续爆发以及石油开采技术的快速发展,加上比较恶劣的不正当竞争;结果导致了电动汽车就此夭折,在经历数十年战争后用户也已经习惯了燃油动力汽车,所以燃油车的时代真正到来了。

转折点2:燃油动力汽车在百年发展史中已经完成了全球十数亿台保有量,每年的燃油消耗量超57亿吨,而全球范围内探明的石油储量不足2000亿吨。作为不可再生的能源,石油会在可以预测的30年左右消耗殆尽;届时石油会带来哪些问题,可以参考中东地区的大热点,后期相信会陆陆续续地上演。

石油的即将枯竭与无法再生都指向了发动机形态的变化,最终毫无疑问是选择电动机。首先因为电能可以再生且清洁环保,比如通过风力、光伏、水利、地热、潮汐能、生物质能等等方式,均可利用自然资源无限发电;一旦能源不再受限,那么其匹配的动力元则必然具备长远的发展与技术升级空间。其次为电动机的结构比内燃机更加简单,且能量转化效率是内燃机的2倍多;比如优秀的内燃机热效率为40%,电动机则可轻易达到95%。再次为电动机的NVH体验比内燃机好太多,因为电流转化为电磁场利用磁场驱动转子运转,这种能量转化状态是静态的;而内燃机通过爆燃产生动能,其振动与噪音相当都深有体会。

总结:发动机经历了四个阶段,最终会回到百年前的电驱时代,这是因初期能源选择错误要付出的必然代价。至于电动机的性能并不用担心,电流传输的速度可达每秒30万公里,所以电机可以在起步瞬间爆发最大扭矩;而扭矩之大可以轻松驱动高铁,普通的汽车还有什么需要担心的吗?2020年会是电动与插电式混动汽车的元年,开放市场竞争会加速汽车续航的增长与价格的下探,拭目以待吧。

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