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都知道提高热效率能省油 但为啥就这么难?

2019-2-13 08:50| 发布者: 南方头条| 查看: 2590| 评论: 0

摘要: 有一个点先跟大家做个结论:现阶段,在发动机这种东西没有结构上的巨变之前,最有效的降低油耗还能适应超低排放要求的,办法只有一个:提高热效率。热效率是啥?其实简单说来,热效率就是汽油点燃产生的能量,和最后发动机输出的能量的比值。热效率越高自然意味着汽油能量更多转化为发动机能量,换句话说当然更省油,而因为燃烧更充足了,浪费掉的燃油也更少,燃油转化为各种奇怪废物的比例也更低,油耗自然更低。在发动机技术进步

有一个点先跟大家做个结论:现阶段,在发动机这种东西没有结构上的巨变之前,最有效的降低油耗还能适应超低排放要求的,办法只有一个:提高热效率。热效率是啥?其实简单说来,热效率就是汽油点燃产生的能量,和最后发动机输出的能量的比值。热效率越高自然意味着汽油能量更多转化为发动机能量,换句话说当然更省油,而因为燃烧更充足了,浪费掉的燃油也更少,燃油转化为各种奇怪废物的比例也更低,油耗自然更低。

在发动机技术进步缓慢的现在,这种一举两得的事情岂不美哉?但问题是,为什么世界上大多数厂家,都不太强调这个?哪怕是丰田马自达这些专心搞发动机的厂家,为什么从来就没有造出过一部热效率能接近50%的发动机?是这些厂家技术不行?还是另有原因?

发动机热效率无法提高的罪魁祸首

实际上有一点大家可能不知道的是,现在那些号称黑科技的发动机,号称超高压缩比的发动机,它们全部都只能在特定转速区域或特定工况下才能做到那些标称的漂亮数字。比如马自达第二代创驰蓝天,号称世界上第一台变循环发动机,只能在98号汽油(日本98号,远高于我国最高标号燃油标准),转速在2500-3500转之间,发动机不处于大负荷状态下才能实现。而新一代天籁那台VC-Turbo,号称超高压缩比,实际上技术根源也只是进气可调+燃烧室体积可变。

而所有这些现阶段最先进最强的发动机,发动机热效率始终没法大幅度提高,原因是什么?原因是它们无法实现全转速区域的超高压缩比。而高压缩比,是实现更高热效率的必然手段。压缩比上不去,就没法在热效率上有提高。

但为什么压缩比上不去?更高压缩比,意味着在压缩行程末端时,燃烧室内的空间会更小,这时候会出现一个现象,火花塞点火的话,超高密度的汽油混合气会产生极高的爆炸能量,这种能量会产生一个推力波峰,这种推力波峰会在把活塞往下推的同时,对活塞产生一个巨大的横向推力,这种现象,叫活塞侧推力。

活塞侧推力出现在所有四冲程内燃机上,哪怕是低压缩比发动机也会出现。但高压缩比发动机的活塞侧推力会大得多,这会直接导致活塞环和缸壁发生剧烈摩擦,从而大幅升高缸壁温度,缸壁温度急剧提高会严重劣化机油的润滑性,从而导致更大的发动机磨损。

针对这个问题,德系法系统统没有任何好办法(欧洲材料技术远不如日本美国),美系通过更高强度更高机械加工精细度的发动机缸壁硬抗高活塞侧推力(美国的机械制造精度优势),而日系借助日本材料技术上的优势,研发各种汽缸壁涂层,试图减缓巨大侧推力对发动机的损伤。

但这些办法全部都治标不治本。对于大型船用低速柴油发动机来说,可以在活塞上装导轨的方式直接消除侧推力,这样一来可以大幅度提高压缩比。但对于高转速体积小结构紧凑的车用燃油机来说,在活塞上装导轨根本不实际,无法实施。因此现阶段的汽车发动机,在热效率上基本上停滞不前。

那有什么办法?

实际上绝大多数民用汽油机的热效率都无法超过40%,哪怕是丰田TS-040上的那台纯种赛车发动机,做到了热效率48%(公认的世界最高热效率汽油机),但那只是赛车发动机,寿命不到1万公里。

而由于活塞侧推力这种事情属于四冲程内燃机的结构缺陷,根本无法解决。哪怕是坊间有一些利用减震器原理规避侧推力的设计,也都面临着严重的散热问题。所以我们可以这么说,四冲程内燃机的热效率,在2019年的现在已经没有任何再提升的空间,这种机械的结构已经到达了极限。

要提高能量利用率,目前只有一种方法,这种方法可以直接把能量效率从不到40%提高到95-97%,那就是---电动机。是的,内燃机的效率已经到达极限,要进一步提高效率,只有直接放弃这种100多年前研发的东西,更换为电动机。

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