站在当下时间节点,内燃机还有什么好玩的?

如果说最近五年汽车行业最热门的是什么,那毫无疑问是电动车了。不知道从哪天开始,很多人似乎有了一个错觉,那就是内燃机发展到头了,再也不可能有进步了。那么,在2019年,内燃机还有可以玩的东西吗?答案必须是肯定的。

继续提高热效率

对于行业外的人,觉得内燃机发展到头了,这么想是可以理解的。内燃机已经发明了百年,然而在几年前,热效率还卡在百分之三十几,这看上去进步很慢。并且,众所周知,所有热机的效率有个理论上限,那就是卡诺效率,这也好像宣告了内燃机是没有前途的。

然而,事实并不是这样。行业的进步很多时候是要大环境推动的。一旦有了动力,汽车的燃油经济性是会迅速地、长时间提高的。下面这张图,是美国环保署对于汽车整体燃油经济性相对1975年的提高做的一个长期的跟踪。第一次燃油经济性的大幅提高,发生在1975-1985年的石油危机,车企开始卖小马力汽车,V8,V10再也不是满大街了,这当然直接提高了燃油经济性,这也标志了汽车黄金时代的终结。随着石油危机的结束,汽车马力又恢复增长,汽车的燃油经济性不增反降。但由于车子的马力大幅增加了,其实发动机的热效率是得到了很大的提升的。第三阶段就是2005年以后,因为全球气候变化的刺激,汽车燃油经济性和动力持续的增长,并且不曾放缓。这十五年里,发动机的热效率有了极大的提升,毕竟,提高马力的同时还提高燃油经济性,这可比八十年代降低马力提高燃油经济性,难多了。

目前,这个增长势头还没有减缓。所以说,尽管百年来,整体来说,内燃机的热效率提高是比较缓慢的,但一旦汽车行业受到了外界的刺激,短时间里面,数十年的技术积累,会持续释放出来。

再来说说第二点,诚然,卡诺效率框死了内燃机的理论效率上限,但对于普通内燃机来说,卡诺效率高达85%,内燃机的效率永远不会接近85%,现在马路上最先进的内燃机(比如下图的丰田Dynamic Force)能到40%,在准备量产的内燃机热效率能到45-50%,实验室里还有一些热效率能到55%甚至超过60%的怪物,等到那个时候,说内燃机走到头了,或许合适,可是,现在才40%啊!离60%我认为的实际上限还能增长50%。这还有很长的路可以发展呢。


积极拥抱电动化

有很多人,包括我在内,并不认可在未来所有的内燃机车都会被纯电动车取代,毕竟内燃机车的可靠性、长续航、加油的便利性等优点在有些情况下是电车所不可比的。但这不代表,车企并不认可电动化。在我看来,汽车的电动化是一个极其重要的、始终伴随着汽车发展的、渐进的过程。

车子上越来越多的部件,从机械驱动变成了电动。这提高了控制的灵活性,也更加节能。很久之前,汽车启动是手摇的,后来变成了启动电机启动。电控喷射取代了化油器系统,在技术换代的时候还出现过电控化油器和机械喷射这两个奇葩的技术。最近,越来越多的车把机械油泵和水泵变成了电动油泵和水泵。随着车子上用电的设备越来越多,本来12伏的蓄电池不够了,换成了48伏。这样,同样的功率电流只要四分之一,降低了设备和导线的发热,同时,也极大地降低了相关部件的重量和成本。要知道,电线可都是铜的。用上了48伏系统以后,需要数千瓦甚至十几千瓦功率的设备也可以被电驱动了,比如奥迪SQ7带有了电辅助压气机的涡轮增压系统,下面这样一个紧凑的部件,同时兼具着涡轮增压器和机械增压器的优点,高转下可以作为涡轮增压器工作,提高车子的动力输出,低转速下又可作为电动增压器使用,提高动力的同时还毫无涡轮时滞。当然,SQ7上还有电子主动横向稳定系统,这没有48V系统提供大功率的供电是不可能的。

当大功率的电机/发电机被用在发动机上的时候,车子就变成了混合动力。汽车是一个工作在复杂工况下的机器,要求任何设备在如此宽广的工况下永远效率高都是一件很难的事情。因此,有了电机辅助以后,可以让内燃机更好的工作在高效工况下,这样高的热效率就会带来高的车辆燃油经济性。

其实,内燃机的电动化还有更极端的路可以走。既然,让内燃机工作在高效工作点更加节油,那让内燃机工作在最高效的那个点不就行了?这其实就是增程式混合动力/电动车。现代内燃机是相当复杂的,这是为了让他可以在各个工况下工作。当内燃机只工作在一个点的时候,那些部件就都成了死重,所以有相当一部分增程式混汽车的体验并不好。所以,针对增程式汽车,换一种内燃机或许是更好的选择。执着于转子发动机的马自达就给出了答案。转子发动机因为其油耗、维护等问题在过去二十年里被淘汰了。但它的小体积、高转速非常适合作为增程式汽车的增程器使用。马自达最近发布了RX-Vision这一款概念车,把燃料换成了氢能,解决了一定的转子发动机的维护问题,非常令人期待。

探索替代燃料

说来说去,无论内燃机做得效率多高,只要使用了不可再生的化石燃料,都会被人诟病,因为会产生可观的碳排放。那么,只要解决这两个问题,是不是就可以继续用内燃机了?

所以,很多专家学者、以及政府,都在力推替代燃料。其实替代燃料每个人都已经用上了,比如天然气和乙醇汽油。

天然气是一种很不错的替代燃料,中国天然气和可燃冰的储量也相当丰富。天然气本身的抗爆性很好,相当于标号100以上的汽油,而且,天然气非常不容易积碳,很适合作为汽车的替代燃料,可惜,气体燃料的先天缺陷就是占用体积太大,烧气的出租车后备箱几乎都被气罐所占据。

乙醇汽油,顾名思义就是含有部分乙醇的汽油。含有少于10%的乙醇的汽油,几乎不需要改变发动机结构,但却可以降低实际汽油的使用量,这无疑是更环保的做法。但是,目前乙醇主要通过作物获得,因此,在不缺耕地面积的美洲可行,在中国不那么可行。于是,中国还有另外一个办法,就是甲醇汽油。含有10%乙醇的汽油叫E10,含有10%甲醇的汽油叫M10。甲醇是一种很容易获取的工业副产物,对煤进行一定处理也可以变成甲醇,那这样相当于把储量丰富的煤转化成了液态燃料供车使用,是不是很有道理?

然而,天然气和乙醇汽油,仍然用到了化石燃料。为了可持续发展,生物燃料是必需的解决方案。植物在生长的时候,会吸收二氧化碳,然后我们把提取到的有机物做成燃料燃烧,会释放出二氧化碳。只要燃烧出来的二氧化碳,小于等于植物生长时候吸收的二氧化碳,那么,这辆车在行驶的过程中,碳排放不就是负的了吗?所以这是非常有前景的一个做法,只是大规模替代石油还有相当多的问题要解决。

所以,在这个电动车遍地开花的时代,内燃机还有很多工作可以做吧?

发布于 2019-12-07

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