内容概要：发动机概念，汽车发动机两大类型，两个时代的不同选项与未来展望。「发动机」是汽车最核心的总成之一，被称之为汽车的“心脏”。因为车辆之所以能够行驶正是因为发动机输出的动力，所以这种机器的概念可以粗略的理解为“动”；然而动能是如何获取却很少有人了解，不同类型的机器有不同的转化方式不过首先还得了解一下到底什么是发动机。

01基础知识

Engine_释义为发动机，由于其读音类似于中文发音的，而在港台地区有用音译直接命名的习惯，所以在很多影视节目与科教节目中都将这种机器读作引擎。比如Discovery节目汇总常常提及的“飞机引擎”，或者超级汽车使用「V·W型引擎」等等；结果造成了同一类机器有了两种理解：引擎是高级，发动机似乎要平庸一些，其实没有本质的不同。

图1：涡喷机

图2：外燃机

图3：往复循环内燃机

engine的功能为将某种行驶的能（能量）转化为机械能·动力的机器。能源的类型有很多，比如常规能源煤炭石油天然气，以及新型能源「电」等等。不同类型的引擎会使用不同类型的能源，但是最终都会转化为机械能，也就是汽车、轮船、飞机等等交通工具的！所以内燃式、外燃机、涡扇喷气机，以及电动机都属于引擎的范畴，或者是都是类型不同的发动机。

重点：汽车主要使用的是往复活塞式内燃式热机，永磁同步电机两大类型，下面就来看一看两类机器各自的特点以及“未来选项”吧。

02内燃机

燃油动力汽车均装备四冲程·往复活塞式·内燃式热机，概念如下。内燃式指燃烧做功的「燃烧室」在发动机内部，往复活塞的概念为通过连杆与曲轴连接的活塞，在气缸内上下运转。四冲程的为：进气喷油，压缩蒸发，膨胀做功，排出废气四个步骤。

内燃机是一种“化学发动机”，燃烧的概念是燃油中的碳氢化合物与氧气的氧化还原反应；在反应过程中分子会出现无规则的剧烈运动*（可理解为热能或内能），活塞往复运动会产生一定程度的“导向性”，结果为分子定向运动实现对活塞的推动力。于是与活塞连接曲轴就会在活塞的推力下转动，通过与活塞连接的飞轮以“转矩”的形式将动力通过变速箱输出到车轮（以驱动车辆行驶）。

核心知识1：扭矩·转速·功率·马力关系，以及「NATurbo」。内燃机燃烧做功产生的是，这种能可以理解为发动机运行一次产生的能量（越大越好）。转速的概念是指曲轴每分钟旋转的次数，曲轴每旋转两圈发动机做功（“做扭”）一次，每分钟内做功的次数越多则固定时间内输出的能量值总量就会越大！功率指的正是发动机每分钟做功的次数（效率）。

知识点：扭矩×转速÷＝功率！用得出的功率数值×1.36则等于公制马力，1马力的概念为75公斤力·每秒，通俗的解释就是1马力（单位为PS）可以驱动75公斤物体以一米一秒的速度移动。

汽车的整备质量（空车重量）是不会变化的，那么想要让车辆有理想的加速能力或实现高车速，显然就需要发动机输出大马力。不过实现大马力的方式有三种，哪种最节油会是一道最简单的判断题。

大扭矩×低转速（√）大扭矩×高转速（√）小扭矩×高转速（×）第一种组合能够以低油耗实现理想的动力体验以及理想的车速，因为扭矩与转速是相乘的关系，两者有一组基数大就能实现大马力。第二种组合能实现优秀的性能，但是因为高转速等于足够大的喷油量，所以这种状态会相当费油。所以第三种就是最差的状态，因为性能不强但油耗又不低——引申问题为：自然吸气与涡轮增压哪种技术强？

核心知识2：NATurbo的差异NA_normallyaspirated，释义为自然吸气技术。概念为内燃机运行过程中，利用活塞往复循环产生的负压「吸力」，配合布局在车头位置的进气口“撞风”产生的正压进气力量，吸入的空气；之后以空气中20.95%的氧气（标准海拔氧浓度），与燃油混合并为其助燃——也就是进行氧化还原反应。

知识点：如上所述，燃油的燃烧是化学反应，氧气是实现与促进反应的基础。其浓度基数（量）越大，固定量的燃油在固定的时间内-反应的程度就会越理想；说白了也就是反应的强度会越大，转化成为的扭矩显然就会越高。

然而自然吸气发动机吸入的空气只是常压标准，其20.95%的氧气无法达到高标准的反应强度。所以中大排量的NA机型扭矩也很低，比如2.0/2.5L标准往往只有「/N·m」的标准；而且最大扭矩需要发动机到rpm（转速）左右才能达到最大值，因为提升扭矩完全依靠燃烧更多的燃油，而不是在动脑筋。

「Turbo」指废气涡轮增压技术，内燃机会增加一台增压器，其本质为空气压缩机！动力来自内燃机运行过程中必然产生的高压排气，要知道尾气压力在运行中用异物堵住排气筒都是顶不住其强度的；所以废气增压系统既能实现理想的压缩效果，同时以“废气利用”为基础还不会增加耗油量，不过为什么要压缩空气呢？看一看下面这组张图片。

图1：空气中各类物质分子的类别

图2：空前压缩前后的概念

空气中存在“真空”的概念：指给子分子与分子之间的「间隙」，这一区域内是什么都没有的。压缩空气的概念是让分子间的间隙变得更小，或者说让各类分子变得更加“贴近·紧密”！那么在分子间隙缩小后——是不是空气的体积变小了呢？相同体积的压缩空气所含有的分子数量，是不是也要比常压空气的数量多！

答案显然是肯定的，压缩空气主要是为了实现“体积缩小·氧气增多”，也就是所谓的。在内燃机排量（喷油量）相同的前提下，燃油获得了更多氧气促进其固定时间内的反应程度，结果自然是运动强度更大、转化出的扭矩也会更大！涡轮增压发动机可以参考1.5T/2.0T，峰值扭矩的高标准已经有「/N·m」的高标准。

重点：1.5T＞2.5NA，这就是从简单粗暴的依靠“增加喷油量增扭”，到依靠“涡轮·压缩·增氧”的细腻技术实现实现富氧燃烧增扭·不增加喷油量，目前最优秀的内燃机一定都是Turbo机型，这是内燃机时代落幕之前的最终形态了。

03永磁同步电机_驱动未来

内燃机依靠燃烧反应转化机械能，电动机利用电磁场，各自有什么优缺点呢？「燃烧做功」必然产生过高热能，热能持续的聚积会超过机体材料的热饱和极限，从而导致发动机材料熔化；为了保证不熔化就得以水循环·冷却系统进行恒温，防冻冷却液的循环流动就是干这个活的。参考热力学第二定律，热能会无序传导到低温物体，也就是说被恒温后机体与防冻冷却液会吸收热能。

而且机体中活塞气缸的运动不仅会产生磨损，同时也会损耗能量。其次如进排气过程也会损耗热能，但这些热能本应该都转化为有效功（机械能）的；然而因结构的缺点导致不得不被损耗，结果导致燃油燃烧产生的能量，只有平均30%左右的低标准（综合冷启动热机阶段的过度损耗）。也就是说内燃机的能耗实际是非常高的，大部分A/B/C级车辆的真实耗油量会在10~15L/km区间。

等效转化：1L（升）汽油≈3度电电动汽车的综合路况平均油耗已经低至15kwh/km，相当于5L/km的油耗，而且车型已经涵盖B/C级汽车。同时电的价格也要比燃油低很多，重点是可以通过风力、水流、太阳光线等自然清洁元素转化获取，所以电驱不仅很环保而且总不会有高成本。不过是什么原因实现以电动机驱动更重的汽车，反而能实现倍数级降低的能耗呢？答案为转化方式的不同。

电机核心结构包括：电磁线圈，永磁体和转子。动力电池将电流输送到线圈上会形成电磁场，利用磁场磁极与永磁体或另一组线圈的磁极互斥，从而驱动转子运转输出转矩。电机的结构非常精简，而且转子是悬浮固定，这就决定了几乎没有运动损耗；同时电磁场转化动力对于温度和空气都没有要求，重点是也不会产生内燃机标准的高温。

所以在转化能量的过程中几乎没有什么损耗，这种机器的“热效率”（能量转化效率）最高已经接近97%，平均也得在90%以上——是内燃机的三倍！

重点1：电动机不仅有节油的优势，没有燃烧振动的转化状态也会更加安静，同时使用寿命也不会因磨损而受到影响。不过重中之重并不是这些，而是电动机具备发力的特点，也是上文内容中重点标准的瞬间形成最大扭矩！

因为电流的传输速度仅次于光速，只要动力电池能在起步时给出最大的电流，那么电动机就能在起步的第一转爆发最大扭矩。这是内燃机绝对做不到的，双涡轮增压内燃机也得在1~0rpm区间才能达到最高标准，所以电动机有牵引力的绝对优势，参考下图。

重点2：电机同时有高转速运行不惧磨损与噪音的优势，原因应该无需赘述了。普通代步车装备的电动机可以达到1.5~2.0万转（每分钟），这么高的转速也就不需要变速箱了——因为依靠转速升降即可实现直驱汽车的，这是最理想的“CVT状态”；内燃机之所以需要复杂的变速箱只是因为不能长时间高转速运行，否则磨损程度会非常严重。

这就是巨型交通工具总会选择电力驱动的原因，比如高铁动车、建筑设备（矿车）以及部分船舶舰艇等等。

总结：电动机将会是未来Engine的主要类型，内燃机在动力电池成本还没有下降到理想标准，而造成续航里程限制的之前，其价值主要是作为增程器发电使用。一旦续航里程平均达到公里，或者专用充电道路能够配套建设的话，汽车必然会像火车淘汰“小火轮”而全面转向电驱一样实现电动化了，这就是未来。

编辑：天和Auto-汽车科学岛

责编：天和MCN

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