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趣味冷知識:高鐵為何用電機驅動,用汽油機或柴油機不行嗎?

在汽車全面轉型電驅的過程中,很多比較喜歡“抬槓”的燃油車愛好者就會“開槓”了,遇到過的類似問題包括火車、飛機、輪船為什麼不用電,單單讓終端能耗最低的汽車用電?其實各類交通工具中除了飛機不適合用電以外,其他交通工具不僅更適合用電驅、而且早已經大範圍普及。

高鐵動車地鐵雲軌特種車型與船舶艦艇這些交通工具都是電驅,包括對續航時間或里程沒有要求的無人機也是電驅,是不是很意外呢?咱們的高速鐵路時速可以超過300km/h,超高效率與超大運力只適合用電驅;如果用柴油或者汽油機的話,撇開NVH不談,相信高鐵的乘坐成本會是飛機的N倍,為什麼這麼說呢?咱們先來算一下高鐵電驅的執行成本吧。

列車在時速超過300km/h的狀態中,每小時的耗電量會在9000-10000kwh之間;按照一組8節車廂為參考,核載人數基本在1200個左右,那麼取9500kwh/100km為參考、單人百公里電耗為會在7。5kwh左右,當然隨著技術的一步步提升、現階段可以低至單人3-5kwh/100km,這是個什麼標準呢?

咱們就以汽車為參考吧,一輛中型電動汽車以120km/h的車速巡航時,電耗會在20kwh/100km左右;五座車平均到每個人則為4kwh上下——如果汽車同樣以300km/h的時速行駛,耗電量可以增長7~8倍,也就是說高鐵的實際成本竟然要比電動汽車1/8左右哦,那麼如果用柴油或汽油發動機驅動又會時多少呢?先算汽油機吧,3kwh=1L,也就是說高速120km/h的汽車耗油量是「20kwh÷3≈6。66L/100km」,單人百公里油耗為1。332;按照八倍標準計算則為10。656L,核載1200人的列車則為百公里12787。2L!……然而這個標準是不可能達到的,因為電機和內燃機的熱效率壓根不在同一水平線上。

這是內燃機的熱效率概念,內燃機的最佳熱效率即便有40%,但卻只能在很窄的一個轉速區間內達到峰值,隨著轉速的波動、平均值基本連30%都做不到;然而電機不論是交流非同步還是永磁同步都能超過80%,目前最高標準的永磁同步電機已經超過97%,也就是說電機的動力損耗會比內燃機驅動低2~3倍,反之也自然要高出兩到三倍——那麼按照上述標準計算的12787。2L/100km的油耗,實際會在25500-38500L/100km區間波動,這是個挺好玩的資料。

因為即便按照最低標準的汽油來計算,就算每升六塊吧, 單人百公里油耗設計在2。664-3。996L左右;每人百公里的成本會是15。98-23。97元左右,這個成本比飛機的單座成本高出接近50倍。然而使用電機驅動並消耗電的話,在電的價格有優勢的前提下,成本反而比飛機低超過十分之一,比燃油動力汽車低⅓~¼,比大型客車也要低幾倍,列車還會考慮用油嗎?

柴油機的熱效率只是比汽油機略高,但是這種發動機又有一個絕對無法改進的缺點——轉速低。柴油發動機比汽油機省油,但節油的主要方式並不是壓燃技術或者高壓直噴;核心是控制柴油機的轉速,比如家用代步汽車的汽油機轉速可以達到7000rpm左右,柴油機到4000轉上下就算極限了。

轉速×扭矩÷9549×1。36=馬力,馬力越大車速才能越高;柴油機被嚴格限制了轉速則無法實現大馬力,這種發動機只是低轉速起步的爆發力(扭矩)較大而已。所以柴油車在高速公路上的加速感非常差,以柴油為主的載重卡車和客車的限速也只是在80-100km/h區間;那麼這樣的發動機用於驅動貨車,充其量只能是綠皮車的速度標準罷了,綜合超高的能耗成本自然不會被採納,然而這還只是原因之一、磨損問題也是需要考慮的。

01「內燃機」的使用壽命均偏短

車用汽油機和柴油機都屬於內燃機,這是一種在機體內部氣缸燃燒產生熱能,透過機械結構將熱能轉化為機械能的發動機;執行的基礎是活塞在氣缸中往復運轉以推動曲軸運轉,活塞與氣缸的磨損是非常嚴重的,而且扭矩壓榨越大磨損越嚴重。列車這種金屬巨獸的總質量大的誇張,想要起步就得有超大的扭矩,所以使用柴油機也需要極限壓榨動力;結果是氣缸的溫度和壓力都會異常的高,機油的潤滑效能會受到嚴重影響,磨損程度加大、密封件老化速度加快,結果必然是發動機的使用壽命非常短。

然而電機就沒有這個問題了,因為電機的結構非常簡單,轉化動力依靠電而不是熱能;執行中沒有誇張的高溫和高壓,定子和轉子並不接觸,而是懸浮狀態即可輸出動力。電機的使用壽命不是內燃機可比的,那麼從用車成本的角度分析自然也會選擇用電。

重點:電機既然沒有磨損問題,轉速自然可以非常高;轉速高則功率馬力大,車輛才能有足夠高的極速。其次列車的供電網的電壓和電流都是非常誇張的,國內採用的技術標準是單相2。5kv;高電壓強電流可以給電機瞬間輸出非常強的電流,在電機內部結構中形成的電磁場也會最強,磁極互斥是電機轉化動力的方式,那麼起步瞬間即可以超大電流形成超大扭矩,其爆發力也不是內燃機可比。

所以總質量過大的交通工具都會選擇電機驅動,列車頂部的電網是「駕控接觸網」(供電網),車頂可以升起的叫做【受電弓】(充電弓);當受電弓搭上接觸網即可獲得電流,列車本身只有些為電子裝置供電的儲能電池組,沒有動力電池組,不過在普及階段中的雲軌是有動力電池組的,在電網斷電後的車載電池組至少能讓列車進站。

02汽車的“電動化”初衷

列車等交通工具使用電驅,初衷當然有節能減排和控制運輸成本;其實汽車更需要實現電動化,因為汽車單個終端的能耗雖然低,但架不住保有量逾破3億。基數大耗油量其實也非常誇張,曾經粗略計算過每天的石油消耗量,標準大約為西湖庫容的4~5倍;這要轉化為電的話,可以說會是個天文數字。

然而電能是可以再生的,透過水力、風力、潮汐、地熱、光伏等清潔方式均可發電,核能和傳統火電也要比汽車排放標準清潔太多,而且發電效率也不是內燃機可比;但煤炭石油天然氣等常規能源均不可再生,所以減少常規能源消耗、轉向可再生電能則是剛需,即便從碳排放與環境生態的角度分析也有剛需。

綜上所述,汽車電動化已經是各類交通工具中的最後一環,可以說已經有些起步過晚了;至於電驅之後的汽車體驗也不用擔心,用電驅的車輛只會讓駕乘體驗越來越好,這種沒有振動的發動機沒有噪音、沒有高溫的發動機會感覺更舒適,同時沒有磨損問題的發動機(可忽略不計)也有超長的使用壽命,重點是不需要頻繁的更換機油以增加用車成本。

最後在瞭解一個冷知識吧,電機其實不需要變速器,只需要“減速器”;曾經研製過柴油機驅動的列車,但是因適用的變速器體積非常龐大(佔用一節列車),而且柴油機扭矩太大很容易扭斷傳動軸。

結果是試製車輛問題頻繁而被淘汰,後期即便有些裝備柴油機的列車,實際也是柴油機發電再使用電驅的增程式列車;不過增程技術只是在架空接觸網技術沒有成熟之前的過渡,就像是動力電池的成本問題沒有解決之前,汽車也有增程式選項是一個道理,在電池成本下探之後、所有混動和增程車輛都會像淘汰柴電列車一樣被淘汰了。

編輯:天和Auto-小編

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