Energy Rumor Buster(九) —續(3)–番外篇

這篇純粹是多寫的,這篇開宗明義要說的是:
『內燃機』雖然是人類最偉大的原動機;
但『電動機』才是人類發明特性最好的原動機。

在寫這幾篇找資料期間,很意外看到徐業良教授,發表於汽車購買指南雜誌2010年9月號的這篇史丹福專欄文章:為何電動車只有一個檔位呢?,個人覺得徐教授並沒有把電動機為什麼沒有變速箱這點,完整道地的說出來,於是一時興起就寫的這篇,也許有人會說我這沒有念過大學的「魯蛇」,憑什麼對念過史丹福大學的學者說三道四的,如果真有這種想法的朋友,就不要再看下去了。

依慣例還是在文前先做警告,有鑑於我的朋友大部分都是因騎車認識的,這篇就請直接跳過吧!如果有興趣看下去的人,或是有相關機、電工程背景的朋友,不妨往下看看我說的是不是有道理!

再透漏一點前塵往事。前幾篇說了一些過去的興趣演進,如果有注意我在13年前曾幫一本小眾刊物寫的邀稿(其實當時總共寫了4篇),但因為個性低調,很少人知道我是這幾篇文章的原作者。看到這幾篇加上我曾寫過幾篇對『錢沾計畫』的批評,相信應該不難猜到我的興趣是─『鐵路』;也就是一般人所謂的─『火車』。話說我過去所喜愛的興趣;像機械、內燃機等,其實都與『火車』有著不小的關聯,記得以前在學校的時候,我就曾花不少的時間蹲在圖書館,把當時所有的台鐵月刊,硬生生地給它看了兩遍,退伍後有段工作期間的租屋處離母校不遠,趁機又把台鐵月刊再給它全部翻過一遍,這當中除了我興趣的機、電相關文章必讀以外(這當然也包括內燃機),其他跟鐵路有關的軌道及鐵路工程等許多啦哩啦雜的,也一併通通給它啃進腦袋裡去,就這樣,我就藉著對『火車』的喜愛,無形中厚實了許多的專業常識。

要『評論』上面徐教授這篇文章,請先參閱原動機(Prime Mover)這篇維基百科─補註:因為日文版寫的比較清楚,裡面列出的各種原動機,不難看出俗稱馬達的;各種一系列所謂的電動機,相比其他形式的原動機,不管在轉速、轉矩、控制及效率等,幾乎都完勝其他型式的原動機,唯獨動力來源是電動機使用上最大的缺點,所以在一般電源方便取得的固定場所,幾乎都被馬達給全面攻佔了,至於移動式動力來源,就只能讓座給內燃機,這也就是造就了『內燃機』成為人類最偉大原動機的主要原因。

其實,徐教授的這篇文章是瑕不掩瑜,有關變速箱的疑問,我也曾經天外飛來一筆的,問過學汽車的學生:『為什麼汽車需要變速箱』?大部分人的回答都不脫離徐教授所寫的內容。相信大家一定都知道,所有的不管是汽油還是柴油引擎等內燃機,它們的最大扭力點;視引擎設計,通常在高轉速、大馬力的汽油引擎是發生在50%轉速以上、大扭力汽油及柴油引擎則在50%轉速以下即可發生最大轉矩,無論如何都必須要靠變速箱,提供低速到高速域這段過渡區間內,能具有足夠的扭力,有興趣的可以看這篇:變速箱歷史的科普及這篇:手動檔為什麼不用行星齒輪?,再加上汽油引擎的經濟轉速區間非常的窄,以變速箱提供引擎操作在最佳的工作區間,有興趣的可以看這篇對岸文章:帳面參數有玄機關於功率扭矩曲線那些事,但是電動機就不一樣;就算是骨董級的直流馬達,它也可以輕易地透過簡單的控制達成,低速可以具有充沛轉矩的操作曲線,隨著轉速上升,還能維持相當範圍的定馬力區間,近20年來,隨著變頻器控制技術的突飛猛進,就連交流馬達也能輕易地達成,比過去直流馬達還要好的動力特性。

另一點就是,不管是汽油還是柴油引擎等內燃機都有一個基本特點:它本身並不具有所謂的啟動轉矩;所以它們必須要操作在一定的轉速以上,這就是一般內燃機需要怠速的由來,於是才會有離合器及扭矩變換器等機械裝置的發明,可是馬達就不一樣,它可以輕易地透過控制產生出相當的啟動轉矩。就以上的兩個馬達的特點,『內燃機』雖是人類最偉大的原動機,但是『電動機』才是人類發明特性最好的原動機。

採用電動機動力還有一個最大的優點就是,它可以採用再生煞車,將煞車或是下坡時的能量,做適度的回收,以提供下次加速時的能量,各位可以再回頭來看看這篇維基百科,可以看到,其實空氣馬達及液壓馬達也可以具有再生煞車功能,但這點卻是一般內燃車輛絕對無法達到的功能,現今除了電力再生煞車系統外,目前世界上也的確有液壓混合動力車輛(Hydraulic Hybrid Vehicle, HHV)商品的出現,但就維修及設備複雜度而言,電動力車輛的再生煞車還是最具方便性及維護性,而技術上也是相對的成熟,不管是交流還是直流馬達皆是如此,尤其它應用在鐵路上,早已經超過百年的歷史。至於(空)氣壓馬達,因為空氣壓縮的能源效率太低,個人認為在目前追求能源效率的當下,氣壓馬達未來恐怕是不會被看好。

由於電動機優異的動力特性,它也常常被利用在動力傳輸上,其中最為人熟知的就是柴電機車,而這也是台鐵在鐵路電氣化之前,在非電化鐵路區間的主要動力機來源,但是目前幾乎都已經退居到南迴線及花東線的部分車輛運用。這種系統可使柴油引擎運轉在定速及定馬力區間,再透過發電機及馬達完成動力的傳輸,這種層層轉換、看似沒效率的傳輸方式,卻因為馬達而獲得最佳的動力特性,這種柴電動力傳輸架構,幾乎是目前世界上非電化鐵路機車的標準系統,美國的柴油火車也幾乎百分之百是柴電機車,其性能優異不言可喻!

就算在全電動車輛要完全普及,可能需要再費一段時間,但是在那個時間來臨前,油電混合的動力系統,應該會具有一定的主宰地位,可是,一般學機械的人,其實不容易把電機學透徹,同樣的,一般學電的人對機械也會有一種莫名的恐懼,所以不少學機械的人,並無法太了解油電混合車的操作原理,尤其是Toyota的Hybrid系統,而我因為過去那段特別的經歷,再加上問對了人,點破了一些ECVT的概念,使我對Hybrid(油電混合)能夠有一定程度的了解,我非常感謝離開學校後,多年漂泊在外跌跌撞撞的體驗,藉著自己電機的底子,再加上對機械的興趣,除了努力之外,應該可以歸咎於運氣,讓我能夠了解這些機電系統之間的關聯性。

說實話,本篇所述的觀念,其實是說破不值錢,一般人並不需要了解這種Original Philosophical Thinking,但是如果想要從無到有,設計出一套動力系統,就必須考慮到這些許許多多原動機特性,以及包含動力傳輸等種種因素,才能設計出一套優良的動力系統,這時你就不得不考慮到,各種原動機的先天侷限與特性!(為什麼電動汽車沒有變速箱也能跑?

徐業良教授在文中也有謙虛的表示,對這個領域不夠專業。撇開馬達這個面向,徐教授的許多文章仍然具有相當的參考價值,各位有興趣的朋友,可以看看徐業良教授的專屬網頁,我十分讚嘆徐教授這種知識共享的精神,裡面還有相當多可供參考的資料,非常值得與大家分享。

待續……(繼續再說說馬達的優異…)

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