Nobody understands the point of hybrid cars [video]

### TL;DR 混合动力车的核心不是电动机和电池本身，而是它们让一台效率极高但动力孱弱的阿特金森循环发动机变得实用，从而大幅降低油耗。 ## 2021款丰田赛那：一台全混合动力的MPV 2021款丰田赛那是一台三排座MPV，被很多人认为是市面上最好的选择，前提是你能放下身段接受MPV的形态。在这个年款，丰田做了一件非常大胆的事：砍掉了V6发动机，让每一辆赛那都成了混合动力车型。这一举动得罪了不少人，但也推出了一款MPV——它的每加仑汽油能比竞争对手多跑超过50%的路程。这辆车的油耗惊人地稳定，无论是城市还是高速，综合油耗达到34英里每加仑。而且它是一辆MPV，还带全轮驱动。相比之下，我第一辆车是本田思域，在高速上勉强能达到这个油耗，城市则差得多，而那只是一辆双门小轿跑。 ## 混合动力的真正意义：不只是电池和电动机 如今大多数人都知道混合动力车比非电动化车型油耗更低，是因为使用了储存电能的电池组和利用这些能量辅助发动机的电动机。但有一点不太为人所知：这些电池和电动机实际上与混动车如何实现惊人的燃油经济性关系不大。这辆车不是那种新潮的插电式混合动力车，它是传统的混合动力车，就像初代丰田普锐斯一样。这意味着其动力系统可用的所有能量都来自油箱里的汽油——除了驾驶它，没有办法给电池充电。也就是说，混动系统用来驱动汽车的所有能量，最终都来自汽油和发动机。 那它为什么还要有电动机和电池呢？因为没有它们，开这辆车会非常难受。 ## 内燃机的低效与妥协 内燃机并不擅长它本该做的事情。当你把它们归结到核心任务——将燃料中的化学能转化为机械能以驱动汽车时——它们表现得相当糟糕。你能幸运地从汽油中捕获的能量只有四分之一，其余的都作为热量浪费掉了。这就是为什么你的车有这么大的散热器，为什么冷却系统问题能迅速毁掉一台发动机。 发动机之所以如此，部分原因在于一种妥协：发动机产生的功率会根据其转速的巨大不同而差异巨大。例如，日产Cube上的MR-18DE发动机，其标称的122马力只有在曲轴转速大约为5200转/分钟时才能产生（靠近红线）。在任何较低的转速下，它都无法产生全功率，在正常巡航速度下运行，这台发动机只能勉强输出50马力。 这就是为什么汽车需要变速箱：我们需要能够改变发动机曲轴旋转速度与车轮旋转速度之间的比率，以便根据发动机的特性对其进行实际应用。加速时我们希望让发动机快速提高转速以产生更多功率，这就是低档位的作用。但随着速度提高，车轮会转得太快，让发动机无法跟上，这时我们改变传动比，降低发动机转速同时保持车轮速度。 此外，内燃机在较低的转速下运行时更省油——发动机内部充满了高速相互滑动的金属部件，转速越高，摩擦力越大，泵气损失也越严重。理想情况下，我们希望拥有一台在我们需要它产生大量功率来加速时能够快速旋转，同时能在较低转速下高效运行以实现省油巡航的发动机。但现实是，我们无法两全其美。 ## 奥托循环 vs 阿特金森循环 四冲程发动机几乎普遍采用奥托循环，以发明者Nikolaus Otto命名。在奥托循环中，进气冲程和压缩冲程的长度与做功冲程的长度相同。詹姆斯·阿特金森意识到，由于发动机产生的功率来自热气体的膨胀，奥托循环通过限制这些气体的膨胀程度浪费了一点能量——在做功冲程结束时，新膨胀的热气体仍然对活塞施加压力，但排气门此时打开，释放了这部分能量。 阿特金森设计了相当奇怪的机构来实现更长的做功冲程。今天，通过摆弄进气门正时，我们可以用传统的奥托循环发动机设计实现同样的效果。如果我们允许进气门在部分压缩冲程中保持打开，那么上升的活塞就会在气缸被密封进行压缩之前，将部分空气燃料混合物推出气缸，推回进气歧管。这样做时，它被称为改良型阿特金森循环发动机——这就是你在任何像样的混合动力车（追溯到最初的丰田普锐斯）中能找到的。 当活塞开始上升时让进气门保持打开，意味着我们可以在压缩冲程中有效地缩小燃烧室的尺寸，并在做功冲程中将其扩大。结果：一台改良型阿特金森循环发动机可以将超过40%的汽油化学能转化为机械能。丰田声称2021款赛那中的2.5升发动机可以达到41%的热效率（也有规格表声称最高效点是39.8%）。无论如何，这相比标准奥托循环发动机是显著的效率提升。 ## 为什么不用阿特金森循环发动机装在每辆车上？ 如果只要调整进气门正时就能让发动机显著提高燃油效率，为什么不把改良型阿特金森循环发动机装到每辆车上呢？随着可变气门正时的出现，我们确实有点这么做了。但问题在于，阿特金森循环在巡航速度下最大化燃油效率，但在你需要大功率时表现很差。 这台2.5升四缸发动机能产生186马力——对于这么大的一辆车或这么大排量的发动机来说不算多。而且发动机输出动力的方式会让很多人觉得非常烦人——它的低速扭矩很差。如果这辆MPV只有那个发动机，它将是一个非常缓慢的肉车，没人会喜欢开。它会非常省油，但驾驶体验无法接受。 ## 混合动力的真正角色：急加速的助力器 这正是混合动力汽车的意义所在。汽车的特点是：它们只在加速时需要大量的发动机功率。一旦达到速度，你根本不需要那么大的功率。这辆MPV只需大约30马力就能维持70英里/小时的速度——有些割草机都能提供那么多动力。 所以，与其给车一个大V6发动机只是为了降低高速匝道的并入难度，不如给它一个小四缸发动机，针对巡航速度优化到极致，然后用一些电动机在加速时给发动机一个助力。用电池组中储存的能量来驱动这些电动机，然后一有机会就把从电池中取用的能量补充回来，让它们为下一次超车做好准备。 这就是混合动力系统的全部意义：它们是解决急加速这个边缘案例的一种练习，而不诉诸于给汽车装备一个更大、更耗油的发动机这种蛮力方案。这辆车里的电动机和电池组只是作为一个辅助能量源存在，可以在任何时候明智地借用和补充。 有时是为了增加总系统功率输出：发动机最大功率186马力，电动机可以额外增加大约60马力，所以总功率能达到245马力——比2002款本田奥德赛3.5升V6发动机的功率还多5马力，而那辆MPV的油耗勉强能达到20英里每加仑。 有时在温和加速期间，汽车电脑会从电池组借用能量。例如，如果请求80马力，但电脑知道发动机限制在60马力时更省油，那么汽车就会让发动机只产生60马力，剩下的20马力由电动机和电池补充。 ## 总结：没有人真正理解混合动力车的点 “没有人”是夸张的说法——设计这些东西的工程师们当然明白混动汽车的意义。但是，当大众讨论混动汽车如何实现更低油耗时，讨论往往集中在混动系统能带来的酷炫新功能上，比如能量回收制动，或者不用发动机就能驱动汽车的能力。这些只是锦上添花。真正的蛋糕胚是发动机。 是的，混动汽车需要那些电动机来让发动机不至于感觉像它本身那样，是那个气喘吁吁、妥协的肉车。但只有发动机消耗能量。这就是为什么阿特金森循环发动机是独门秘方——自从詹姆斯·阿特金森在1914年去世后，我们本可以在汽车上一直使用这个独门秘方。但发动机本身的表现很糟糕——直到我们完善了开发混合动力系统所需的电子设备和控制系统，没有人会买一辆装有阿特金森循环发动机的汽车。 --- **Source:** [Nobody understands the point of hybrid cars [video]](https://www.youtube.com/watch?v=KnUFH5GX_fI)