飛機和汽車(chē)是我們日常生活中常見(jiàn)的兩種出行工具，它們的心臟——航空發(fā)動(dòng)機與汽車(chē)發(fā)動(dòng)機雖然都是起到能量轉化推動(dòng)機械工作的關(guān)鍵作用，其工作原理和使用特點(diǎn)卻大有不同，探究其內在熱力學(xué)循環(huán)過(guò)程不難發(fā)現其本質(zhì)差別。
讓我們從航空發(fā)動(dòng)機和汽車(chē)發(fā)動(dòng)機的工作特點(diǎn)出發(fā)，先進(jìn)行一個(gè)初步的了解：航空發(fā)動(dòng)機內部通過(guò)高速旋轉帶動(dòng)工質(zhì)氣流朝一個(gè)方向流動(dòng)，而汽車(chē)發(fā)動(dòng)機往往采用活塞等往復式吞吐，這種活塞運動(dòng)速度受往復式做功的制約進(jìn)而造成工質(zhì)流量的制約。也就是說(shuō)航空發(fā)動(dòng)機在運行過(guò)程中吞吐的工質(zhì)流量更大，功率更高。另外我們可以發(fā)現工質(zhì)在航空發(fā)動(dòng)機中依次流經(jīng)不同部件，在這個(gè)過(guò)程中逐步完成其熱力學(xué)循環(huán)，而汽車(chē)發(fā)動(dòng)機多是在一個(gè)氣缸內完成所有熱力學(xué)循環(huán)過(guò)程。
圖1 航空發(fā)動(dòng)機及汽車(chē)發(fā)動(dòng)機結構對比
實(shí)際上，航空發(fā)動(dòng)機和汽車(chē)發(fā)動(dòng)機不僅是工質(zhì)完成熱力學(xué)循環(huán)的方式和結構不同，其熱力學(xué)循環(huán)也存在本質(zhì)差異。那么什么是熱力學(xué)循環(huán)呢？熱力學(xué)循環(huán)不僅發(fā)生在航空發(fā)動(dòng)機與汽車(chē)發(fā)動(dòng)機中，還體現在我們熟知的蒸汽機、汽輪機等等一系列熱機中。熱機的工質(zhì)從某個(gè)狀態(tài)出發(fā)，經(jīng)過(guò)若干個(gè)不同的變化過(guò)程，又回到它的原來(lái)狀態(tài)的整個(gè)過(guò)程就稱(chēng)為循環(huán)過(guò)程。
簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)在熱力學(xué)循環(huán)中重復著(zhù)這樣的過(guò)程：工質(zhì)從高溫熱源吸收熱量Q1增加內能，并將一部分內能通過(guò)做功轉化為機械能，另一部分內能在低溫熱源中通過(guò)放熱Q2傳給外界使工質(zhì)回到初始狀態(tài)。周而復始，循環(huán)往復。
那么航空發(fā)動(dòng)機和汽車(chē)發(fā)動(dòng)機的內在熱力學(xué)循環(huán)有什么不同呢？
圖2 奧托循環(huán)工作過(guò)程及循環(huán)原理
汽車(chē)發(fā)動(dòng)機采用的內燃機運用的熱力學(xué)循環(huán)過(guò)程為奧托循環(huán)。其工作循環(huán)過(guò)程發(fā)生在氣缸內，由活塞往復運動(dòng)形成工質(zhì)的進(jìn)氣、壓縮、膨脹和排氣等多個(gè)有序聯(lián)系、重復進(jìn)行的過(guò)程。其中在奧托循環(huán)的每個(gè)沖程，活塞行程都保持一致，是定容加熱的理想熱力循環(huán)。
如圖2，過(guò)程的初始0狀態(tài)對應外界大氣；0-1對應吸氣過(guò)程，通過(guò)打開(kāi)進(jìn)氣閥門(mén)吸入空氣或空氣與燃料混合氣，1-2過(guò)程對應壓縮沖程，通過(guò)活塞壓縮行程將混合氣的溫度壓力提高到合適水平然后以點(diǎn)燃或壓燃的方式開(kāi)始燃燒釋放熱能，燃料燃燒過(guò)程中缸內工質(zhì)溫度壓力得到進(jìn)一步提升，在活塞通過(guò)上止點(diǎn)后的膨脹行程對外做功，將燃料燃燒產(chǎn)生的熱能轉化為機械能，即2-3這個(gè)定容加熱過(guò)程和3-4氣缸內發(fā)生的膨脹做功沖程，最終4-0過(guò)程對應向外排氣過(guò)程，至此一次完整的奧托循環(huán)過(guò)程結束。
采用這種循環(huán)的發(fā)動(dòng)機結構相對簡(jiǎn)單，且在各轉速下發(fā)動(dòng)機都能提供較好的動(dòng)力輸出。但它的缺點(diǎn)在于燃油效率比較差，這是因為在奧托循環(huán)中壓縮比與膨脹比相同，這對提高燃油效率并不能起到積極作用，為此設計人員在奧托循環(huán)基礎上提出了膨脹比大于壓縮比的循環(huán)方式——阿特金森循環(huán)和米勒循環(huán)（如圖3）在壓縮行程較短的情況下?lián)碛懈L(cháng)的做功行程，進(jìn)而汲取更多的能量，直接提升了燃油效率。
圖3 高膨脹比循環(huán)過(guò)程
那么我們說(shuō)回航空發(fā)動(dòng)機，航空發(fā)動(dòng)機屬于燃氣輪機，其工作過(guò)程中的熱力學(xué)循環(huán)為布雷頓循環(huán)，圖4為布雷頓循環(huán)的原理圖。就噴氣式發(fā)動(dòng)機而言，初始狀態(tài)1這一點(diǎn)表示大氣氣體狀態(tài)，氣體經(jīng)由進(jìn)氣道被吸入壓氣機壓縮的過(guò)程是圖中1-2的等熵壓縮過(guò)程，理想情況下在這個(gè)階段，空氣的總熵不變，氣體受壓縮作用使得溫度上升。（實(shí)際過(guò)程中必然存在一點(diǎn)損失，存在熵增）。氣體從點(diǎn)2到點(diǎn)3是在燃燒室中進(jìn)行等壓加熱，區別于奧托循環(huán)中的等容加熱過(guò)程。經(jīng)過(guò)燃燒室加熱后高溫氣體經(jīng)過(guò)渦輪等熵膨脹（對應3-4這個(gè)循環(huán)階段），在這個(gè)過(guò)程中推動(dòng)渦輪做功，自身內能下降溫度降低。分析布雷頓熱力學(xué)循環(huán)可以看出，3點(diǎn)的溫度越高，氣體在渦輪前內能越高，在經(jīng)過(guò)渦輪時(shí)膨脹做功也越多，進(jìn)而推動(dòng)發(fā)動(dòng)機產(chǎn)生更大的推力。這一點(diǎn)的溫度也叫渦輪前溫度，是航空發(fā)動(dòng)機的重要設計參數，目前噴氣發(fā)動(dòng)機普遍能到1400K以上，一些戰斗機搭載的發(fā)動(dòng)機渦輪前溫度能到2000K左右，對發(fā)動(dòng)機熱端材料及冷卻系統設計提出了巨大挑戰。另外， 1-2的等熵過(guò)程的路徑是唯一確定的，代表著(zhù)每一個(gè)渦輪前溫度都對應一個(gè)最佳增壓比，使發(fā)動(dòng)機的熱效率最高。因此為提高航空發(fā)動(dòng)機性能，工程師們多年來(lái)一直致力于從設計上盡可能提高渦輪前溫度和壓氣機增壓比。
圖4 布雷頓熱力學(xué)循環(huán)原理
了解了奧托循環(huán)和布雷頓循環(huán)也就理解了航空發(fā)動(dòng)機與汽車(chē)發(fā)動(dòng)機驅動(dòng)動(dòng)力產(chǎn)生原理的本質(zhì)不同。并且不難發(fā)現，奧托循環(huán)作為閉合循環(huán)，工質(zhì)可以在氣缸內實(shí)現循環(huán)不同階段。布雷頓循環(huán)作為開(kāi)放循環(huán)，工質(zhì)在不同的階段通過(guò)不同的工作部件完成循環(huán)過(guò)程。布雷頓循環(huán)為追求高運行效率各個(gè)部件各司其職，這種工作方式更有利于實(shí)現最大效率及低油耗，但也因此難以實(shí)現小型化所以更適用于大型機械，而非汽車(chē)這樣的小型交通工具。然而實(shí)際上，天馬行空的汽車(chē)工程師們沒(méi)有放棄對這種應用的嘗試。
早在50年代就有過(guò)像Chrysler這樣的從業(yè)者嘗試將其運用到汽車(chē)上，然而種種嘗試后還是終止了這種探索。該公司曾推出了50臺Chrysler turbine car ，經(jīng)過(guò)公眾一年多的試駕后最終Chrysler決定收回銷(xiāo)毀僅留下9輛作為紀念（如圖5）。原因是這種應用存在一系列未得到有效解決的問(wèn)題：一方面，燃氣輪機工作過(guò)程中內部持續處于高溫環(huán)境，其使用壽命及可靠性面臨巨大挑戰；另一方面，燃氣輪機往往在設計工況高速穩定運轉時(shí)工作效率高耗油率低，在汽車(chē)駕駛過(guò)程中頻繁的加減速及緩行的工況下缺乏經(jīng)濟性。而且燃氣輪機的噪聲問(wèn)題也成為其在汽車(chē)應用上的阻礙。
圖5 曇花一現的Chrysler turbine car
時(shí)至今日，機智的工程師們已經(jīng)轉而探索混合動(dòng)力形式，像搭載微型燃氣輪機-電池混合動(dòng)力系統的大型客車(chē)/貨車(chē)。我們仍然期待，創(chuàng )新的理念與革新的技術(shù)，逐步提高動(dòng)力機械的熱力學(xué)效率并進(jìn)一步拓寬其應用領(lǐng)域。
來(lái)源：中國科學(xué)院工程熱物理研究所
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