国产大飞机引擎有了世界高度汽车能否引入?

摘要:首款国产大型客机——c919正式在浦东机场首飞,继航天、航母之后,中国在高新技术领域再次站在世界高度.大型客机和现代军用战机用的都是燃气轮机,虽然与汽车用的活塞发动机在工作方式上有本质区别,但都属于热机（engine）的范畴.那么问……

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责任编辑:孙永乐

5月5日,首款国产大型客机——c919正式在浦东机场首飞,继航天、航母之后,中国在高新技术领域再次站在世界高度.大型客机和现代军用战机用的都是燃气轮机,虽然与汽车用的活塞发动机在工作方式上有本质区别,但都属于热机（engine）的范畴.那么问题来了,民用汽车不能使用迷你化的航空发动机（燃气轮机）呢？

●什么是燃气轮机？

燃气轮机又叫做燃气涡轮发动机（gas turbine engine) ,这是一个非常广泛的称谓,包括涡轮喷气、涡轮风扇、涡轮螺桨等等.就像活塞发动机一样,也可以分为直列、v型、水平对置、乃至星型.燃气轮机的应用比活塞发动机更加广泛,舰船、坦克、航空,“海陆空”军用领域,凡是要求高机动性的产品都会配备不同形式的燃气轮机.

看看民航上的装的航空燃气涡轮机,逼格爆表,比汽车发动机不知道高到哪里去了.

●结构上有哪些特点？

汽车用的活塞发动机其本质上,是将活塞往复式运动通过连杆和曲轴转化为旋转式运动,结构上的复杂导致机械损耗偏大.同时,以四冲程活塞发动机为例,其单位时间只有一个冲程处于做功状态,这就需要多个气缸才能做到起码的平顺输出,且越多越好.然而,及时气缸再多,也不能做到真正的“无缝衔接”,其扭矩输出始终存在周期性的变化.

而燃气轮机最大的特点就是直接输出的是旋转运动,不需要将直线运动转换为旋转运动,能够快速飙到高转速,且非常稳定.结构上,燃气轮机省了连杆、曲轴、活塞以及一整套正时系统,结构极度简化,而且空气直接高速流过发动机内部,且与转速正反馈,虽然工作温度更高,但冷却系统相对简单.

●相比活塞发动机有哪些优势？

▼转速优势

燃气轮机“简单粗暴”的结构原理让其相比活塞发动机非常容易飚高转速,动辄大几万转/分钟那种.转速高且并且非常稳定,在该达到正常工作转速时,其扭矩输出非常稳定,平顺性极佳,不存在内燃机需要平衡震动、噪音控制等烦人的问题.

▼热效率优势

现在的米勒循环、阿特金森循环活塞发动机,因为四个冲程经过特殊处理（让膨胀比更大）,其热效率最高已经能达到40%,然而这对燃气轮机来说只是入门级的.根据透平前温度不同,燃气轮机的热效率会稳步提升,透平前温度1550摄氏度等级的联合循环燃气轮机其热效率能达到惊人的60％,再往上也就只有电动机了（80%-90%）.

▼功率优势

燃气轮机的功率密度高,即是达到同样的峰值输出,可以比活塞发动机做到小得多的体积和重量.如果在汽车领域应用,这不仅意味着汽车性能能达到更高的极限,整个汽车产品的结构规划布局都会有着划时代的改变.

●未能推广开来,是因为哪些局限性？

▼保养问题

燃气轮机的机械结构长期处于超高温的工作环境下（功率越高的工作温度越高）,对零部件的各项要求都相比活塞发动机更高,成本更高.同时在维护保养上也不能像后者那样随便,汽车一般几个月去4s店保养一下就行,大保养得好几年,几万公里.而燃气轮机,看看民航吧,基本上属于随身携带“保姆”.

▼排放问题

工作环境的高温,使得氮氧化物的排放成为一个大问题,这种污染物的排放量与燃烧室的工作温度正相关,且会随着温度升高呈指数上涨.在排放法规越来越严格的今天,这一条简直是死穴.

▼油耗问题

燃气轮机热效率高是事实,但为什么会存在油耗高的问题呢,其实很简单.这种发动机只有在一个很窄的转速范围内才能保持超高的热效率,而在怠速以及转速爬升阶段,其热效率却低的令人发指,同时动态响应速度也远不如活塞发动机.对飞机这种要求长期稳定高转的机械来说,这不算问题,但对需要频繁启停、加减速的汽车来说,这就是致命伤.

●未来有哪些发展方向？

说道汽车的发展方向,第一个想到的是phev混动车；说道混动车,第一个想到的是丰田的混动系统；说道丰田的混动系统,其最大的卖点就是高热效率的阿特金森循环发动机和行星齿轮动力耦合机构.

混动车的工作机制能让阿特金森循环发动机长时间处于热效率最高的工况,但其发动机本身的动态响应和经济工况范围都比不上传统的米勒循环,只能说混动车的工作机制为这种发动机创造了有利的工作环境,并且这种工作环境同样适用于燃气轮机,以及转子发动机,不求快速响应,不求宽泛的经济转速工况,只求稳定转速以及超高的热效率.

当然了,相比现在传统混动车为阿特金森循环发动机营造的工作环境,燃气轮机则会提出更苛刻的要求.至于燃气轮机结构的微型化、维护保养、以及成本控制等,这些都不是不可调和的矛盾.

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