從熱力學循環過程看航空發動機與汽車發動機_風聞

飛機和汽車是我們日常生活中常見的兩種出行工具，它們的心臟——航空發動機與汽車發動機雖然都是起到能量轉化推動機械工作的關鍵作用，其工作原理和使用特點卻大有不同，探究其內在熱力學循環過程不難發現其本質差別。

讓我們從航空發動機和汽車發動機的工作特點出發，先進行一個初步的瞭解：航空發動機內部通過高速旋轉帶動工質氣流朝一個方向流動，而汽車發動機往往採用活塞等往復式吞吐，這種活塞運動速度受往復式做功的制約進而造成工質流量的制約。也就是説航空發動機在運行過程中吞吐的工質流量更大，功率更高。另外我們可以發現工質在航空發動機中依次流經不同部件，在這個過程中逐步完成其熱力學循環，而汽車發動機多是在一個氣缸內完成所有熱力學循環過程。

圖1 航空發動機及汽車發動機結構對比

實際上，航空發動機和汽車發動機不僅是工質完成熱力學循環的方式和結構不同，其熱力學循環也存在本質差異。那麼什麼是熱力學循環呢？熱力學循環不僅發生在航空發動機與汽車發動機中，還體現在我們熟知的蒸汽機、汽輪機等等一系列熱機中。熱機的工質從某個狀態出發，經過若干個不同的變化過程，又回到它的原來狀態的整個過程就稱為循環過程。

簡單來説在熱力學循環中重複着這樣的過程：工質從高温熱源吸收熱量Q1增加內能，並將一部分內能通過做功轉化為機械能，另一部分內能在低温熱源中通過放熱Q2傳給外界使工質回到初始狀態。週而復始，循環往復。

那麼航空發動機和汽車發動機的內在熱力學循環有什麼不同呢？

圖2 奧托循環工作過程及循環原理

汽車發動機採用的內燃機運用的熱力學循環過程為奧托循環。其工作循環過程發生在氣缸內，由活塞往復運動形成工質的進氣、壓縮、膨脹和排氣等多個有序聯繫、重複進行的過程。其中在奧托循環的每個衝程，活塞行程都保持一致，是定容加熱的理想熱力循環。

如圖2，過程的初始0狀態對應外界大氣；0-1對應吸氣過程，通過打開進氣閥門吸入空氣或空氣與燃料混合氣，1-2過程對應壓縮衝程，通過活塞壓縮行程將混合氣的温度壓力提高到合適水平然後以點燃或壓燃的方式開始燃燒釋放熱能，燃料燃燒過程中缸內工質温度壓力得到進一步提升，在活塞通過上止點後的膨脹行程對外做功，將燃料燃燒產生的熱能轉化為機械能，即2-3這個定容加熱過程和3-4氣缸內發生的膨脹做功衝程，最終4-0過程對應向外排氣過程，至此一次完整的奧托循環過程結束。

採用這種循環的發動機結構相對簡單，且在各轉速下發動機都能提供較好的動力輸出。但它的缺點在於燃油效率比較差，這是因為在奧托循環中壓縮比與膨脹比相同，這對提高燃油效率並不能起到積極作用，為此設計人員在奧托循環基礎上提出了膨脹比大於壓縮比的循環方式——阿特金森循環和米勒循環（如圖3）在壓縮行程較短的情況下擁有更長的做功行程，進而汲取更多的能量，直接提升了燃油效率。

圖3 高膨脹比循環過程

那麼我們説回航空發動機，航空發動機屬於燃氣輪機，其工作過程中的熱力學循環為布雷頓循環，圖4為布雷頓循環的原理圖。就噴氣式發動機而言，初始狀態1這一點表示大氣氣體狀態，氣體經由進氣道被吸入壓氣機壓縮的過程是圖中1-2的等熵壓縮過程，理想情況下在這個階段，空氣的總熵不變，氣體受壓縮作用使得温度上升。（實際過程中必然存在一點損失，存在熵增）。氣體從點2到點3是在燃燒室中進行等壓加熱，區別於奧托循環中的等容加熱過程。經過燃燒室加熱後高温氣體經過渦輪等熵膨脹（對應3-4這個循環階段），在這個過程中推動渦輪做功，自身內能下降温度降低。分析布雷頓熱力學循環可以看出，3點的温度越高，氣體在渦輪前內能越高，在經過渦輪時膨脹做功也越多，進而推動發動機產生更大的推力。這一點的温度也叫渦輪前温度，是航空發動機的重要設計參數，目前噴氣發動機普遍能到1400K以上，一些戰鬥機搭載的發動機渦輪前温度能到2000K左右，對發動機熱端材料及冷卻系統設計提出了巨大挑戰。另外， 1-2的等熵過程的路徑是唯一確定的，代表着每一個渦輪前温度都對應一個最佳增壓比，使發動機的熱效率最高。因此為提高航空發動機性能，工程師們多年來一直致力於從設計上儘可能提高渦輪前温度和壓氣機增壓比。

圖4 布雷頓熱力學循環原理

瞭解了奧托循環和布雷頓循環也就理解了航空發動機與汽車發動機驅動動力產生原理的本質不同。並且不難發現，奧托循環作為閉合循環，工質可以在氣缸內實現循環不同階段。布雷頓循環作為開放循環，工質在不同的階段通過不同的工作部件完成循環過程。布雷頓循環為追求高運行效率各個部件各司其職，這種工作方式更有利於實現最大效率及低油耗，但也因此難以實現小型化所以更適用於大型機械，而非汽車這樣的小型交通工具。然而實際上，天馬行空的汽車工程師們沒有放棄對這種應用的嘗試。

早在50年代就有過像Chrysler這樣的從業者嘗試將其運用到汽車上，然而種種嘗試後還是終止了這種探索。該公司曾推出了50台Chrysler turbine car ，經過公眾一年多的試駕後最終Chrysler決定收回銷燬僅留下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題：一方面，燃氣輪機工作過程中內部持續處於高温環境，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工作效率高耗油率低，在汽車駕駛過程中頻繁的加減速及緩行的工況下缺乏經濟性。而且燃氣輪機的噪聲問題也成為其在汽車應用上的阻礙。

圖5 曇花一現的Chrysler turbine car

時至今日，機智的工程師們已經轉而探索混合動力形式，像搭載微型燃氣輪機-電池混合動力系統的大型客車/貨車。我們仍然期待，創新的理念與革新的技術，逐步提高動力機械的熱力學效率並進一步拓寬其應用領域。

來源：中國科學院工程熱物理研究所