而在1964年11月北美揭橥的《车队所有者》专题文章中描述到“这些人坚信,燃气涡轮发动机将像改变飞机动力领域那样,彻底改变汽车动力领域。”足以可见当时的工程师的想法有多大胆,以是在当年,不仅是卡车,就连克莱斯勒都在1963年时考试测验生产搭载燃气轮机的轿车,不过为何现今燃气轮机已经偃旗息鼓了?
布雷顿循环事理
为了搞清楚这个问题,我们首先须要理解什么是燃气轮机?燃气轮机的基本事理因此空气为事情流体进行布雷顿循环事理,大致可理解为外部空气流过压缩机,使其达到更高的压力,然后通过将燃料喷射到空气中并点燃来添加能量,使燃烧后产生高温流。而后这种高温加压气体进入涡轮机,在此过程中产生轴功输出,用于驱动压缩机。
在空想的燃气轮机中,气体经历四个热力学过程,分别为等熵压缩、等压(恒压)燃烧、等熵膨胀和排热。这些共同组成了布雷顿循环,也称为“恒压循环”。它与传统内燃机所利用的四冲程奥托循环的差异在于,布雷顿循环的所有过程(压缩、点火、做功、排气)可以同时发生。
装置于美军艾布拉姆斯M1A1主战坦克的AGT1500燃气轮机
当然,燃气轮机由于须要知足不同领域的利用需求,以是可以从大类上拆分为飞机、火车、轮船、发电机、泵、军事、气体压缩机和储罐等多种领域。而根据利用领域的不同,燃气轮机的构造和所利用的燃料也有诸多差异,构造上可拆分为涡轮喷气发动机、)涡轮螺旋桨发动机、涡轮轴发动机、高涵道涡扇发动机、低涵道加力涡扇发动机,而这些发动机又可以根据详细用场来设计尺寸和功率。
在主流的车用燃气轮机领域,天然气(LNG、CNG)是最常见的燃气轮机燃料之一。它紧张由甲烷组成,是一种清洁的化石燃料。天然气在燃烧时产生较少的污染物,因此被广泛运用于燃气轮机和其他燃烧设备中。其二是液化石油气(LPG),液化石油气是一种稠浊物,紧张由丙烷和丁烷组成。它是一种便携式和易于储存的燃气燃料,常用于燃气轮机和液化石油气炉具。
目前也有厂家利用生物气体,生物气体是通过生物(例如植物和动物废弃物)发酵过程产生的气体。它可以用作可再生能源,并被用于燃气轮机发电。其四为合成气体,合成气体是通过将固体燃料(如煤)或液体燃料(如石油)进行气化产生的气体,合成气体可以用作燃气轮机的燃料。
车用燃气轮机的详细布局包括以下几个紧张组成部分,其一为燃烧室,这是燃气轮机的核心部分,用于将燃料和空气稠浊并燃烧产生高温高压气体。燃烧室常日由耐高温材料构成,以承受高温环境。其二为压气机,压气机是燃气轮机中的一个关键组件,用于将大量空气压缩。它常日由多级叶轮组成,每级叶轮都会增加空气的压力。通过压缩空气,压气机供应了燃烧所需的高压环境。
其三为燃气涡轮,是燃气轮机的另一个主要组成部分,它由多个叶片组成。高温高压的燃气从燃烧室流出,进入燃气涡轮,使其旋转,涡轮的旋转动力通过轴通报给车辆的传动系统,从而供应动力。其四为排气系统,用于将燃烧后的废气排出燃气轮机,废气中包含着高温、高压的燃烧产物,须要经由冷却和处理后才能排放到环境中。
末了则为掌握系统,一样平常车载燃气轮机还配备了掌握系统,用于监测和掌握燃气轮机的运行。掌握系统可以调度燃料的供给量、调节涡轮转速以及监测燃气轮机的温度、压力等参数,以确保其安全和高效运行。
那么和传统的往来来往式内燃机比较,燃气轮机采取了完备不同的循环形式,本体构造也完备不同,以是两者的利害势差异非常显著。燃气轮机的上风可以分为以下几点:
1、与往来来往式发动机比较,燃气轮机的功率重量比非常高,可以理解为更小的自重能爆发更强的动力。
2、比相同额定功率的大多数往来来往式发动机的尺寸更小。
3、主轴平稳旋转时所产生的振动远小于往来来往式发动机。
4、与往来来往式发动机比较,运动部件更少,因此掩护本钱更低,利用寿命内的可靠性/可用性更高。
5、更高的可靠性,特殊是在须要持续高功率输出的运用中。
6、废热险些全部在废气中消散。这会产生高温废气流,非常适用于联合循环中的沸水或热电联产。
7、一样平常而言,峰值燃烧压力低于往来来往式发动机。
8、润滑油本钱和花费量低。
9、可以利用多种燃料。
10、由于会接管过量空气、并且完备燃烧,CO和HC等有毒元素排放量非常低。
而缺陷也显而易见,由于须要利用分外材料制造燃烧室等零部件,以是核心发动机本钱可能很高。其次怠速时的效率低于往来来往式发动机,这是由于在燃烧过程中,车用燃气轮机的燃烧过程是连续不间断进行的,燃料在燃烧室中持续燃烧。在怠速时,由于负载较低,燃气轮机的燃烧过程可能不充分,导致燃料的利用率降落,从而降落了效率。
同时,车用燃气轮机中的压气机须要花费一定的功率来压缩进气空气,以供应足够的气体压力供燃烧室利用。在怠速时,压气机的负载较低,相对来说效率也会降落。并且其机器摩擦丢失更大,车用燃气轮机中的旋转部件(如涡轮、轴承等)会产生一定的机器摩擦丢失,在怠速时,由于转速较低,摩擦丢失相对较大,从而降落了效率。
卡友可以大略理解为,往来来往式发动机在怠速时的效率相对较高。往来来往式发动机的燃烧过程是间歇性的,每个气缸在每个往来来往运动周期内都会进行燃烧。这样可以确保燃料在燃烧室中得到充分利用,提高了效率,此外,往来来往式发动机在怠速时可以更好地掌握燃料供给和点火机遇,以提高燃烧效率。
1963年正在克莱斯勒工厂装车的燃气轮机
须要把稳的是,车用燃气轮机在高负载和高转速条件下常日具有更高的效率和功率输出。因此,车用燃气轮机在高速公路等须要高功率输出的情形下,相对付往来来往式发动机具有更好的性能。不过在60年代时,燃气轮机的技能还没有现阶段发达,以是当年燃气轮机的燃油及经济性确实没有往来来往式发动机空想。
燃气轮机比拟往来来往式发动机
而且它最近去式发动机启动韶光更长,车用燃气轮机是一种连续旋转的发动机,其事情事理涉及压气机、燃烧室和涡轮。在启动过程中,须要通过外部的启动设备(如电动机或赞助动力装置)供应足够的迁徙改变力矩来旋转全体燃气轮机,使其达到启动速率,这须要一定的韶光和能量来实现。
此外,车用燃气轮机在启动过程中还须要完成一系列繁芜的操作,卡友可以脑补翱翔员的起飞操作,例如燃料供应和点火系统的启动、压气机和涡轮的同步等,这些步骤须要韶光来确保燃气轮机能够正常启动并达到稳定运行状态。末了则是运行噪音,燃气轮机特有的呜铭声很难抑制,工程师能做的只有强化车内隔音,或者在发动机仓中作更好的隔音。
60年代美国人对未来公路运输场景的畅想图
从其综合特点不丢脸出,燃气轮机对付汽车来说,更加适宜于不堵车的高速巡航路段,如果用现在的眼力来看,不堵车、不怠速并不现实,利用燃气轮机有杀鸡用牛刀的觉得。
然而在上世纪50、60年代,实在汽车的保有量并不夸年夜,再加上高速发展的经济人们对未来根本举动步伐培植的激情亲切,乃至包括很多汽车头部企业,比如福特、通用公司认为即将建成的州际公路网络的建成将为新型的卡车和卡车运输奠定根本,一款完备可操作、真正卓越的燃气轮机牵引车已经完备可以上路行驶。
而且当时正值美苏两个超级大国的博弈期间,以是大多数老百姓认为太空旅行、磁悬浮列车、超级高速公路等设想能够在短韶光内轻松落地,这也就匆匆成了燃气轮机卡车、轿车的发展。1964年,10月26日,这款充斥着未来感的卡车在洛杉矶举行的ATA全国会议上首次公开亮相,可牵引两辆40英尺(总长27.5米)长的半挂车。
这台卡车被命名为Ford Big Red(大红),整台车型的外不雅观设计酷似宇宙飞船,同步那个年代的飞机、汽车等前辈的设计理念,即便现在看上去也是个性十足。同时大红的车灯以及保险杠区域非常靠近乘用车,得益于燃气轮机较小的体积,以是车内的整体安歇空间十分宽裕。
驾驶室内部的构造也不同于我们常见的车型,主副驾均为单体式大沙发,采取隐蔽式的油门、刹车、液缓踏板,整合在仪表上掌握。其配备了烹饪区域、带电动点火功能的厕所、电视和收音机等举动步伐,并为两位卡友供应了高下卧铺,直逼现阶段牵引车的内部配置。驾驶室宽度为7英尺,内部高度为6英尺3.5英寸,许可两人在内部直立行走。
而这款大红卡车牵引车的动力为600马力,要知道对付一台60年代的卡车来说,能够达到600马力非常夸年夜,即便是技能最为前辈的欧洲卡车,此时传统牵引车的动力范围也至多在300马力旁边。这让其在全负荷事情状态下能够轻松拖动77吨车货总重。
这台福特自研的705燃气轮机采取两级压缩、中间冷却的布局形式,整体尺寸非常紧凑,整体尺寸为49英寸长、44英寸宽、38英寸高,重1,475磅,和一台六缸汽油发动机大小靠近,显著小于传统柴油机。它利用具有空空中冷功能的离心式压缩机进行两级压缩,从而实现增压。这使得发动机可以利用更少的空气,在全体事情范围内供应较为出色的燃油经济性,1060升的燃料箱可以为其在满载状态下供应960公里旁边的续航里程。
独特的“三轴”燃气涡轮发动机后方驱动带缓速器的艾利逊供应的Torqmatic HT-70五速自动变速箱,它有五个提高档和一个倒车档。集成了一个整体式液压缓速器和一个转换器,在所有提高范围内都带有自动锁止离合器。转换器为单级、双相、三元件单元;它由泵、涡轮和定子组成。驾驶员的脚踏板掌握缓速器。液力变矩器传动比为 2:1,提高一档至五档的传动比为2.824:1、2.000:1、1.412:1、1.000:1和0.706:1,倒挡为4.769:1。
前轴是分外型号的 Rockwell-Standard 中央落下工字梁,承载能力12,000磅。串联后轴是单速、改进型SSDH型号Rockwell-Standard,配有准双曲面齿轮。每轴额定承载能力为22,000磅,串联承载能力为44,000磅。主挂全部标配亨德里克森的空气悬架,配置可谓十分豪华。
然而在实验的过程当中,福特的工程师创造,以当时的技能要想在保障可靠性的条件下批量生产大红本钱过高,而且即便是推向市场,其高昂的售价也很难知足绝大多数运输公司的采取哀求。同时随着石油危急以及经济增速放缓,大红这种天马行空的想法终极搁置。
● 编后语
虽然燃气轮机险些不太可能涌现于现阶段的卡车之上,但是我们不得不佩服在经济高速发展期厂家工程师的想象力和解决困难的能力,而燃气轮机在后来被安顿于更加适宜它运行的舰船、飞机上之上才发挥出更多代价。而这则故事也见告我们,所有好的构想要建立在可行性之上,即便是给乌龟一双跑鞋,也很难提升它的速率。
目前燃气轮机还被广泛运用于发电领域,而著名的通用汽车公司等一众车企直至现阶段仍旧还在挖掘燃气轮机的可能性,如果未来有一天超级高速涌如今我们的视野中,燃气轮机驱动的卡车还会复活吗?(文/杨昊)