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给汽车安上飞机的发动机,想想都觉得激动,也只能想想

本帖由 漂亮的石头2015-05-22 发布。版面名称:知乎日报

  1. 漂亮的石头

    漂亮的石头 版主 管理成员

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    为什么没有汽车使用燃气涡轮发动机?

    [​IMG] 无往,我有一个新的故事要对你讲

    未经授权请勿转载,如需转载请私信联系

    一般我们生活中经常最常见到的燃气涡轮发动机(Gas Turbine Engine) 是——飞机的发动机。

    [​IMG]

    汽车装上飞机发动机!

    想想就让人就觉得很热血激动:Crazy, Ha!

    下面这个就是将 Gas turbine engine 装到汽车上的样子(如果你还愿意称它为汽车的话),​

    它目前应该还是陆地最快速度记录的保持者, Thrust SSC , 1128km/h, 1997.10.15。​

    [​IMG]

    然而,它预计将于明年 2016 被下面这个 Bloodhound SSC 1600km/h 打败。​

    [​IMG]

    好吧,我知道问题是指我们普通家用可以开出来把妹耍帅的汽车,不是上面那样用来满足人类无限的好奇心与冲动的汽车。(PS.很多赛车也有 Gas turbine engine 的,不过好像 F1 已经禁掉了,如有了解的同学可以告知一声)​

    下面的讨论只针对家用乘用车。​

    在继续说这个问题之前,我想多说一两句​

    汽车自诞生开始发展到今天,已经是一个无比庞大的系统,它身上的很多东西已经超越目前人类的认知水平。到现在人类依然没有搞明白「燃烧」的机理到底是什么,却已经用它来驱动汽车在路上跑了一百多年!​

    在汽车上尝试这样看似疯狂而又不可思议的想法,人类从来就没有停止过。

    至少我在知乎上看到提问的各种各样的 idea,无论看上去多么不切实际或者多么异想天开也好,目前鲜见有人未尝试过的。我也回答过这样一些有趣想法的问题。​

    然而,汽车天生就是一个复杂的矛盾体,它是那么地不完美!

    你今天看到的大街上跑的汽车之所以是这样子的,就是这些矛盾与妥协的结果。

    这个问题也是一样。​

    OK,继续话题。​

    一般我们看到的汽车发动机为活塞式发动机(Piston Engine)。​

    其特点是需要将活塞往复的直线运动转换为旋转运动输出。​

    [​IMG]

    Gas Turbine Engine 的结构一般是这样的,​

    它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

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    我们来简单地比较分析一下燃气涡轮发动机与活塞式发动机的不同:​

    • 燃气涡轮发动机直接输出旋转运动,不要将直线往复运动转换成旋转运动,输出要比活塞往返运动平顺。同时省去了曲轴活塞连杆这些部件,也没有凸轮轴,进气歧管等这些配气正时部件,依靠流过自身的空气就可以冷却,不需要复杂的冷却系统。
      可以看出,燃气涡轮发动机机械结构上就比活塞发动机简单得多。简单就意味着容易维护!

    当然, 相比活塞式发动机它还有其他一些次要的特性,比如:

    • 不需要暖机(warm up);也没有那么多冷启动问题,不需要加什么防冻液之类的。
    • 支持多种燃料:汽油,柴油,煤油,花生油。唔,甚至有厂商丧心病狂地声称「Chanel No. 5 也是 OK 的啦!对,就是香水!」

    燃气涡轮发动机还有一些在汽车上应用可以算是缺点的特点不可忽视:

    • 运转时发动机内部温度持续很高,这对材料的抗高温和耐久性是巨大考验,同时也会带来成本、可靠性耐久性等问题。
    • 转速非常高,动不动就几万 rpm!比功率非常高,天生适用于比较大型的机械,比如飞机,坦克等。当然如题主所说,现在的燃气涡轮发动机可以做得很小了。
    • 并且适合高速稳定运转,怠速或者加速时效率相对要低很多!并且怠速时油耗极高!

    细细分析,上面的机械及性能特性上的缺点还不见得对燃气涡轮发动机驱动汽车造成太大影响。

    起码动力应该还是大大滴,甚至加上它的优点,可能它比活塞式发动机还更适合用于驱动汽车。

    但为什么我们还是没有见到这样的批量生产车的汽车呢?

    我们继续从历史上的尝试慢慢说。

    - 历史上的尝试 -​

    早在 1791 年就有燃气涡轮发动机的专利,但直到 1937 年开始在飞机上有商业运用。在飞机上成功运用后无数汽车行业的从业者开始尝试将其运用到汽车上,主要还是对它的发动机比功率高 及燃料的灵活性感兴趣。​

    1950 年,Rover 造出了第一辆 燃气涡轮发动机驱动的汽车——JET 1,0-60miles(97km/h) 加速为 14s, 最高车速 90 miles, 此时发动机转速在 50000rpm 左右。​

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    同时,在汽车可以用游戏手柄摇杆代替方向盘吗? - 无往的回答里提到的 1953-1962 GM 三代 Firebird 系列再次出镜!(现在我终于知道这位大叔是谁了,Harley J. Earl,GM 的设计师,后来成为美国 GM 的 Vice President)​

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    然而,尽管再次出镜,但 GM 和 Ford 这里再一次成功地又只打了嘴炮,他们也没有在 Gas turbine engine 在轿车上应用投入更多的尝试,而是更多转向投入在卡车上的尝试。​

    Chrysler 则似乎对这个 Gas turbine engine 在汽车上的应用很是下功夫,从 50s 到 70s 这些年间,砸下了重金进行尝试,造出了很多样车进行试验。​

    (这里附上一视频,需翻墙https://www.youtube.com/watch?v=IZUXcJf_8Lc)​

    下面这辆就是「Arguably the most successful gas turbine car」——Chrysler Turbine Car。克莱斯勒造出总共 55 台,其中 50 台甚至发到了公众手里进行了一年多的试驾,最终这些车都被克莱斯勒收回销毁,只留下了 9 辆做纪念。​

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    正如前面提到,汽车天生是矛盾与妥协的结果尽管收到的反馈很多是正面的,克莱斯勒还是终止了燃气涡轮发动机汽车的探索。尽管 Gas turbine engine car 有着这样那样的优势,但有些问题没能最终得到有效解决,综合各种考虑,所以克莱斯勒也只能放弃了:​

    • 噪声——尽管那个年代,人们对 NVH 的要求还没有现在那么高,但 Gas turbine engine 的噪声不是那么容易让人接受。不能因为噪声的分贝太高,克莱斯勒的工程师运用各种手段进行消声,最后做到了不比常规发动机汽车的声音更响。而是 Gas turbine engine 特有的声音——好像一个很大真空吸尘器工作时的这种声音,让人无法接受(也有人喜欢这种声音的)。或许下次你坐飞机时,可以仔细感受一下这种声音。
    • 没有发动机制动的感觉——现在在自动变速器那么普及的年代,这当然不是什么问题。但在 50,60 年代,驾驶员是习惯有发动机制动的感觉,这让他们觉得很别扭。当然最后克莱斯勒也通过特殊的手段让这个车产生了这种感觉。
    • 费用成本,这个不多说了。
    • 售后——这是一项新事物新技术,没有太多人懂得如何修理维护这样的一辆车,也没有熟练的机修工。
    • 瞬态响应差——尽管 Gas turbine engine 在高转速时能输很大的动力,但是它的瞬时响应并不是那么好。

    以上因素并不是致命的,真正致命的是以下两个。

    当时的大背景是能源危机和环境污染开始越来越受关注,Gas turbine engine car 的燃油效率低和污染物排放比较大,这是非常致命的。

    • 燃油效率——并不是 Gas turbine engine 的燃油效率不高,它在连续的转速相对比较高的稳定的大动力输出的情况下,效率是很高的。然而在在怠速和工况频繁变化时,效率就没有那么高了。尽管克莱斯勒想进了办法将油耗降到都差不多 18 miles per gallon(约相当于百公里 13L,PS,我也没查到是什么工况的油耗),这是在当时是可接受的水平。不幸的是当时正处于石油危机的大背景,油耗更低的小排量发动机开始兴起,燃气涡轮发动机这样的油耗显然是没有竞争力的。
    • 污染物排放——主要是 NOx 氮氧化物的排放。60,70 年代,排放法规开始对汽车排放有要求,这给汽车厂商带来了很大压力。前面提过,Gas turbine engine 工作是温度是很高的且高温是持续的,然而 NOx 的排放量却是随着温度升高,呈指数级增长的。这带来的排放控制的压力可想而知,尤其是现在排放法规越来越严格的今天,单单这一条足以毙掉。

    这些就是汽车上的矛盾与妥协,最终结果是克莱斯勒放弃了 Gas turbine engine。

    - 更多的尝试 -​

    尽管克莱斯勒的 Turbine Car 倒下了,但对于 Gas turbine engine 在汽车上运用的探索并没有停止过。​

    现在汽车厂商们早已开始转变思路,不再是想用它来直接驱动,而是尝试运用在混合动力上——因为 Gas turbine engine 在高速大负荷连续稳定工作下还是燃油效率比较高的。采用比较小的燃气涡轮发动机来发电,用来做混合动力汽车还是蛮不错的。​

    比如 Jaguar C-X75 概念车。​

    当然,如果真正要量产的话,在排放法规如此严格的今天,NOx 排放的问题还是要解决的!从这个角度,我是不太看好的。​

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    这是它的那两个燃气涡轮发动机。​

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