问题

为什么没有汽车使用燃气涡轮发动机?

回答
汽车之所以没有像我们现在看到的家用车那样普遍地使用燃气涡轮发动机,背后有着一系列复杂的原因,这些原因交织着技术可行性、经济成本、用户体验以及行业惯性等等。要深入理解这一点,我们需要剥开技术层面的那些冰冷数字,去感受工程师们在不同时代所面临的权衡和挑战。

首先,咱们得说说燃气涡轮发动机最吸引人的地方。它们理论上能提供强大的动力输出,而且体积相对紧凑,重量也更轻。想想那些飞机,它们为什么能飞上天?强大的推力,而这推力很大程度上就来自于燃气涡轮。在汽车领域,这种动力特性意味着,一辆装备燃气涡轮的汽车理论上可以做到加速迅猛,而且因为结构相对简单(相较于一些高复杂度内燃机),维护起来也可能更方便一些。更重要的是,燃气涡轮发动机的功率输出曲线非常平滑,没有那种换挡顿挫感,能带来一种源源不断的加速体验。

但是,理想很丰满,现实很骨感。让燃气涡轮发动机在汽车领域落地生根,却遇到了不少绊脚石,而且这些绊脚石至今依然是巨大的挑战。

一、燃油经济性是硬伤,尤其是在低负荷和低转速区域。

燃气涡轮发动机的工作原理是持续吸入空气,压缩,然后与燃油混合燃烧,产生高温高压气体推动涡轮高速旋转。这种持续燃烧的过程意味着,即使在车辆低速行驶、怠速或者轻微加速的情况下,发动机也需要维持一定的转速来保证涡轮的正常运转。这就导致了一个问题:燃油效率不高,特别是在城市工况下。

想象一下你开车在市区里走走停停,这正是燃气涡轮发动机最不擅长的场景。它就像一个高速运转的机器,你给它的任务很轻,但它却要保持很高的“工作强度”,白白浪费很多燃料。相比之下,我们现在熟悉的活塞式内燃机,尤其是经过现代技术优化后的发动机,可以通过关闭气缸、改变气门正时等多种手段来适应低负荷需求,从而提高燃油经济性。即使是混动系统,也能通过电动机来辅助低速行驶,进一步节省燃油。燃气涡轮发动机在这方面就显得非常笨拙。

二、涡轮迟滞和响应速度,以及如何解决它。

虽然说燃气涡轮发动机能提供平滑的动力,但“涡轮迟滞”这个词大家肯定不陌生。即使是涡轮增压的活塞发动机也会有这个问题,更何况是直接使用燃气涡轮作为动力源。当驾驶员踩下油门,需要动力时,发动机需要时间来提升空气吸入量、提高燃烧温度,最终让涡轮达到足够快的转速来输出动力。这个过程,在追求即时响应的汽车驾驶体验中是难以接受的。

虽然有一些技术可以缓解涡轮迟滞,比如使用更小的涡轮、可变截面涡轮、甚至双涡轮系统,或者像某些概念车那样采用电驱动来辅助起步,但这些解决方案都增加了系统的复杂性、成本,甚至还可能牺牲掉燃气涡轮原本的轻便优势。而且,要做到像普通家用车那样,轻轻踩下油门就能立刻获得动力反馈,这对于燃气涡轮来说是个巨大的挑战。

三、启动和熄火的响应速度,以及噪音和震动。

启动燃气涡轮发动机需要一个短暂的预热和加速过程,不像活塞发动机那样“一触即发”。同时,熄火后涡轮也需要一段时间来减速,这不像关掉发动机那样立竿见影。更关键的是,燃气涡轮发动机运行时,其高转速产生的噪音和震动是另一个大问题。即使有隔音处理,也很难达到普通家用车对舒适性的要求。想想飞机引擎的声音,那种尖锐的轰鸣,在汽车上长时间乘坐会是一种怎样的体验?

四、热效率和排放问题。

虽然燃气涡轮发动机理论上的热效率可以很高,但在实际应用中,尤其是在汽车这种需要频繁变速和改变工况的场景下,其整体热效率很难与现代高效率的活塞发动机匹敌。同时,燃烧过程中的高温也容易产生氮氧化物等污染物,满足越来越严格的排放法规也成为一个难题。虽然有催化转化器等技术,但要达到汽车行业对排放的要求,需要大量的研发投入。

五、制造成本和维护。

制造高品质、耐高温、高转速的涡轮叶片和相关部件,需要昂贵的材料和精密的加工工艺。例如,涡轮叶片需要承受数千摄氏度的高温和超高的离心力,这需要特殊的合金和制造技术。这些都直接推高了制造成本。同时,虽然燃气涡轮发动机的部件相对较少,但一旦出现问题,其维修和保养也需要专门的知识和设备,可能不如活塞发动机那样普及和经济。

六、行业惯性和技术积累。

汽车行业已经围绕活塞式内燃机建立了庞大的技术体系、生产线和供应链。工程师们在活塞发动机技术上已经投入了数十年的研究和改进,从材料科学到燃烧控制,再到排放后处理,都有了非常成熟的解决方案。而燃气涡轮发动机在汽车领域的应用相对较少,研究和开发投入也远不如活塞发动机,这使得其在各个方面都处于追赶状态。

有没有尝试过?当然有。

历史上的确有几家汽车制造商尝试过将燃气涡轮发动机应用到汽车上,比如美国的通用汽车(GM)在上世纪6070年代就大力推广过他们的“Turbine Car”项目。一些原型车也展示了燃气涡轮发动机的潜力,例如克莱斯勒(Chrysler)也曾生产过少量涡轮动力的车型。这些尝试虽然在某些方面展现了燃气涡轮的优势,但最终因为上面提到的种种原因,未能大规模普及。

那么,燃气涡轮发动机就完全没有未来吗?

也并非如此。在一些特殊的应用场景下,燃气涡轮发动机依然具有其独特的价值。例如,在一些军用车辆上,燃气涡轮的轻便、强劲以及对燃料的适应性(某些可以燃烧柴油甚至航空燃料)会成为重要的考量因素。

另外,随着新能源汽车的发展,一些混合动力系统开始尝试将燃气涡轮作为发电机组使用。在这种模式下,燃气涡轮不再直接驱动车轮,而是稳定地运行在一个最优工况点,为电池充电或者直接为电动机供电。这种“增程型电动车”的思路,能够一定程度上发挥燃气涡轮的效率优势,同时规避了其低速和频繁启停的问题。比如,一些公司就在探索使用小型燃气涡轮作为增程器的可能性。

总而言之,燃气涡轮发动机在汽车领域未能成为主流,并非技术上的绝对“不行”,而是因为在燃油经济性、响应速度、舒适性、成本控制以及满足现有法规等方面,它始终没有能够全面超越并取代我们熟悉的活塞式内燃机,更不用说在电气化浪潮的冲击下。汽车行业的选择,总是建立在综合考量了性能、成本、用户体验和环保等多重因素的理性判断之上。

网友意见

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@无往

的答案说了不少历史和现车

这个答案主要从燃气轮机天然特性上说下为什么不适合装车

实际上如果对象是车和船的话,目前燃气轮机的主要竞争对手就是内燃机,包括汽油机和柴油机,那么下面就说下柴油机相对内燃机的优缺点.

燃气轮机的最核心优势,就是功率密度高,也即是达到同样的峰值输出,可以比内燃机做到小得多的体积和重量。

其次是如果同样在峰值输出功率上,其噪音水平要比可比的内燃机小很多,并且音色明显不同。

再次结构相对简单,且对燃料的宽容程度远高于内燃机。基本上只要是能燃烧放热的液体燃料都可以烧。

除此之外基本就是劣势了:

首先是油门响应差,从满油门到发动机有最高负载输出,延迟很明显。相比之下,内燃机可以做到基本实时的油门响应。

其次,经济工况区间非常窄,而非经济工况的经济性到了令人发指的程度。而且经济工况是在几乎全功率输出的时候才出现。以M1 abrams上装备的燃气轮机为例,据称其怠速时的单位时间油耗已经是全功率输出的8成以上。

再次,是即便高功率输出,在车用领域其经济性和柴油机相比也有差距。比如同期的M1 abrams和豹二,自重和峰值输出功率都大抵相当,分别用燃气轮机和增压柴油机,后者的单位里程油耗仅有前者约1/3.

最后更坑爹的,就是燃气轮机每次启动本身就要耗油不少。看到一个数字,M1的燃气轮机光启动就需要大概40加仑(近120升)的燃油消耗。

那么看了这些特点,回来再看燃气轮机装车(包括军车/坦克),和内燃机比的优劣。

我们首先拿M1做例子说说看用燃气轮机有哪些实际的好处。

首先由于M1的自重(60吨级),要求发动机长期工作在高负载高输出的状态,所以低负载时经济性及其恶劣的劣势不那么明显。

其次军用装备使用环境恶劣,补给方便程度不如民用车辆,所以能广泛烧各种燃料是个好处。

再次对于军用装备而言,动力总成尽量紧凑,轻,是很强的诉求,这方面燃气轮机有优势。

而此外一个非常非常重要的优势,就是安静性。柴油机在高输出(高负载高转速)时的噪音要远高于输出功率相当的燃气轮机。在战场上安静性意味着隐蔽性和突然性。quora上曾经有人比较M1和豹二,说在德国靶场工作时,如果是豹二来,大概到达前一小时就能听到柴油机的轰鸣,而M1则是十几分钟或更短,而且听到的也不是发动机声而仅仅是履带板互相撞击和接地产生的啪啪声。

反过来主要的毛病是经济性差。这不仅仅是废油,还会导致满油的续航能力下降。但考虑到美军在世界范围内首屈一指的后勤保障能力,这算是可以接受的缺点。


那么反过来到民用的话,也就能看出来为什么燃气轮机不适合装车了。

首先首先就是经济性差。如果是装在日常就重载的商用车,比如重卡上,这类车就是追求极端的经济性,那么燃气轮机肯定是没戏了,相对经济性更好经济工况区间更大的增压柴油机。

装在日常输出并不高,但对峰值输出仍有一定要求的普通乘用车上呢?经济区间窄并集中在高输出范围是燃气轮机的硬伤。

而如果是装载对经济性不敏感,追求性能的高端跑车上呢?油门响应差是硬伤。更何况目前的汽油机一样能做到相当高的输出功率,已经高到人而不是车成为了瓶颈的程度。换句话说,燃气轮机并无法提供对日用乃至绝大部分竞赛(极速比赛可能是唯一的例外)而言足够有吸引力的更佳性能。

最近十来年,借着混动兴起,又有人有想法做基于燃气轮机的插电混动。其主要思路在于,利用燃气轮机结构简单功率密度大的优点,不直接让它驱动,而用它发电,给电池充电,反过来用电机驱动。这样一来,首先油门响应差的问题可以解决,其次因为燃气轮机可以间歇工作,只要工作就工作在经济工况,因此解决了非经济工况下燃油经济性异常恶劣的问题。

但即便如此,仍然无法解决燃气轮机启动时额外耗油的问题,而且最关键的还是,这个方案相对现有的内燃机驱动方案,仅仅是“可行”,而并未提供足够有吸引力的额外的好处。

须知汽车行业到了今天,已经进入了非常成熟的阶段。对于创新,重要的考量是是否会影响已有的投入,以及如何进一步降低成本。搞燃气轮机+电驱,意味着对现有的基于内燃机的驱动总成推倒重来。在没有看到明显的切实的优势前,基本不可能有厂商会做这样的选择。


最后,顺便说下军舰上是如何解决燃气轮机上述的部分问题的。军舰的经济航速和最高航速间有不少差异,意味着同样面临着需要动力总成有很大的可用输出范围。同时军舰对最高航速有要求,也就是对发动机输出功率有要求。而功率密度大并且峰值功率可以做到非常高(根据wiki,最新一代的LM2500,可以做到47350马力输出,热效率达到39.3%,而体积则仅仅和典型航空发动机在一个级别,远小于输出相当的柴油机。)的燃气轮机,因此便占了很大的优势。实际上目前军舰用燃气轮机驱动,是采取安装多台燃气轮机并联,并根据航速(也即对应航行所需功率输出)来选择开启全部装机的一部分到全部来高负荷运转,这样的方法来控制动力系统的总输出,从而达到输出范围可变同时保持经济性。

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