从热力学循环过程看航空发动机与汽车发动机

飞机和汽车是我们日常生活中常见的两种出行工具，它们的心脏——航空发动机与汽车发动机虽然都是起到能量转化推动机械工作的关键作用，其工作原理和使用特点却大有不同，探究其内在热力学循环过程不难发现其本质差别。

让我们从航空发动机和汽车发动机的工作特点出发，先进行一个初步的了解：航空发动机内部通过高速旋转带动工质气流朝一个方向流动，而汽车发动机往往采用活塞等往复式吞吐，这种活塞运动速度受往复式做功的制约进而造成工质流量的制约。也就是说航空发动机在运行过程中吞吐的工质流量更大，功率更高。另外我们可以发现工质在航空发动机中依次流经不同部件，在这个过程中逐步完成其热力学循环，而汽车发动机多是在一个气缸内完成所有热力学循环过程。

图1 航空发动机及汽车发动机结构对比

实际上，航空发动机和汽车发动机不仅是工质完成热力学循环的方式和结构不同，其热力学循环也存在本质差异。那么什么是热力学循环呢？热力学循环不仅发生在航空发动机与汽车发动机中，还体现在我们熟知的蒸汽机、汽轮机等等一系列热机中。热机的工质从某个状态出发，经过若干个不同的变化过程，又回到它的原来状态的整个过程就称为循环过程。

简单来说在热力学循环中重复着这样的过程：工质从高温热源吸收热量Q1增加内能，并将一部分内能通过做功转化为机械能，另一部分内能在低温热源中通过放热Q2传给外界使工质回到初始状态。周而复始，循环往复。

那么航空发动机和汽车发动机的内在热力学循环有什么不同呢？

图2 奥托循环工作过程及循环原理

汽车发动机采用的内燃机运用的热力学循环过程为奥托循环。其工作循环过程发生在气缸内，由活塞往复运动形成工质的进气、压缩、膨胀和排气等多个有序联系、重复进行的过程。其中在奥托循环的每个冲程，活塞行程都保持一致，是定容加热的理想热力循环。

如图2，过程的初始0状态对应外界大气；0-1对应吸气过程，通过打开进气阀门吸入空气或空气与燃料混合气，1-2过程对应压缩冲程，通过活塞压缩行程将混合气的温度压力提高到合适水平然后以点燃或压燃的方式开始燃烧释放热能，燃料燃烧过程中缸内工质温度压力得到进一步提升，在活塞通过上止点后的膨胀行程对外做功，将燃料燃烧产生的热能转化为机械能，即2-3这个定容加热过程和3-4气缸内发生的膨胀做功冲程，最终4-0过程对应向外排气过程，至此一次完整的奥托循环过程结束。

采用这种循环的发动机结构相对简单，且在各转速下发动机都能提供较好的动力输出。但它的缺点在于燃油效率比较差，这是因为在奥托循环中压缩比与膨胀比相同，这对提高燃油效率并不能起到积极作用，为此设计人员在奥托循环基础上提出了膨胀比大于压缩比的循环方式——阿特金森循环和米勒循环（如图3）在压缩行程较短的情况下拥有更长的做功行程，进而汲取更多的能量，直接提升了燃油效率。

图3 高膨胀比循环过程

那么我们说回航空发动机，航空发动机属于燃气轮机，其工作过程中的热力学循环为布雷顿循环，图4为布雷顿循环的原理图。就喷气式发动机而言，初始状态1这一点表示大气气体状态，气体经由进气道被吸入压气机压缩的过程是图中1-2的等熵压缩过程，理想情况下在这个阶段，空气的总熵不变，气体受压缩作用使得温度上升。（实际过程中必然存在一点损失，存在熵增）。气体从点2到点3是在燃烧室中进行等压加热，区别于奥托循环中的等容加热过程。经过燃烧室加热后高温气体经过涡轮等熵膨胀（对应3-4这个循环阶段），在这个过程中推动涡轮做功，自身内能下降温度降低。分析布雷顿热力学循环可以看出，3点的温度越高，气体在涡轮前内能越高，在经过涡轮时膨胀做功也越多，进而推动发动机产生更大的推力。这一点的温度也叫涡轮前温度，是航空发动机的重要设计参数，目前喷气发动机普遍能到1400K以上，一些战斗机搭载的发动机涡轮前温度能到2000K左右，对发动机热端材料及冷却系统设计提出了巨大挑战。另外， 1-2的等熵过程的路径是唯一确定的，代表着每一个涡轮前温度都对应一个最佳增压比，使发动机的热效率最高。因此为提高航空发动机性能，工程师们多年来一直致力于从设计上尽可能提高涡轮前温度和压气机增压比。

图4 布雷顿热力学循环原理

了解了奥托循环和布雷顿循环也就理解了航空发动机与汽车发动机驱动动力产生原理的本质不同。并且不难发现，奥托循环作为闭合循环，工质可以在气缸内实现循环不同阶段。布雷顿循环作为开放循环，工质在不同的阶段通过不同的工作部件完成循环过程。布雷顿循环为追求高运行效率各个部件各司其职，这种工作方式更有利于实现最大效率及低油耗，但也因此难以实现小型化所以更适用于大型机械，而非汽车这样的小型交通工具。然而实际上，天马行空的汽车工程师们没有放弃对这种应用的尝试。

早在50年代就有过像Chrysler这样的从业者尝试将其运用到汽车上，然而种种尝试后还是终止了这种探索。该公司曾推出了50台Chrysler turbine car ，经过公众一年多的试驾后最终Chrysler决定收回销毁仅留下9辆作为纪念（如图5）。原因是这种应用存在一系列未得到有效解决的问题：一方面，燃气轮机工作过程中内部持续处于高温环境，其使用寿命及可靠性面临巨大挑战；另一方面，燃气轮机往往在设计工况高速稳定运转时工作效率高耗油率低，在汽车驾驶过程中频繁的加减速及缓行的工况下缺乏经济性。而且燃气轮机的噪声问题也成为其在汽车应用上的阻碍。

图5 昙花一现的Chrysler turbine car

时至今日，机智的工程师们已经转而探索混合动力形式，像搭载微型燃气轮机-电池混合动力系统的大型客车/货车。我们仍然期待，创新的理念与革新的技术，逐步提高动力机械的热力学效率并进一步拓宽其应用领域。

来源：中国科学院工程热物理研究所