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新式増程器(一):微型燃气涡轮发动机是个什么鬼?

发布时间:2022-06-26 06:57:50 来源:乐橙彩票 作者:乐橙app注册


  把发电机集成到一个小型化的燃气涡轮发动机之中,辅以热量交换系统、电力转换器,就是一个高效率的增程式混合动力系统电力源。

  上回车云菌给大家介绍了特斯拉前联合创始人Ian Wright的新创业项目——用在卡车上的混合动力系统。而作为这个混合动力系统中最为重要的一员,是大家相对来说比较陌生的微型燃气涡轮发动机(Microturbine,被顶石涡轮公司注册)。

  但是其实,微型燃气涡轮发动机已经作为下一代产品,开始涉足新能源车,作为纯电动车上的增程设备使用。所以,车云菌打算好好聊聊关于微型燃气涡轮发动机的话题。这一篇,先给大家讲讲,这个微型燃气涡轮发动机到底是个什么鬼。

  要想弄清楚这是个什么东东,从名称里面看,我们至少要弄明白两个词,微型和燃气涡轮发动机。

  所谓燃气涡轮发动机,不放在这个专有名词里面说,它一般被叫做燃气轮机。广义上的燃气轮机是一种原理与活塞式发动机类似,但是其内部部件运动方式与活塞式发动机却完全不同的另外一种内燃机。

  同样是通过进气-压缩-燃烧-做功的四个行程,两者的进气环节基本类似,但是燃气轮机的空气并非进入气缸,而是经过一个叶片式压缩机进行压缩,然后再进入燃烧室,在燃烧室与燃油混合之后会被点燃,燃烧排出的气体经过涡轮,推动涡轮转动,从而产生动力。

  所有采用类似方式产生动力的发动机都可以被称之为燃气轮机,一般狭义的燃气轮机指的是用在船舶、特殊车辆(比如坦克、工程车等)和发电机组上的发动机。飞机上的发动机都属于燃气轮机,只不过会根据组成部件有更具体的分类,比如涡扇发动机、涡轴发动机等等,就不再今儿的讨论范围之内了。

  所谓微型,即小型。通常所说的燃气轮机基本上体积会很大,难以用在普通车辆上,所以必须小型化,但是在小型化之后,其输出性能必须能够满足车用需求才行。最早的微型燃气涡轮发动机的输出功率只在30-70千瓦左右,功率体积比太低,不足以商业化。现在基本上的输出功率能够达到200-250千瓦,还能够进行组合,达到1-10兆瓦的输出,用在工业上。

  单纯从定义上看,并不能得到这个答案。那么,让微型燃气涡轮发动机取代传统的活塞式发动机的关键点是什么?

  从原理我们就能够看出,燃气涡轮发动机的循环过程比活塞式发动机简单了不是一点半点,没有复杂的配气机构、正时机构,传动链十分简单。因而也就与活塞发动机不同,对用于燃烧的燃油并没有种类的限制,可以将氢气、CNG/LPG、酒精、煤油以及可再生燃油等作为燃料,摆脱柴油和汽油的控制。

  其实,需要申明的一点是,虽然叫做微型燃气涡轮发动机,但是其实最后的那个发电机也是被集成到了这个发动机之内的。所以,这个也被叫做涡轮发电机(Turbogenerator,由霍尼韦尔电子公司注册)。

  从结构图上就可以看到,发电机的位置在进气气道的中间,进入的新鲜空气可以对发电机进行冷却。发电机、压缩器与涡轮都由同一根轴连起来,当排气推动涡轮旋转时,涡轮的转动会带动同轴的压缩器与发电机运转。发电机上输出的是高频交流电,所以,通常会根据负载设备的情况接入不同的转换器。

  微型燃气涡轮发动机中,在压缩器与燃烧室之间,有一个组件,叫做换热器。以换热器为主要部件的系统叫做热交换系统。在这个微型燃气涡轮发动机中,换热器的主要作用是将排气产生的热量用于给将要进入燃烧室的压缩空气加热。

  这样做的好处是,一方面,可以通过提升进气温度来降低燃油消耗;另一方面,配合稀薄燃烧等技术能够降低排放物中氮氧化物、一氧化碳与碳氢化合物的排放,使其能够满足日渐苛刻的排放标准。

  单纯比较燃气涡轮发动机和活塞发动机的话,前者的一个缺点很明显,那就是相对来说热效率较低。经过技术改进,现在较为成熟的微型燃气涡轮发动机技术的热效率能够达到32%左右。不过,从图中可以看到,排气的热量还可以用作其他用途,叫做热电联供。比如说用在混动车辆上,这部分热量就可以用来在冬天给驾驶舱加热,或者说可以作为朗肯循环(Rankine cycle,将热能转化为功产生电力的循环)的热能供应,产生更多的电能。

  热电联供之后,微型涡轮发动机的发电综合热效率能够达到80%以上。这也是它现在应用场景越来越宽泛的原因之一。在工业上,热电联供的用途更多。

  当然,除了能源和排放上的益处之外,作为燃气涡轮发动机最大的优势在于动部件少,维护简单。并且,目前的技术已经能够在输出同等功率条件下,做到体积比柴油机更小。

  对于微型燃气涡轮发动机,现在可以算是知其然了。但是,要做到低排放高热效率,是用了什么诀窍?目前除了Wright先生的卡车公司之外,貌似并没有听到其他的商业化实例。在乘用车上,还有什么应用呢?关于这些话题,咱们to be continued~

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