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空气阻力

　　车辆的空气阻力是由车辆的正面面积、形状呈何种“流线形”以及通过气流时的车速平方来决定的。就公路车辆而言，空气阻力是重要的；一辆私人轿车以80公里/小时的速度在水平路面上行驶时，空气阻力大约占其公路负荷的一半。大型卡车的阻力更大，但其空气阻力却在总的公路负荷中占较小的比例，一般约为15%。相比之下，装甲车辆比较密实，且速度低，这就使其重量和滚动阻力比其正面面积和空气阻力更加重要。因此，对装甲战斗车辆来说，空气阻力并不重要。
坡度阻力
　　坡度阻力用Wsinθ表示(见图4.2)。通常，坡度用1比5或20%的形式来表示，但这种表示的意思并不明确。它的意思或可为高程1与横边5之比，或可为高程1与斜边5之比，从而θ分别等于11.3°或11.5°。由于碎石路面的坡度极少大于1比3，所以差别并不太大。可是因为在越野时会遇到更陡的坡度，所以用角θ来表示坡度就比较保险。以此为基础，公路最大坡度将大约是19°。

图4.2 坡度的作用
　　越野时，可能遇到30°-40°的坡度。陡坡会使运动阻力Wsinθ增大，而由Wcosθ决定的地面附着力则会减小。在干燥路面上，45°大约是能够攀越的最大坡度，而要爬这么大的坡度则只能以车轮或履带打滑和车轮橡胶烧蚀为代价。越野地面的附着力常常小于公路，所以能平稳攀越的实际极限坡度，就全轮驱动的轮式车辆而言，大约只有28°，而就履带式车辆而言，大约只有38°。冲坡可以爬更陡的坡度。而原地起动爬坡则是另一回事，这要涉及到离合器或联轴器性能的更复杂的问题。
　　对任何一种类型的车辆来说，例如快速履带式车辆，其单位功率决定着在水平坚实路面上能够达到的最大公路速度。关于这一点，还一定要看到，能够在负重轮或主动轮处达到的最大功率，即有效功率，可以比制造厂商给出的发动机净功率要小得多。发动机台架试验方法的不同影响着飞轮曱功率；装车后，滤清器、消音器等能够损耗功率，传动装置造成的功率损耗会使有效功率更低。
恒定功率发动机特性
　　假如有一辆主战坦曱克，其重量为55吨(重力为540千牛顿)，主动轮最大功率为1080千瓦，故单位功率为2千瓦/千牛顿；这比可能在80年代列入装备的最好的坦曱克还要好。其齿轮传动装置很可能将保证在小坡度公路上以高速挡行驶时的尽可能高的车速。这可避免在一般容易行驶的公路上不停地换挡。这样，最大功率时的车速就能达到80公里/小时，而在水平路面或下坡时，车速大概会稍高一些，因为发动机借助调速器运转(见本章“附录A”)。
　　如果遇到上坡或松软地面等比较难以通行的地面状况，车辆就必须减速。但是为了在这些困难的条件发挥最佳性能，发动机仍应能够发出1080千瓦的主动轮曱功率。不管车辆正以多大速度行驶，或者主动轮正以多大速度转动，动力传动机组都应能按理想的要求发出最大功率。这种理想的发动机就称为恒定功率发动机。
　　例如，假如这辆主战坦曱克遇到了一个38°的坡(履带打滑的极限坡度)，道路状况又可使比滚动阻力为10%，这辆主战坦曱克在此坡度上的速度就应达到10公里/小时(见本章“附录A”)。这两种行驶条件如图4.3所示。该图是以比牵引力(即牵引力与重力之比)与公路行驶速度的关系来绘制的。它们之间曲线上的各点都代表1080千瓦。随着道路状况的恶化和公路负荷的增大，公路行驶速度一定会下降，牵引力也随之增大到与公路负荷相当。

图4.3 恒定功率发动机特性曲线
　　乍看起来，提供大于0.65的比牵引力似乎毫不相干，因为这样会造成履带打滑。然而，在这一条件下，车辆仍要以10公里/小时的速度行驶，就作战环境而言，例如在伴随徒步步兵行动时，这个速度太快。军用车辆需要能够在最差的道路状况下长时间持续以低到4公里/小时的速度行驶，而且摩擦离合器不致打滑。要保持这样低的速度，或者可以配备速度很低的挡，或者可以配备动液式联轴器/变矩器，若配备有适当的冷却设备，这种变矩器由于能够连续打滑，从而能够允许车辆低速行驶。

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实际的发动机特性

　　实际的发动机不能获得恒定功率发动机那样的特性曲线；当增大的负荷开始迫使其降低转速时，它们的功率几乎都要开始下降，即使它们随时都在全力运转。即使在条件需要小于最大功率的功率时，活曱塞式发动机也不能达到我们设想的车辆所需要的速度范围(80-4公里/小时)。
　　图4.4所示为主战坦曱克发动机获得的特性曲线。

图4.4 功率/速度特性曲线
　　要使有效功率在整个公路速度范围内接近于最大功率，就必须限制发动机在全速运转时使用的转速范围，但在低负荷运转时，发动机转速可以不在此范围内。改变发动机与负重轮或主动轮之间的齿轮传动比，使发动机能在车辆以任何公路速度行驶时都以接近100%的转速运转，就能达到这一目的。需要配备的排挡数量将取决于发动机的特性，允许功率从最大值降低多少，使用车辆的方法及地点以及预计驾驶员会有多大的熟练程度。
　　考虑到其中的第一点，燃气轮机的特性要比活曱塞式发动机更接近于理想值，所以可以需要较少的排挡。在重型公路车辆上，允许的功率降应小于20%，在使用活曱塞式发动机时，这会使所需排挡的数量处在8-16个之间。就理论上的最佳性能而言，主战坦曱克应有数量相当的排挡，但这并不切合实际。变速箱的体积已经和发动机本身差不多了。此外，越野道路状况变化又如此之快，以致于驾驶员或自动变速机构会连续遇到立刻决定通过若干排挡变速的情况。所以，必须接受数量不足的齿轮传动比，而作为一种弥补，应当配备能迅速换挡的动力换挡机构。
燃油消耗
　　前面，我们主要谈到了关于发动机大负荷运转的问题，但在实际上，地面车辆却有许多时间是在低负荷下行驶的(当车辆在发动机制动的情况下超速行驶时，负荷甚至为负值)。例如，要以车内最小的携油量达到最大的行程，以及为了最大限度地减轻后勤负担，在各种功率下都需要低的耗油率。大多数发动机在低负荷运转时肯定都比在大负荷运转时要消耗更少的燃油，但是为了对此作出量的分析，我们必须考虑到耗油率的下降是否与功率的下降成比例。
　　发动机在空转时要消耗部分燃油，其目的只是为了保持运转。这时，燃油消耗了，而功率输出为零，这就是说，从燃油的能量转换为有用功的效率为零。例如，发动机在空转时，其效率为零。一般地说，在接近于最大功率时，发动机的效率最高，尔后随着其功率输出受到限制，其效率就逐步降低，它们之间的关系是线性的。
　　在车用发动机方面，一般不讲效率，而讲耗油率与功率之比。这就是比油耗，其计量单位为千克/千瓦·小时。空转时，发动机消耗部分燃油，但输出的有用功率为零，这时的比油耗就无限大。所以，低效率就意味着比油耗高，反之亦然。
　　对发动机来说，驱动地面车辆是个困难的任务。发动机要在大的转速范围内运转，发出的功率都要接近于最大功率。它们还必须在低负荷下运转，并要允许在整个速度和负荷范围内连续激烈的反复运动。它们必须省油，必须允许机械冲击，如在换挡时，所需的维修标准也要远远低于航空发动机。具体地说，坦曱克发动机的生产数量少，往往是还没经过充分使用以得到正常发展就被淘汰了。最后，发动机的价格还要比较便宜。
发动机的种类
　　现有供驱动装甲战斗车辆的发动机的种类包括火花塞式(汽油)发动机、压燃式(柴油)发动机和燃气轮机。原来曾考虑过使用蒸汽机。但是，由于它需要的冷却系统体积大，所以它没有用在一般自曱由流动的车辆上，特别是没有用在装甲战斗车辆上。“斯特林”发动机，即(热气)发动机，似乎也是如此。因此，我们将把这二种发动机都抛开不谈。通常，火花塞式和压燃式都是往复 活曱塞式发动机，但有可能利用“汪克尔”旋转活曱塞机理。同火花塞式发动机一样，转子发动机在较大功率时也具有结构紧凑的优点，但它还存在着漏气这个实际问题。这个问题虽然能够解决，但如不解决，会使燃油经济性恶化并使人对其寿命产生怀疑。但鉴于以下原因，火花塞式发动机对未来的装甲战斗车辆是没有吸引力的。鉴于火花塞式转子发动机结构紧凑，迄今已作了重大努力来发展压燃式转子发动机，但由于漏气的问题更加严重，这些努力尚未获得成功。所以，我们也把转子发动机抛开不谈。

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火花塞式往复 活曱塞发动机，已有许多被用来作为装甲战斗车辆的动力装置，可是现在它们已失去了这个地位。就轻型装甲战斗车辆所需的功率而言，火花塞式发动机在体积上的确要比压燃式发动机优越，但就体积限制很大的主战坦曱克所需的功率而言，火花塞式发动机就没有这个优越条件了。民用大功率发动机方面的专家已随着大型活曱塞式航空发动机的消失而离开人间；火花塞式发动机的耗油率要比压燃式发动机高，其使用的汽油挥发性较高，这与使用柴油、煤油或石蜡油相比，发生火灾事故的可能性更大。因为大多数读者对轿车上的火花塞式发动机都很熟悉，它们的确为研究压燃式发动机的性能提供了一个有用的起点。但是，装甲战斗车辆发动机的未来却不属于火花塞式发动机。
往复 活曱塞式发动机
四冲程循环
　　大多数读者都熟悉典型轿车发动机的内部机件及其名称(见图4.5)，也熟悉四冲程循环(见图4.6)。

图4.5 发动机部件

图4.6 四冲程循环
　　如图A所示，下降的活曱塞通过开启的进气活门从汽化器中吸出新鲜的燃油，进气活动是由凸轮轴(图中未示出)开启的。
　　见图B，上升的活曱塞压缩燃油，当活曱塞上升到接近其行程的顶点(称为上死点)时，燃油被电火花点燃。
　　燃油的燃烧增大了密闭汽缸内的气压，引起膨曱胀，又推动活曱塞下降，如图C所示。
　　见图D，上升的活曱塞通过开启的排气活门把废气排出。
火花塞式发动机与压燃式发动机的区别
　　在火花塞式发动机上，燃油和空气是在汽化器中预先混合的，并作为相当均匀的油气混合气进入汽缸。功率是由一个对燃油和空气都有调节作用的油门控制的(见图4.7)。汽油喷射装置可以用来代替汽化器。通常，这意味着汽油被喷入进气歧管，进气活门的上流(见图4.8)。燃油流量由喷射系统控制，而空气流量则由节气活门控制，这二种控制装置被适当地联结起来。喷入汽缸内的燃油和空气是混合得很均匀的，这种油气混合气只在空气-燃油比(按重量计为12-17比1)很小的范围内才充分燃烧。

图4.7 带汽化器的火花塞式发动机

图4.8 注入式火花塞发动机
　　在压燃式发动机上，燃油通过汽缸盖直接喷入燃烧室(见图4.9)。进入发动机的空气流量没有控制，喷入的燃油也不均匀，空气-燃油比随负荷变化，从大约20比1向上增大。当活曱塞在压缩冲程中到达上死点之前不久即开始喷油，燃油与因压缩而温度升高的空气接触时即被点燃。火花塞式发动机和压燃式发动机在特性上的主要区别都是从它们在燃油注入方式上的这一区别产生的。
　　为了保证有足够高的空气温度压燃燃油，压燃式发动机就需要有一个高的压缩比，压缩比一般为14-25比1。小汽缸会有较多的热量从空气散失到硬器件上，所以需要有较大的压缩比。在火花塞式发动机上，在整个压缩冲程都有燃油喷入，所以压缩比高有可能使部分燃油早燃。故这种发动机的压缩比一般为8-10比1。压燃式发动机的高压缩比导致高压和大的机械负荷，故这种发动机需要用厚实的材料制造。因此，就一定的汽缸尺寸而言，压燃式发动机容易重于火花塞式发动机。

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男孩

写这么多楼主好辛苦

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图4.9 压燃式发动机
　　在火花塞式发动机上，燃油和空气有充足的时间混合。而在压燃式发动机上，混合时间受到限制，混合也从不完全。这引起以下两个问题：
　　吸入的空气并不都能用以助燃。其结果是一定尺寸的汽缸单循环输出的功受到限制。
　　必须保持低的转速，以便最大限度地延长混合时间。
　　由于单循环做功少和每秒循环次数少，压燃式发动机与相同汽缸尺寸的火花塞式发动机相比，其功率小，且拉力也小，即扭矩小(见图4.10)。
　　如图4.11所示，压燃式发动机在整个负荷范围内要比同功率的火花塞式发动机更加省油，其相对优点在低负荷时最为明显。这一省油的优点有两个成因：
　　压燃式发动机使用的油气混合气比较稀；火花塞式发动机使用较稀的油气混合气也能省油，但由于其使用的油气混合气是均匀的，试图把燃油含量减少到正确含量的大约80%以下就会导致不发火。
　　在压燃式发动机的进气口处没有起控制作用的节气活门。火花塞式发动机的节气活门在进气行程期间关闭时会浪费功(见图4.12)。

图4.10 压燃式和火花塞式发动机特性曲线

图4.11 压燃式和火花塞式发动机油耗的比较

图4.12 节流的作用
　　压燃式发动机省油，故一般用在大里程车辆上。这种发动机还需要有长的寿命周期。因此，压燃式发动机及其所有辅助设备的制造要保证耐用，其民用机型因坚固耐用而获得了应有的声誉。
　　但在本质上，现有可靠的车用发动机，其功率-体积比都最差，至少其较简单的机型是这样。它不具备结构紧凑的优点，而这对装甲战斗车辆使用的发动机来说却是一个不可缺少的优点，所以必须找到解决这一问题的办法。
　　减小所需的油箱容量可以部分地解决这一问题，但是与通常的民用机型相比，军用发动机还是应该具有更大的单位体积功率。发动机具有不规则的形状，故其体积是难以测量的，但是作为一项标准，一台现代卡车发动机可达到大约180千瓦/立方米的单位体积功率，而军用压燃式发动机的单位体积功率则在600-1000千瓦/立方米的范围内，这说明了它们的“特殊”地位。
最大限度地缩小发动机的体积
　　因为没有可以预见到的方法来明显地改善压燃式发动机的比油耗，所以发出更大的功率就必定意味着要消耗更多的燃油乃至空气。再者，要使吸入的空气更加完全地用于助燃似乎也不大可能，解决这个问题就只有在不相应地增大体积的情况下靠增大发动机的吸气能力，可能的方法如下：
　　 ——在现有体积的限度内增大汽缸尺寸(工作容积)。
　　 ——增加单位时间内的进气次数。
　　 ——每一循环向汽缸更完全地供油。
　　 ——增大注入的油气混合气的密度。
　　先看其中的第一种方法。一台四冲程卡车发动机的体积与工作容积之比大约是100比1，而有些军用机型则不到50比1。为了求得结构紧凑而修改零件部件有可能影响原地可维修性，但这并不重要，如果维修都要靠拆卸整个动力装置来进行的话。
　　再看第二种方法。发动机可能增大转速，或者按二行程循环运转。前者在压燃式发动机上因会造成烟化燃烧而受到限制，而且几乎无益。在一定的转速下，二行程循环的频率比四行程循环快一倍，这可能带来工作容积-功率之比上的某些优点。但是，对换气风扇的需要却又使体积与工作容积之比增大，在这个限度内，二行程却不如四行程能够接受增压(见下文)。所以，在额定功率很高的情况下，就车辆所需功率而言，二行程发动机在体积上与四行程发动机相比较是不利的。
　　再考虑第三种方法。使用多个带有调节好的进气、排气系统的单个小汽缸，同时活门定时机构又以发挥高速性能为重要目的，能够达到高的工作容积-功率比；赛车发动机就是这种方法的一个例证。但是，结果却易造成运转速度范围狭窄，这对一种需要很宽的公路行驶速度范围而排挡数量又不足的车辆来说是不适合的。

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增压及涡轮增压
　　这样，我们就只剩下第四种可供选择的方法了。可以使用一台压气机来增加发动机的进气量，这就是增压；不配有压气机的发动机为自然吸气式。必须驱动这种压气机，其所需的动力可以来自发动机曲轴，这就是机械增压，或者来自置于发动机废气气流中的涡轮，这就是涡轮增压(见图4.13和图4.14)。

图4.13 涡轮增压式系统

图4.14 涡轮增压器
　　无论是采取什么增压方式，进气的温度和压力都会升高，这是不需要的。这会降低已增大的密度，并增大发动机内的应力等级。所以，要安装一台中冷器，或者通过发动机的冷却系，或者通过外界空气来冷却温度升高的进气。利用发动机的冷却系进行冷却会使结构更加紧凑，但这样只能把进气冷却到大约100℃。空气对空气式中冷器可能会增大体积，其体积大约是发动机散热器的一半。但是，它却能够把进气的温度降到更低，降到接近于环境温度。
扭矩/速度及响应滞后
　　增压的目的是提高功率，而不是提高效率。涡轮增压对效率只有不大的作用，这能有两种情况。超高增压本质上要比涡轮增压效率低，因为压气机要消耗发动机提高的部分有用功率。在高速、轻负荷条件下尤其是这样，因为在这样的条件下，机械驱动的压气机消耗的功率可以与全负荷时相接近。图4.15示出燃油消耗率的不同。

图4.15 燃油消耗率的对比
　　但是，就涡轮增压而言，在其导致的发动机功率-速度函数曲线的形状上却出现了不利的情况。涡轮增压常使发动机在高转速时显著提高功率，结果引起发动机在低转速时牵引力不佳。再者，当发动机在低负荷时，涡轮增压器转速下降，必须在涡轮增压器再次提高转速以后，发动机才能接受全负荷，这就引起了对突然要求增大功率的响应滞后。
　　若在设计阶段把较小的喷嘴配用在涡轮机体上，气流就会受到阻碍，压力降也会增大。所以，涡轮增压器从气流中得到更大的动力，转速加快，从而在发动机各种转速下提供更大的增压。在中速范围，功率这时也许是令人满意的。但在发动机高转速时，发动机却有可能增压过大，或者涡轮增压器有可能因转速过高而毁坏。为避免这种情况的发生，可在增压过高时自动开启减压活门，使部分废气绕过涡轮(见图4.16)。这是改善涡轮增压发动机内在的功率-速度函数曲线，使其更适用于机动曱车辆上的几种方法之一。

图4.16 减压活门控制
增压发动机的应力问题
　　为了达到结构紧凑，大多数主战坦曱克的压燃式发动机都采用高增压，完全超出了民用发动机的通常极限。这既导致了发动机内产生机械应力(使发动机开裂)，也导致热应力(使发动机燃烧并熔化)。设计师必须使用他的全部技能来避免麻烦，包括更好地具体设计汽缸盖到汽缸接头，更好地布置机内冷却回路，采用更好的材料制造活门和活曱塞顶，利用机油冷却活曱塞和采用中冷。但是，最后他还必须降低发动机内的压缩比。
　　发动机在热状况下和承受负荷时，比正常值低得多的压缩比也能保证压燃。但是，低压缩比会在冷起动时带来问题，在持续空转时可能也会带来问题。要与这些条件相适应，可能必须对进气实施人工加温。解决这个问题至少有四种方法。

图4.17 可变压缩比活曱塞

NNBFAAA

好专业，谢谢分享

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第一种方法要求在发动机运转的同时能连续调整压缩比——高压缩比用于起动，低压缩比则用于大负荷。这可以通过一种由两部分构成的特殊活曱塞来实现——一个部分是按通常方式与连杆相联的托架，另一部分则是支持活曱塞顶和活曱塞环的活曱塞体(见图4.17)。活曱塞体能相对于托架上、下运动，但行程有限制。因此，当活曱塞体向上运动时，活曱塞就深入汽缸并超过上死点，从而得到高的压缩比，反之亦然。活曱塞两个部分之间的这一相对运动是通过向两者之间的二个油腔泵油和将机油泵出来控制的。通常，它能把压缩比控制在大约8比1和16比1之间。
　　其他三种方法要求发动机按固定的低压缩比制造，而后再在起动和空转时，按要求为进气提供人工加温。
　　第二种方法是向进气中喷入燃油并实施电点火。这是在发动机温度过低，不能压燃时采用的方法(见图4.18)。当负荷增大时，这种额外的供油会自动停止。

图4.18 歧管加温法

图4.19 “哈泼巴”超高增压系统
　　第三种方法，即“哈泼巴”超高增压，如图4.19所示。允许来自压气机的空气的一部分通过辅助燃烧室而绕过发动机。当此燃烧室内燃烧时，涡轮机就得到更多的能量，带动压气机转得更快，从而加大增压，提高进气温度。通过控制旁通燃烧量，就有可能提供在发动机各种转速和负荷条件下所需的适当增压量，从而获得一个对车辆驱动具有吸引力的功率-速度函数曲线。它还保持高的压气机转速(发动机负荷小时)，以便得到热的进气；这也有助于避免发生对突然的功率要求的响应滞后问题。
　　第四种方法如图4.20所示，它允许部分热废气循环进入发动机的进气。显然，这能无限地保持低负荷运转，但冷起动的获得却不明显。这是通过使运转中的发动机活门定时提前来达到的。结果，在尚未燃烧的情况下，在压缩行程中对进气的压缩程度要超过在膨曱胀行程中进气的膨曱胀程度，从而把热空气送回发动机本身的进气口。
　　这些方法中，现在至少有三种在研制中的装甲战斗车辆上得到应用。但是，在民用车辆的研制中至今尚未对这几种方法表示出更大的兴趣。这突出地说明了民用发动机和军用特种发动机之间的重大区别。

图4.20 废气循环
　　总之，压燃式发动机是装甲战斗车辆的一种可靠的推进机构，其性能是众所周知的。其本质上的最大弱点在于体积大，尽管有明显的进展，这仍然是一个问题。压燃式发动机的未来必须要依赖于前所未有的高增压，从而导致与燃气轮机的“结合”。
燃气轮机
部件与特点
　　在活曱塞式发动机上，压缩、燃烧和膨曱胀都在同一空间内按顺序一个接一个地进行，而在燃气轮机上，这三个行程却都在燃气轮机的不同部分连续地同时进行。这需要单独的压气机、燃烧室和涡轮机(见图4.21)。压气机和涡轮机可以是经流机，如图4.14中的涡轮增压器，或者是轴流机(见图4.22)。图4.22示出一种轴流压气机。轴流涡轮机在外观上与轴流压气机相似，但其叶片的排数可能要少得多。

图4.21 单轴式燃气轮机

图4.22 轴流压气机
　　在概念上，这样一种机器是简单的，但在实际上，这种系统要保证涡轮机膨曱胀功率高于压缩功率却比活曱塞式发动机要困难得多。因此，这种发动机对设计上的缺 陷和不利的环境条件非常敏感。因为没有活门，气流是连续的，对于发动机体积来说，通过的空气流量是大的。通过的空气流量与输出的功成比例。因此，这种发动机就其功率而言，结构是紧凑的。此外，没有活门则意味着燃烧压力没有上升，这与活曱塞式发动机不同。发动机的最大压力仅仅是通过压缩而取得的压力，因此结构要比活曱塞式发动机轻。这种发动机就其功率而言是一种重量轻的发动机。
　　因为气流和燃烧是连续不断的，所以有些机件必须经受与最大燃气温度相差无几的温度；在断续燃烧的活曱塞式发动机上，机件的温度要比燃气最高温度低得多。现有的叶片材料把燃气轮机温度限制到1350大卡 [ 松鼠妖注：原文如此，应该是度 ] ，大约是活曱塞式发动机温度的一半。燃烧的燃料是相似的。因此，燃气轮机的空气/燃料比要大得多，通常约为55比1，而压燃式发动机的空气/燃料比则为20比1。所以，就一定的功率而言，通过的空气流量是大的。有鉴于此，再加上对不利条件的敏感，就需要有体积大、低压损耗空气滤清器和进气/排气导管。可是，因机内采用空气冷却，燃气轮机就不需要外部的冷却系统，而活曱塞式发动机则需要外部的冷却系统。

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双轴发动机
　　假如负荷引起活曱塞式发动机的输出转速下降，那么获得的压缩就不会受到影响；它是发动机几何结构的一个函数。可是，要是涡轮增压器和燃气轮机使用的空气动力压气机，压缩就对转速非常敏感。如果压气机和输出轴是机械联结，输出转速下降将导致压缩的损失。这会使此循环无效。因此，图4.21所示的那种发动机的输出功率在转速不得不下降的条件下就会陡然降低，如图4.23所示。

图4.23 功率/转速曲线

图4.24 双轴燃气轮机
　　但是，如果单一涡轮机为二台在机械上互不相联的涡轮机所取代，并且其中的一台高压涡轮机仅驱动压气机，另一台低压涡轮机则驱动负荷(见图4.24)，功率/转速曲线就会发生变化。即使输出转速因负荷而快要下降到零时，压气机或燃气发生器的涡轮也能继续运转，其转速稍有下降，从而提供了有效的燃气循环。因此，在转速下降时，也会良好地维持功率(见图4.23)。这种双轴发动机用在自动曱车上，其功率/转速曲线要优于活曱塞式发动机，大多数自动曱车用涡轮机正是以此系统为基础的。
　　简单的燃气轮机作为没有附加设备的发动机，能够保证极紧凑的结构和极轻的重量。其附加的气管和滤清器的体积比活曱塞式发动机的要大。但是，燃气轮机没有外部冷却系统，也不需损耗因驱动冷却系统所需要的动力，上述缺点可被此优点所抵销。双轴式燃气轮机具有一种有吸引力的功率/转速特性。相对而言，没有活曱塞，也就没有磨擦。因此，它们在低温下容易起动，能够具有良好的冷起动性能。因为燃气轮机的燃烧是连续不断的，它们适应的燃油种类比火花塞式或压燃式发动机都要多得多。
　　可是，它们的最大缺点却是在其耗油率上。在各种负荷条件下，燃气轮机要比同功率的活曱塞式发动机消耗更多的燃油，在低负荷条件下尤其是这样。在地面车辆大部分时间运转的四分之一负荷条件下，简单的燃气轮机的耗油量为同功率压燃式发动机的三倍。详见图⒋25。

图⒋25 耗油率的比较
热交换
　　飞机界的要求是在接近全负荷时的经济性，把高压比和材料技术允许的最高燃气温度相结合的发动机能满足这个要求。但这些都不属于我们讨论的范围。要达到部分负荷时的经济性，就必须采取不同的方法。
　　一台效率低的发动机必须设法排除其燃料的能量，或排入其冷却液中，或排入其废气中。燃气轮机没有冷却系，因此效率低就反映在热的废气上。如果这种能量被用来进行压缩机以后的部分加热过程，那么靠燃料完成的加热过程就减少了，从而耗油量也会下降。这就称为热交换(见图4.26)。
　　从压气机来的空气通过与涡轮的热排气相接触来提高温度。热交换器可以有两种形式，一种是同流换热器，一种是再生器。同流换热器没有运动件。汽车的散热器就是一种热水-空气同流换热器的例子。这样就容易设想出一种利用热排气和压缩空气工作的类似装置。而再生器却有运动件(见图4.27)。一个允许空气气流和排气气流通过的多孔盘以其一边置于空气气流中，另一边则置于热气流中，并低速转动。这块多孔盘连续受到热排气加热，而后转入空气气流中，把其热量释放给空气气流。

图4.26 间壁回热式燃气轮机

图4.27 再生式燃气轮机
　　这两种系统都有自己的优、缺点。在燃气轮机方面，至今尚无足够的实践经验能在它们之间作出坚定不移的选择。回流换热器一般体积大，在长期使用中难以保持清洁。而再生器的材料则必须经受温度时高时低的连续变化；陶瓷是适当的材料。在再生器材料的表面上必须配有耐磨的密封件，以防止高压空气在大气压力下直接进入排气导管。实际上，无论是哪一种热交换器都容易使简单的燃气轮机明显地失去其结构紧凑的优点。

shuishu2626

强大，这得有时间认认真真好好学习！

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可变的几何形状
　　燃气轮机的高效率依赖于工作循环中尽可能高的燃气温度。为了研制出现在可以用来曱经受这种高温的合金，人们已经作出了重大努力，现在仍在继续努力研制能够耐受更高温度的有效的陶瓷部件。可是，当发动机低负荷运转时，输入的燃油量不可避免地会减少，结果会使最高温度下降，这对部分负荷时的经济性具有不利的影响。通过热交换回收余热肯定有所帮助，可是在部分负荷时真正需要的却是体积较小的发动机。尔后，这种发动机才有可能继续以高温和高频率全负荷运转。
　　用另一种方法，则有可能在发动机运转中调整发动机的“尺寸”，这种调整方法就被称之为可变几何形状(见图4.28)。汽车用燃气轮机大都把这种方法应用在其第二个涡轮，即低压或自曱由功率涡轮上。

图4.28 可变几何形状
　　在一个由一排定子叶片和一排转子叶片组成的轴流涡轮上，定子叶片均绕枢轴转动，它们又通过齿轮连接同时运动。随着叶片的转动，它们之间通过的燃气流量减少，见图中的A到D，从而有效地使涡轮“变小”。随着负荷的减小，叶片就按程序改变几何形状。当燃油流量减小时，空气流量也随之减小。燃气温度的下降就不象具有固定几何形状的发动机那样厉害，这有助于保持良好的部分负荷经济性。此外，如果叶片绕枢轴旋转到状态E，它们就吹动转子反转。这就提供了发动机制动。不然的话，燃气轮机就存在不足。
现在的水平
　　大多数车用燃气轮机的样机都采用热交换，并且至少在其动力涡轮上采用可变几何形状。但现在，它们在经济性上仍然不能与压燃式发动机相比，如图4.29所示。所以，现在仍不可能购曱买这种发动机以供民用。但就驱动主战坦曱克来说，与结构紧凑相比，经济性还是次要的，美国人已经决定在其M1“艾布拉姆斯将军”主战坦曱克上采用燃气轮机。这种发动机既采用了回流换热器，也采用了可变几何形状。无论按那种标准来衡量，它都是一种结构紧凑得合理的发动机。不带辅助设备时，这种发动机的功率-体积比约为1000千瓦/立方米，而最好的军用压燃式发动机的功率-体积比则大约为800千瓦/米3。此外，这种发动机没有外部冷却系统来增大体积，也不必损耗相应的动力来驱动风扇(压燃式发动机用以驱动风扇所损耗的功率占其净功率的8-10%)。但是，它的耗油量仍要大于压燃式发动机。当评定整个动力传动装置(其中包括保证一定行程所需的燃料)的体积时，这两种发动机之间的区别就不明显了。按照现在的技术发展水平，作出主战坦曱克使用燃气轮机比使用压燃式发动机有利的判断是有疑义的。两者之间的根本区别很小，这些区别不足以说明发展某一特定机型所具有的优点。

图4.29 燃料消耗率
　　总之，燃气轮机的技术基础是在飞机界，而活曱塞式发动机的发展中心却在地面车辆工业界。按照今天的技术，燃气轮机的制造成本的确较高。但是，重要的是，从事燃气轮机发展的人大都有飞机工业的背景。所以，他们对成本的认识有很大的不同。从这样一种背景中产生出来的任何技术类型的发动机，都会是成本很高的。
　　在相同功率的基础上来比较，以飞机工业为基础的燃气轮机，其成本大约是标准民用车辆压燃式发动机的五倍。而产量有限的军用压燃式发动机的成本则大约是其民用机型的二倍到二倍半。按照相同功率的基础来比较，民用压燃式发动机的成本又大约是汽车用火花塞式发动机的五倍。这种成本上的差别不仅反映了复杂程度的不同和制造标准的不同，而且反映了各种发动机生产数量的不同。
　　正如前面所强调指出的那样，大型军用发动机必须是“专用”的，可是它们的购置费用却较高。在具体设计上，必须有别于民用发动机。但是，我们却恰恰不能出钱来着手发展那些在原理上有别于民用机型的发动机。
未来的发动机
绝热发动机与复合发动机

抓狂的乌鸦

　　燃气轮机和压燃式发动机都仍然有相当大的发展潜力。就燃气轮机而言，其进一步发展的关键几乎肯定在于燃烧室和涡轮陶瓷部件的发展。这些陶瓷部件能比金属部件在更高的温度下运转，从而导致发动机效率的提高以及燃料消耗率的下降。压燃式发动机使用类似材料，就可以取消部分的、甚至是整个的冷却系统。这样产生的发动机就被称之为绝热发动机。这本身并不会使发动机显著提高效率。因无冷却液而省下来的热量，大部分不是作为额外功，而是作为更热的排气输出的。但是，它却省掉了冷却系统所占的体积和用以驱动风扇所需的动力，并允许发动机接受更高的增压。
　　随着压燃式发动机涡轮增压强度的增大，用来驱动涡轮的废气动力开始明显地超过驱动压气机所需的动力。即使按照现在的增压水平，也可能会发现在较高的发动机转速时必须通过溢流阀排除废气能量，以使发动机保持无故障工作状态。随着能够耐受更高增压的发动机的发展，也许有可能回收废气中的全部有效能量。除了把必须的部分能量用来驱动压气机以外，把剩下的能量全部供给输出轴——这就是复合发动机，如图4.30所示。

图4.30 活曱塞-涡轮复合发动机
　　这个概念并不是新东西，但是它现在似乎还没有最后达到有可能供民用的程度。这种想法适合于与绝热发动机相结合。这样，后者释放的多余的废气能量就有可能被涡轮回收。这种发动机经过全面发展以后，其比油耗理应比现在最好的压燃式发动机低约18%。的确，它代表着按照我们现在的技术水平可以设想的、最经济的车用发动机。此外，它还应表明其功率-体积比要优于目前最好的压燃式发动机，并在逐步向燃气轮机靠近。但是，现在还不应期望这种发动机会在本世纪末以前问世。
　　将来，用来推进军用地面车辆的发动机会是压燃式发动机(如果是增压式活曱塞发动机的话)、燃气轮机或复合发动机。石油将会用完，但是，我们可以用人工合成代用燃料。不过，只有使用人工合成代用燃料比较经济时，我们才能使用它。
附录A 分析例题
　　在地球上，1千克的质量有9.81牛顿的力(重力)。而在月球上，1千克质量的力则较小，约为1.5牛顿，因为月球上的引力作用较小。
　　例如，一辆具有55吨质量的主战坦曱克，其重力为540千牛顿。
　　根据经验，2千瓦/千牛顿的单位功率所包含的意思是，最大公路速度约为80千米/小时；按照这个速度，公路上的比滚动阻力大约是8%。
　　所以，滚动阻力=重力×比滚动阻力=540千牛顿×0.08=43.2千牛顿
　　对于一辆装甲战斗车辆来说，空气阻力是可以略去不计的。
　　当公路有小坡时，例如1%或0.57°：
　　坡度阻力=Wsinθ=540千牛顿×0.01=5.4千牛顿
　　所以，公路负荷=滚动阻力+空气阻力+坡度阻力=48.6千牛顿
　　并且，牵引力=公路负荷……以保持匀速运动。
　　因为公路动力=牵引力×公路速度，并且给定的公路动力为1080千瓦，1千瓦=1千牛顿·米/秒，所以公路动力=1080千牛顿·米/秒。
　　那么，1080千牛顿·米/秒=48.6千牛顿×公路速度。
　　设，高速挡最大功率时的公路速度=22.2米/秒，而1米/秒=3.6千米/小时，所以
　　高速档最大功率时的公路速度=80千米/小时。
　　假如一辆同样的车辆爬38°的坡，比滚动阻力为10%：
　　公路负荷=540千牛顿×(sin38°+0.1)=386千牛顿。
　　因此，低速挡最大功率时的公路速度=1080千牛顿·米/秒÷386千牛顿=2.8米/秒
　　又因为发动机最大功率是与发动机最大转速相一致的，所以
　　低速挡最大公路速度=2.8米/秒=10千米/小时
　　参见图4.11，图上所示的压燃式发动机，在最大功率500千瓦时和在1/4负荷时的比油耗是多少？一台最大功率为1500千瓦的更大的压燃式发动机，其比油耗与图4.11所示的发动机相同，它在全负荷时的耗油率会是多少？

抓狂的乌鸦

　　参见图4.11，在500千瓦时的耗油率=110千克/小时。
　　因此，比油耗=110千克/小时÷500千瓦=0.22千克/千瓦·小时。
　　同样，在1/4负荷时，比油耗：0.36千克/千瓦·小时。
　　对于比油耗为0.22千克/千瓦·小时的1500千瓦的发动机来说，其耗油率=330千克/小时。
自我测验题
　　 1. 从一台四冲程压燃式发动机的一个汽缸上卸下喷油器，留下的孔用一张卷烟纸加以覆盖。这时以很低的转速起动发动机。卷烟纸被吸入孔内会是在哪个行程？
　　 2. 就一定的燃料而言，达到正常的完全燃烧所需要的空气质量为燃料质量的15倍。那么，含油量大的油气混合气，其空气/燃料比是比15/1大还是小？
　　 3. 现有两台压燃式发动机，它们的压缩比都为15/1。一台发动机的单缸容积为1/2升，而另一台发动机的单缸容积则为2升。问，哪一台发动机可能具有较好的冷起动性能？
　　 4. 车辆在什么条件下行驶时，柴油机的转速最大？为什么大多数柴油机都有调速器？而汽油机又为什么大多没有调速器？
　　 5. 现有一台压燃式发动机决定采用涡轮增压，以便把进气压力从1个大气压增加到1.25个大气压。问，功率会提高25%吗？25%是多还是少？
　　 6. 溢流阀现在在公路车辆柴油机的涡轮增压器上得到了广泛应用，但它在公路车辆汽油机上更是不可缺少的部件。请给予解释。
　　 7. 图4.31为一项修改燃气轮机循环的建议方案，具体目的是为了提供军用。据称，排气通过再生器与冷的进气接触，会受到良好的冷却，从而导致车辆热特征的减少。与此同时，因为排气会比在常规的热交换循环中得到更好的冷却，排气带走的余热会减少，所以循环效率以及车辆的耗油量都应该得到改善。请加以说明。

图4.31 燃气轮机的建议方案
　　 8. 现代直升机使用的高压比燃气轮机不使用热交换器，一个明显的原因是这种装置的重量和体积。但是，还有一个更加根本的原因。请给予解释。
　　 9. 现在要求“附录A”中所说的主战坦曱克爬一个8°的坡，比滚动阻力为8%。选用理想的排挡后，该车有可能达到多大的速度？
　　 10. “附录A”中所说的主战坦曱克，由压燃式发动机驱动，并具有72%的传动效率。发动机飞轮曱功率应当是多少？这台压燃式发动机在各种负荷条件下的比油耗与图4.11所示的相同。如果在1/4负荷下连续运转10个小时可以代表战场上的一天，应该携带多重的燃料？柴油的密度为0.84千克/升，这样重的燃料有大多的体积？请再计算这辆主战坦曱克在使用燃气轮机时所需携带柴油的重量和体积。设最大功率不变，这台燃气轮机的比油耗可以从图4.29中查到；其所用燃料的密度为0.74千克/升。