被枪毙的方案！为何卡车不用燃气轮机?

2023-10-18 00:01:00类型：原创来源：卡车之家编辑：杨昊小大

【卡车之家原创】如果各位卡友研究过卡车历史，会发现在上世纪50-70年代太空竞赛和冷战的背景下，一部分卡车制造商选择将船舶、坦克、飞机上使用燃气轮机放置在卡车上。如果以现在的眼光来看，这是一种极其疯狂的想法，因为燃气轮机巨大的工作噪音和尺寸显然不适合于卡车运输。

而在1964年11月北美发表的《车队所有者》专题文章中描述到“这些人坚信，燃气涡轮发动机将像改变飞机动力领域那样，彻底改变汽车动力领域。”足以可见当时的工程师的想法有多大胆，所以在当年，不仅是卡车，就连克莱斯勒都在1963年时尝试生产搭载燃气轮机的轿车，不过为何现今燃气轮机已经销声匿迹了？

文丨杨昊

资料丨网络

布雷顿循环原理

为了搞清楚这个问题，我们首先需要了解什么是燃气轮机？燃气轮机的基本原理是以空气为工作流体进行布雷顿循环原理，大致可理解为外部空气流过压缩机，使其达到更高的压力，然后通过将燃料喷射到空气中并点燃来添加能量，使燃烧后产生高温流。而后这种高温加压气体进入涡轮机，在此过程中产生轴功输出，用于驱动压缩机。

在理想的燃气轮机中，气体经历四个热力学过程，分别为等熵压缩、等压（恒压）燃烧、等熵膨胀和排热。这些共同组成了布雷顿循环，也称为“恒压循环”。它与传统内燃机所使用的四冲程奥托循环的区别在于，布雷顿循环的所有过程（压缩、点火、做功、排气）可以同时发生。

装配于美军艾布拉姆斯M1A1主战坦克的AGT1500燃气轮机

当然，燃气轮机由于需要满足不同领域的使用需求，所以可以从大类上拆分为飞机、火车、轮船、发电机、泵、军事、气体压缩机和储罐等多种领域。而根据使用领域的不同，燃气轮机的结构和所使用的燃料也有诸多区别，结构上可拆分为涡轮喷气发动机、)涡轮螺旋桨发动机、涡轮轴发动机、高涵道涡扇发动机、低涵道加力涡扇发动机，而这些发动机又可以根据具体用途来设计尺寸和功率。

在主流的车用燃气轮机领域，天然气（LNG、CNG）是最常见的燃气轮机燃料之一。它主要由甲烷组成，是一种清洁的化石燃料。天然气在燃烧时产生较少的污染物，因此被广泛应用于燃气轮机和其他燃烧设备中。其二是液化石油气（LPG），液化石油气是一种混合物，主要由丙烷和丁烷组成。它是一种便携式和易于储存的燃气燃料，常用于燃气轮机和液化石油气炉具。

目前也有厂家使用生物气体，生物气体是通过生物（例如植物和动物废弃物）发酵过程产生的气体。它可以用作可再生能源，并被用于燃气轮机发电。其四为合成气体，合成气体是通过将固体燃料（如煤）或液体燃料（如石油）进行气化产生的气体，合成气体可以用作燃气轮机的燃料。

车用燃气轮机的具体构造包括以下几个主要组成部分，其一为燃烧室，这是燃气轮机的核心部分，用于将燃料和空气混合并燃烧产生高温高压气体。燃烧室通常由耐高温材料构成，以承受高温环境。其二为压气机，压气机是燃气轮机中的一个关键组件，用于将大量空气压缩。它通常由多级叶轮组成，每级叶轮都会增加空气的压力。通过压缩空气，压气机提供了燃烧所需的高压环境。

其三为燃气涡轮，是燃气轮机的另一个重要组成部分，它由多个叶片组成。高温高压的燃气从燃烧室流出，进入燃气涡轮，使其旋转，涡轮的旋转动力通过轴传递给车辆的传动系统，从而提供动力。其四为排气系统，用于将燃烧后的废气排出燃气轮机，废气中包含着高温、高压的燃烧产物，需要经过冷却和处理后才能排放到环境中。

最后则为控制系统，一般车载燃气轮机还配备了控制系统，用于监测和控制燃气轮机的运行。控制系统可以调整燃料的供给量、调节涡轮转速以及监测燃气轮机的温度、压力等参数，以确保其安全和高效运行。

那么和传统的往复式内燃机相比，燃气轮机采用了完全不同的循环形式，本体结构也完全不同，所以两者的优劣势差异非常显著。燃气轮机的优势可以分为以下几点：

1、与往复式发动机相比，燃气轮机的功率重量比非常高，可以理解为更小的自重能爆发更强的动力。

2、比相同额定功率的大多数往复式发动机的尺寸更小。

3、主轴平稳旋转时所产生的振动远小于往复式发动机。

4、与往复式发动机相比，运动部件更少，因此维护成本更低，使用寿命内的可靠性/可用性更高。

5、更高的可靠性，特别是在需要持续高功率输出的应用中。

6、废热几乎全部在废气中消散。这会产生高温废气流，非常适用于联合循环中的沸水或热电联产。

7、一般而言，峰值燃烧压力低于往复式发动机。

8、润滑油成本和消耗量低。

9、可以使用多种燃料。

10、由于会吸收过量空气、并且完全燃烧，CO和HC等有毒元素排放量非常低。

而缺点也显而易见，由于需要使用特殊材料制造燃烧室等零部件，所以核心发动机成本可能很高。其次怠速时的效率低于往复式发动机，这是因为在燃烧过程中，车用燃气轮机的燃烧过程是连续不间断进行的，燃料在燃烧室中持续燃烧。在怠速时，由于负载较低，燃气轮机的燃烧过程可能不充分，导致燃料的利用率降低，从而降低了效率。

同时，车用燃气轮机中的压气机需要消耗一定的功率来压缩进气空气，以提供足够的气体压力供燃烧室使用。在怠速时，压气机的负载较低，相对来说效率也会降低。并且其机械摩擦损失更大，车用燃气轮机中的旋转部件（如涡轮、轴承等）会产生一定的机械摩擦损失，在怠速时，由于转速较低，摩擦损失相对较大，从而降低了效率。

卡友可以简单理解为，往复式发动机在怠速时的效率相对较高。往复式发动机的燃烧过程是间歇性的，每个气缸在每个往复运动周期内都会进行燃烧。这样可以确保燃料在燃烧室中得到充分利用，提高了效率，此外，往复式发动机在怠速时可以更好地控制燃料供给和点火时机，以提高燃烧效率。

1963年正在克莱斯勒工厂装车的燃气轮机

需要注意的是，车用燃气轮机在高负载和高转速条件下通常具有更高的效率和功率输出。因此，车用燃气轮机在高速公路等需要高功率输出的情况下，相对于往复式发动机具有更好的性能。不过在60年代时，燃气轮机的技术还没有现阶段发达，所以当年燃气轮机的燃油及经济性确实没有往复式发动机理想。

燃气轮机对比往复式发动机

而且它比往复式发动机启动时间更长，车用燃气轮机是一种连续旋转的发动机，其工作原理涉及压气机、燃烧室和涡轮。在启动过程中，需要通过外部的启动设备（如电动机或辅助动力装置）提供足够的转动力矩来旋转整个燃气轮机，使其达到启动速度，这需要一定的时间和能量来实现。

此外，车用燃气轮机在启动过程中还需要完成一系列复杂的操作，卡友可以脑补飞行员的起飞操作，例如燃料供应和点火系统的启动、压气机和涡轮的同步等，这些步骤需要时间来确保燃气轮机能够正常启动并达到稳定运行状态。最后则是运行噪音，燃气轮机特有的呜铭声很难抑制，工程师能做的只有强化车内隔音，或者在发动机仓中作更好的隔音。

60年代美国人对未来公路运输场景的畅想图

从其综合特点不难看出，燃气轮机对于汽车来说，更加适合于不堵车的高速巡航路段，如果用现在的眼光来看，不堵车、不怠速并不现实，使用燃气轮机有杀鸡用牛刀的感觉。

然而在上世纪50、60年代，其实汽车的保有量并不夸张，再加上高速发展的经济人们对未来基础设施建设的热情，甚至包括很多汽车头部企业，比如福特、通用公司认为即将建成的州际公路网络的建成将为新型的卡车和卡车运输奠定基础，一款完全可操作、真正卓越的燃气轮机牵引车已经完全可以上路行驶。

而且当时正值美苏两个超级大国的博弈期间，所以大多数老百姓认为太空旅行、磁悬浮列车、超级高速公路等设想能够在短时间内轻松落地，这也就促成了燃气轮机卡车、轿车的发展。1964年，10月26日，这款充斥着未来感的卡车在洛杉矶举行的ATA全国会议上首次公开亮相，可牵引两辆40英尺（总长27.5米）长的半挂车。

这台卡车被命名为Ford Big Red（大红），整台车型的外观设计酷似宇宙飞船，同步那个年代的飞机、汽车等先进的设计理念，即便现在看上去也是个性十足。同时大红的车灯以及保险杠区域非常接近乘用车，得益于燃气轮机较小的体积，所以车内的整体休息空间十分宽裕。

驾驶室内部的结构也不同于我们常见的车型，主副驾均为单体式大沙发，采用隐藏式的油门、刹车、液缓踏板，整合在仪表上控制。其配备了烹饪区域、带电动焚烧功能的厕所、电视和收音机等设施，并为两位卡友提供了上下卧铺，直逼现阶段牵引车的内部配置。驾驶室宽度为7英尺，内部高度为6英尺3.5英寸，允许两人在内部直立行走。

而这款大红卡车牵引车的动力为600马力，要知道对于一台60年代的卡车来说，能够达到600马力非常夸张，即便是技术最为先进的欧洲卡车，此时传统牵引车的动力范围也至多在300马力左右。这让其在全负荷工作状态下能够轻松拖动77吨车货总重。

这台福特自研的705燃气轮机采用两级压缩、中间冷却的布局形式，整体尺寸非常紧凑，整体尺寸为49英寸长、44英寸宽、38英寸高，重1,475磅，和一台六缸汽油发动机大小接近，显著小于传统柴油机。它使用具有空空中冷功能的离心式压缩机进行两级压缩，从而实现增压。这使得发动机可以使用更少的空气，在整个工作范围内提供较为出色的燃油经济性，1060升的燃料箱可以为其在满载状态下提供960公里左右的续航里程。

独特的“三轴”燃气涡轮发动机后方驱动带缓速器的艾利逊提供的Torqmatic HT-70五速自动变速箱，它有五个前进档和一个倒车档。集成了一个整体式液压缓速器和一个转换器，在所有前进范围内都带有自动锁止离合器。转换器为单级、双相、三元件单元；它由泵、涡轮和定子组成。驾驶员的脚踏板控制缓速器。液力变矩器传动比为 2:1，前进一档至五档的传动比为2.824:1、2.000:1、1.412:1、1.000:1和0.706:1，倒挡为4.769:1。