在渦輪離開地面以前，航空動力裝置界是內(nèi)燃機的天下。本篇專題文章將會獨立于“航空”，單就內(nèi)燃機這一主題，從熱力學(xué)原理，歷史沿革以及未來發(fā)展兩方面，來做一些有益的總結(jié)。近百年來，內(nèi)燃機與電動機共同發(fā)展，而在未來的一個世紀內(nèi)，電動機將逐漸取代內(nèi)燃機現(xiàn)在的位置。有傳言說，人類將在四十年之內(nèi)徹底消耗掉已探明的石油資源儲備，屆時所有內(nèi)燃機將退出歷史，現(xiàn)實中由于排放標準的逐步嚴苛，汽車行業(yè)，甚至小型飛機都在研究用電機提供動力解決方案，盡管如此，眾多相關(guān)領(lǐng)域資深從業(yè)者仍樂觀地認為，近幾十年內(nèi)，內(nèi)燃機仍會依靠其功率范圍廣，布局緊湊，可靠性高的特點，在大型工程機械，應(yīng)急電力支援，航空航天等領(lǐng)域發(fā)揮不可替代的作用。在正式開始主題之前，我們先一一賞析一下這些典型應(yīng)用案例。
活塞發(fā)動機在航空業(yè)中的應(yīng)用：圖為塞斯納172上單翼輕型飛機，采用Lycoming IO-360-L2A水平對置4缸發(fā)動機（120kW）
活塞發(fā)動機在大型工程機械中的應(yīng)用：圖為三一重工SRT95C重型礦用自卸車，采用康明斯QST30-C1050型柴油發(fā)動機，凈功率728kW，排量30.5L（圖片及數(shù)據(jù)來自三一礦用自卸車產(chǎn)品手冊）值得注意的是，該型自卸車采用發(fā)動機帶動變速箱，進而為車輛提供動力的解決方案。而在更大型的礦用自卸車中，一般采用發(fā)動機拖動發(fā)電機，再以電機帶動驅(qū)動橋的解決方案，這與大功率內(nèi)燃機車的驅(qū)動方案是一致的。
活塞發(fā)動機在應(yīng)急電力支援領(lǐng)域的應(yīng)用：圖為康明斯C1000-D2R型集裝箱式柴油發(fā)電機組，發(fā)動機型號為KTA18-G14，在60Hz輸出頻率下常載輸出電功率達到928kW（圖片及數(shù)據(jù)來自康明斯中國官方網(wǎng)站）。集裝箱是特種設(shè)備的一個很好的載體，在需要應(yīng)急支援時，依靠標準集裝箱，設(shè)備可由貨輪和貨車快速運送至事發(fā)地點，支援結(jié)束后撤場也非常便利。同時，集裝箱有利于保護設(shè)備，隔絕噪音，讓柴油發(fā)電機組更加環(huán)境友好。
在系列的上一篇文章中，我們曾經(jīng)提到，內(nèi)燃機自從發(fā)明到現(xiàn)在，便是普羅大眾生活中最常接觸到的熱機。畢竟，燃氣輪機與內(nèi)燃機相比，其維護成本，使用時的噪音，油耗等各方面都高了不止一個身位，使其難以融入日常生活。而現(xiàn)階段，小型內(nèi)燃機與電力驅(qū)動系統(tǒng)在汽車，輕型飛機領(lǐng)域上的博弈，本質(zhì)上是汽油與電池的博弈，換句話說，在電池技術(shù)發(fā)展到使其擁有與汽油相當?shù)哪芰棵芏戎?，?nèi)燃機都有其存在的價值。說完了這些，讓我們分兩個模塊，深度解析一下內(nèi)燃機這個古老而又充滿創(chuàng)新活力的熱機門類吧。
混合加熱循環(huán)，奧托循環(huán)，普通四沖程發(fā)動機
本質(zhì)上，我們所用到的混合空氣和燃料的熱機，其基礎(chǔ)原理都可以歸為氣體動力循環(huán)。而對于活塞式內(nèi)燃機中的氣體動力循環(huán)，我們也可以找到一個可以將其概括的“父類”，它就是混合加熱循環(huán)，又稱薩巴德循環(huán)（Sabathe cycle）。
混合加熱，是指在整個熱力過程中，氣體先后經(jīng)歷了定容加熱，定壓加熱兩個過程。鑒于內(nèi)燃機循環(huán)的分類主要靠加熱過程判斷，所以混合加熱循環(huán)的參數(shù)，便相當于囊括了所有內(nèi)燃機動力循環(huán)的參數(shù)，其意義不言而喻。
我們先來看這樣兩張代表系統(tǒng)狀態(tài)變化的曲線圖，P，V，T，S分別代表壓力，體積，溫度和熵。
從這兩條曲線中，我們可以看出，由2到3和由3到4的過程中，系統(tǒng)溫度逐步上升，區(qū)別在于2-3是等容過程（isochoric process），而3-4是等壓過程（isobaric process）。一個氣體動力循環(huán)，評價其性能的最直觀的參數(shù)是它的循環(huán)功和熱效率，由圖中所示的五個關(guān)鍵點及其對應(yīng)的系統(tǒng)狀態(tài)，我們可以先寫出這兩個參數(shù)的表達式：
熱效率：
為了簡化分析，我們對系統(tǒng)的狀態(tài)量進行無量綱化處理：設(shè)壓縮比為：
有了以上分析的基礎(chǔ)，我們終于可以開始具體地介紹我們生活中最常見的內(nèi)燃機——四沖程汽油機了。在之前的文章里，我們簡單地提到了奧托和他的四沖程煤氣機，而就是那樣一臺簡陋的原型，成為了后世所有四沖程汽油機的鼻祖。我們不妨先來了解一下奧托其人。
尼古拉斯·奧古斯特·奧托先生的人生經(jīng)歷十分簡單，他于1832年出生于德國萊茵蘭-普法爾茨州的一個鎮(zhèn)子上，青年時成績優(yōu)異，尤其對科學(xué)技術(shù)相關(guān)的學(xué)科展現(xiàn)出濃厚的興趣。畢業(yè)以后他沒有讀大學(xué)，而是選擇成為一名學(xué)徒制學(xué)生，學(xué)習(xí)銷售本領(lǐng)。在之后的日子里，他在各種職業(yè)之間兜兜轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)，最終發(fā)現(xiàn)自己還是對機械設(shè)備的情有獨鐘，從而最終走上了發(fā)動機研發(fā)的道路。
（圖為奧托于1876年開發(fā)的四沖程煤氣機原型）
奧托先生對內(nèi)燃機行業(yè)的貢獻，不僅限于他開發(fā)了世界第一臺四沖程發(fā)動機樣機，更在于他與合伙人Eugen Langen創(chuàng)辦了世界上第一家專注于內(nèi)燃機R&D的企業(yè)：NA Otto & Cie 。一項技術(shù)發(fā)展的如何，取決于開發(fā)和應(yīng)用該種技術(shù)的企業(yè)的規(guī)模與素質(zhì)，而這家小型企業(yè)的出現(xiàn)，標志著動力裝置第一次成為了一個獨立的工業(yè)產(chǎn)品，而不是主機（汽車）的一個簡單附庸。
我們先來看一下沖程的概念，它是我們研究活塞發(fā)動機循環(huán)的基石。下圖是一臺典型汽油發(fā)動機的四個沖程的示意圖。
由圖示可知，由一個沖程過渡到另一個沖程的過程中，必然伴隨著活塞行進方向的改變。于是，我們便可以推定，沖程指的是活塞，連桿，曲軸構(gòu)成的機構(gòu)從一個極限位置到另一個極限位置的過程。我們注意到，上圖中，丙沖程處火花塞點火，伴隨著活塞下行，向外做功，我們以此為出發(fā)點，將各個沖程與熱力循環(huán)的各個階段對應(yīng)起來進行研究。首先來看奧托循環(huán)的P-V曲線圖。
我們注意到，2-3過程是一個定容加熱過程，與油氣混合物爆炸時的狀態(tài)相吻合，故我們知道，2-3過程發(fā)生在丙沖程開始時，而丙沖程代表2-4過程。同理，0狀態(tài)對應(yīng)外界大氣，4-0過程對應(yīng)排氣沖程丁，0-1對應(yīng)吸氣沖程甲，而1-2過程對應(yīng)壓縮沖程乙。運行過程中，在沖程轉(zhuǎn)換時，曲軸上的結(jié)構(gòu)撥動進氣門和排氣門，來自動實現(xiàn)進氣和排氣。接下來，我們通過一些計算來評估這個熱力循環(huán)的性能。對照薩巴德循環(huán)的P-V圖時我們發(fā)現(xiàn)，當令預(yù)脹比ρ=1時，薩巴德循環(huán)退化成上圖所示的奧托循環(huán)。所以，我們可以分別導(dǎo)出奧托循環(huán)的熱效率和循環(huán)功的無量綱表達式：
我們可以直觀地看到，理論上，在其他無量綱量不變的情況下，預(yù)脹比越小，熱效率越高。當然，我們也清楚地知道，油氣混合物爆炸并不是一個絕對瞬時的過程，也就是說，奧托循環(huán)是一個理想的熱力循環(huán)，實際汽油發(fā)動機中預(yù)脹比大于1，只是其影響非常小，可以忽略罷了。
從四沖程煤氣機樣機，到推動飛行者一號上天的直列四缸機，再到今天大多數(shù)的汽車和小型飛機發(fā)動機，在同一基本熱力學(xué)原理的支撐下，工程師們創(chuàng)造出了各類具有精巧構(gòu)型的活塞發(fā)動機，使之能夠被應(yīng)用于人類生活的方方面面。活塞發(fā)動機按照氣缸的多寡，可以簡單地分為單缸發(fā)動機和多缸發(fā)動機，放下單缸機不表，我們從多缸發(fā)動機的排布方式出發(fā)來談一談活塞發(fā)動機的設(shè)計。
I 直列發(fā)動機：顧名思義，參與做功的氣缸排成一列，按照一定次序帶動同一根曲軸旋轉(zhuǎn)的發(fā)動機。應(yīng)用較多的直列發(fā)動機有直列四缸機（L4）和直列六缸機（L6）等。這里，我們著重看一下直列六缸機。我們把直列發(fā)動機沿活塞軸向的振動稱為“初級振動”，因為其是由活塞的往復(fù)運動直接作為振源產(chǎn)生的，而把沿水平方向的振動稱為“次級振動”，其激振力為連桿給予曲軸水平方向上的周期性不均勻力。為了抵消掉L4發(fā)動機的次級振動，在設(shè)計時需要引入一根或多根額外的平衡軸。而由于L6發(fā)動機其運行時每組三根連桿互呈120度角，自然消除了次級振動的激振力，使其具備極佳的平順性。至今，L6發(fā)動機仍在豪華轎車，性能車領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。
（圖為BMW M20直列六缸發(fā)動機）
II V型發(fā)動機：一種氣缸分為兩組直列，兩組間再組成一個“V”字形，帶動同一根曲軸的活塞發(fā)動機。V型發(fā)動機具有結(jié)構(gòu)緊湊的特點，V6發(fā)動機在氣缸徑相等的情況下比L4發(fā)動機更短。V型發(fā)動機構(gòu)型的一個重要設(shè)計參數(shù)是兩組氣缸徑向的夾角大小，當該角度等于60度時，發(fā)動機體積最小，且動平衡性能最佳。
（圖為日產(chǎn)VG30E發(fā)動機，是日本第一種量產(chǎn)V6發(fā)動機）
III 轉(zhuǎn)缸發(fā)動機（Rotary Engine）：一種航空氣冷發(fā)動機，氣缸圍繞中心軸排成一圈，運行時依次點火，驅(qū)動缸體（而不是曲軸）繞中心旋轉(zhuǎn)，進而帶動螺旋槳。這種設(shè)計使得氣缸與空氣充分接觸，解決了發(fā)動機冷卻的困境。但是，轉(zhuǎn)動的缸體使整機運行時轉(zhuǎn)動慣量巨大，陀螺效應(yīng)使飛機操縱變得極其困難。一戰(zhàn)時期的駱駝戰(zhàn)機（Sopwith Camel）和其上搭載的轉(zhuǎn)缸發(fā)動機Bentley BR1便是一個極好的例子。雖然駱駝戰(zhàn)斗機戰(zhàn)功赫赫，但其仍以難以操縱而聞名。
（圖為Bentley BR1型轉(zhuǎn)缸發(fā)動機的解剖展示機）
IV一個異類——轉(zhuǎn)子發(fā)動機（pistonless rotary engine）：之所以稱這一類型的發(fā)動機是“異類”，是因為它們雖同樣運行于四沖程循環(huán)之下，但是卻沒有活塞，甚至不屬于往復(fù)機的范疇。轉(zhuǎn)子發(fā)動機，又稱汪克爾機，是由德國工程師汪克爾（Felix Wankel）1951年在NSU Motorenwerke AG 公司就職時開發(fā)的（公司于1969年被Volkswagen Group收購）。轉(zhuǎn)子發(fā)動機的轉(zhuǎn)子呈萊洛三角形，在其偏心地繞中心軸轉(zhuǎn)動時，可以周期性地在其外側(cè)與缸體內(nèi)壁之間產(chǎn)生三個容積不斷變化的空腔。通過精巧的幾何設(shè)計，這些空腔可以和氣缸與活塞的組合一樣，完成進氣，壓縮，燃燒膨脹及排氣四個階段。
（圖為1951年汪克爾開發(fā)的轉(zhuǎn)子發(fā)動機 DKM54型）
這型發(fā)動機的優(yōu)勢很明顯，原本需要一系列復(fù)雜機構(gòu)才能完成的循環(huán)，現(xiàn)在只消一個轉(zhuǎn)子搭配容腔就解決了，結(jié)構(gòu)非常緊湊。當時，這類發(fā)動機在電鋸，小摩托，割草機等機械上得到了廣泛應(yīng)用。但相比起優(yōu)勢，其缺點也很明顯，由于其空氣吸入量是限制死的，若想要加大馬力就必然犧牲扭矩；另外，轉(zhuǎn)子發(fā)動機由于運轉(zhuǎn)燃燒容腔的移動運轉(zhuǎn)，火焰?zhèn)鞑ナ鼙M影響，燃燒效率不高。一個有趣的事實是，鑒于轉(zhuǎn)子發(fā)動機燃燒效率的低下，各國在按發(fā)動機排量制定消費稅率時，對使用轉(zhuǎn)子發(fā)動機的車型要按實際排量的兩倍計算（比如馬自達著名的MX-5）。種種原因，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子發(fā)動機至今沒有成為汽油內(nèi)燃機的主流設(shè)計。
狄賽爾循環(huán)和柴油機
魯?shù)婪颉さ胰麪枺≧udolf Diesel）的父母是居住在巴黎的巴伐利亞移民，他本人于1858年出生。幼時，他的家庭面臨著很嚴重的經(jīng)濟困境，他不僅來回幾次被寄養(yǎng)到親戚家中，還因為普法戰(zhàn)爭等不可控因素，和家人不得不在倫敦等地輾轉(zhuǎn)。盡管這樣，他本人卻是個勵志典型，在承擔起家庭生意重擔的同時始終保持者極其優(yōu)異的學(xué)習(xí)成績。最終，1875年，他收到了皇家巴伐利亞工學(xué)院（現(xiàn)在的慕尼黑工業(yè)大學(xué)）的獎學(xué)金，開始接受大學(xué)教育。
（圖為魯?shù)婪颉さ胰麪枺?/p>
此君1879年將要畢業(yè)時感染了傷寒，錯過了一門重要考試，因此學(xué)分不夠無法畢業(yè)。他在等待考試期間順便去一家叫Gebrüder Sulzer Maschinenfabrik （蘇爾茨兄弟機械）的公司進行實習(xí)，收獲了許多經(jīng)驗。此后，他輾轉(zhuǎn)來到柏林，主攻熱力機械的研發(fā)。
最開始，他將注意力放在新型蒸汽機械的研發(fā)上面。1890年前后，為了提高燃料效率與循環(huán)熱效率，他試著采用氨蒸汽作為工質(zhì)進行實驗，但是實驗失敗得非常徹底，他差一點被炸死，在醫(yī)院里面躺了好幾個月。接下來的幾年內(nèi)，他反復(fù)進行了很多嘗試，最終意識到，要實現(xiàn)他“提高熱機效率”的最終目標，必須采用內(nèi)燃機的設(shè)計方案。經(jīng)過努力，他先是創(chuàng)造性地提出了不依靠火花塞而利用活塞壓燃燃料的設(shè)想，接著成功研制出了一臺能夠運轉(zhuǎn)的樣機。
（圖為狄賽爾于1894年研制的第一臺壓燃式發(fā)動機樣機）
當時的曼恩公司（MAN AG）掌門人海恩里?！ゑT·布茲（Heinrich von Buz），為狄賽爾提供了幫助，讓他能夠?qū)⒆约旱南敕ǜ吨T實踐。狄賽爾為他的“壓燃式發(fā)動機”申請了專利，并因此成為了公認的柴油機發(fā)明者。另外，很多人都不知道的是，狄賽爾可能是最早應(yīng)用生物質(zhì)燃料的使用者，他的發(fā)動機采用的燃料是未經(jīng)處理的花生油。
壓燃式發(fā)動機的設(shè)計，直接體現(xiàn)了狄塞爾關(guān)于提高燃燒效率的中心思想。我們從理想狄賽爾循環(huán)的P-V曲線上來做進一步的分析：
從圖中我們可以發(fā)現(xiàn)，狄塞爾循環(huán)是當混合加熱循環(huán)的定容增壓比為1時的情形。狄塞爾機的運行也可分為四個沖程：第一個沖程是吸氣沖程，第二個沖程是壓縮沖程，對應(yīng)圖中1-2過程。第三個沖程對應(yīng)2-4過程，發(fā)動機在壓縮沖程末尾噴入燃油，使之與高溫空氣混合進行燃燒，屬于等壓加熱過程；在燃油燃燒完成后，氣體即繼續(xù)等熵膨脹，直到活塞達到下死點，此為做功沖程。第四個沖程為排氣沖程，活塞上行。從混合加熱循環(huán)熱效率表達式和循環(huán)功的表達式中，我們發(fā)現(xiàn)，熱效率與預(yù)脹比ρ呈負相關(guān)，而循環(huán)功恰恰相反。這是一對矛盾，需要工程師根據(jù)實際需求進行針對性地調(diào)校。
汽油機在進氣行程中吸入的是油氣混合物，在壓縮沖程中有可能在活塞達到上死點之前便開始燃燒，造成運行中對發(fā)動機的沖擊，這種現(xiàn)象叫做汽油發(fā)動機的“爆震”。由于爆震現(xiàn)象的制約，汽油發(fā)動機的壓縮比不能設(shè)定的太高，從而嚴重限制了。反過來，因為狄塞爾機壓縮沖程壓縮的是空氣，不會發(fā)生所謂的“爆震”，所以它的壓縮比可以設(shè)計的很高（12~24），實際熱效率達35%到50%。狄塞爾就這樣，通過細致的研究分析和天才的設(shè)計，實現(xiàn)了研發(fā)目標，大大提升了內(nèi)燃機的效率。
也正是因為柴油機壓縮比大，熱效率高的特點，柴油機在結(jié)構(gòu)上也比對等功率級別的汽油機大而且重。在文章的開始，我們已經(jīng)舉例介紹了柴油發(fā)動機的一些行業(yè)應(yīng)用，基本都是重型機械。但是，隨著柴油發(fā)動機開始應(yīng)用越來越多的先進技術(shù)，如電控高壓燃油噴射，瞬態(tài)性能匹配等，柴油機相對于汽油機的優(yōu)勢越發(fā)明顯。在今天，歐洲有將近一半的汽車使用柴油發(fā)動機提供動力，而這一比例也將會持續(xù)增加。
其他知識
內(nèi)燃機的氣體動力循環(huán)除了混合動力循環(huán)外，還有阿特金森循環(huán)和米勒循環(huán)等。阿特金森循環(huán)的實現(xiàn)通過在連桿和曲軸之間加額外機構(gòu)實現(xiàn)，該機構(gòu)可以使做功排氣行程長于吸氣壓縮行程，從而使膨脹比大于壓縮比；米勒循環(huán)通過排氣歧管和進氣門的延遲關(guān)閉進行，在活塞達到下死點后進氣門不立即關(guān)閉，而是讓活塞將氣體推出一部分到歧管中，從而達到膨脹比大于壓縮比的效果。采用米勒循環(huán)和阿特金森循環(huán)的目的，是在限制壓縮比的情況下提升膨脹比，達到防爆震和提升熱效率的雙重效果。如今，使用阿特金森/米勒循環(huán)的發(fā)動機在各類混動車型中應(yīng)用廣泛，在混動車里，它們可以工作在一個適宜的轉(zhuǎn)速下，不用擔心自己轉(zhuǎn)速不高，加速性能差的缺點，只管安心發(fā)電即可。
到這里，我們已經(jīng)把在介紹航空燃氣輪機之前需要做的鋪墊工作全部做完了，從下篇專題文章開始，我們將正式開始介紹如今航空動力裝置界的絕對主角：燃氣渦輪發(fā)動機。
，循環(huán)功： 
，式中γ為比熱比，是定容比熱與定壓比熱之比，和氣體種類與溫度相關(guān)。
，設(shè)定容增壓比為： 
，設(shè)預(yù)脹比（等壓加熱過程中體積增大，該過程在等熵膨脹之前發(fā)生，故稱“預(yù)脹”）為: 
。在這些無量綱量的基礎(chǔ)上，熱效率和循環(huán)功可以表示為：![\eta_{t,pV}=1-\frac{\lambda\rho^{\kappa}-1}{\varepsilon^{\kappa-1}[(\lambda-1)+\kappa\lambda(\rho-1)]}](http://pubimage.360doc.com/wz/default.gif)
， 
