燃油计量单元流量偏大(发动机知识合集-新型内燃机)

Posted 2023-06-02

篇首语：知不足而奋进，望远山而力行。本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了燃油计量单元流量偏大(发动机知识合集-新型内燃机)相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

燃油计量单元流量偏大(发动机知识合集-新型内燃机)

新型内燃机

摘要：虽然四冲程柴油和汽油发动机已在大多数应用中根深蒂固，但人们一直在寻求新型内燃机概念，以提供更高的效率、功率密度和其他潜在优势。这些替代设计包括旋转发动机，例如汪克尔发动机、二冲程发动机以及六冲程和分体循环发动机。

介绍
旋转发动机
二冲程发动机
六冲程发动机
双循环发动机
燃气轮机
斯特林发动机

1.介绍

由活塞在气缸中往复运动并通过连杆连接到曲轴的内燃机——最常见的是四冲程柴油和火花点火发动机——已经在许多应用中根深蒂固了至少一个世纪。然而，新型发动机设计可以提供一些潜在的优势并继续探索。这些优点可能包括高热效率、高功率密度以及相关的紧凑尺寸和重量轻，或对低质量燃料的耐受性。

一些新型燃烧概念已经在应用中找到了方向，它们提供了明显的优势和/或已经被探索为成熟的设计替代方案。值得注意的新型内燃机概念包括：

二冲程发动机 虽然由于在满足 1990 年代和 2000 年代采用的排放标准方面的挑战而从大多数车辆应用中逐步淘汰，但仍然是许多应用的首选动力装置。对于大型船用发动机，将长冲程/缸径比与低 BMEP 和低发动机转速相结合的能力提供了无与伦比的效率和耐用性。由于重量轻，它们还用于手持式汽油公用事业设备，例如可以实现高功率密度的电锯。在对置活塞式发动机中可以找到二冲程发动机技术不断发展的一个例子。
旋转发动机 使用偏心安装的转子将压力转换为旋转运动，提供高功率/重量和功率/尺寸比，使其对重量和尺寸至关重要的应用具有吸引力。大多数转子发动机都是火花点火的，但也尝试过柴油版本。转子发动机的一个著名例子是 Wankel 发动机，它在各种应用中都取得了一些商业成功——首先是德国汽车制造商 NSU Motorenwerke，然后是最著名的马自达。最近，转子发动机已被用于为通常称为无人机的无人驾驶飞行器 (UAV) 提供动力。
六冲程 和分体式循环发动机是改进的四冲程发动机，其中增加了两个额外的冲程（水或燃油喷射），或者四冲程循环分别在两个气缸之间分开。虽然这些发动机循环的商业应用目前尚不清楚，但仍在继续探索它们的效率优势。

2.旋转发动机

2.1汪克尔发动机

Wankel 转子发动机以德国发明家 Felix Wankel 的名字命名，他在 NSU 工作时开发了 DKM 发动机 ( Drehkolbenmotor )。在 DKM 发动机中，转子和外壳都旋转。Wankel 在 NSU 的同事 Hanns Dieter Paschke 开发了带有固定外壳的 KKM 发动机 ( Kreiskolbenmotor )，这是现代 Wankel 发动机的基础。

Wankel 发动机，图 1，使用具有圆形侧面的宽三角形盘。每个侧面中间的凹槽代表燃烧室。该三角形转子由偏心驱动器驱动，转子围绕该偏心驱动器运行。转子在外壳内以轨道方式移动，外壳的外摆线形状类似于数字 8。在三角形转子的每个顶点处，放置了一个滑动密封机构，以减少燃烧阶段密封两侧两个腔室之间的气体泄漏。燃烧循环与往复活塞循环非常相似。然而，三角形转子/盘的旋转动作完成了燃烧循环的所有阶段，而往复式发动机中没有经历过大的不平衡负荷。

图 1. Wankel 发动机的构造——进气和压缩阶段

图 1（左）显示了转子发动机的进气阶段，当转子沿逆时针方向移动时，混合气通过进气口被吸入发动机。混合气被压缩，同时转子侧面和发动机外壳之间的空间体积减小。顶点 P 处的密封件负责防止在压缩下的充气泄漏到转子新引入的充气侧。在适当的时间，火花塞开始燃烧，而转子继续逆时针旋转。燃烧循环的压缩阶段如图 1 的右图所示。燃烧循环的膨胀阶段和排气阶段均在图 2 中示意性地表示。

图 2. Wankel 发动机的做功和排气阶段

应该注意的是，通过汪克尔的旋转外壳或转子的想法，两个组件都将在自己的轴上旋转，并且可以完全平衡以实现非常高的转速——据报道高达 17,000 rpm。虽然开发的固定式外壳带来了更简单的设计，更容易制造，但转子的振动必须得到平衡，并且最大发动机转速较低。

汪克尔发动机面临许多技术挑战，这些挑战有时被证明是有问题的。这些问题中最严重的问题是为顶点密封寻找合适的材料，这种材料可能会因移动穿过端口的锋利边缘而导致过度磨损。另一个严重的问题是发动机外壳变形，原因是发动机的一小部分区域被进气冷却，并使发动机的其余部分处于较高温。在温差过大时，外壳变形会影响油耗和冷却热损失。该发动机的另一个主要限制是其低压缩比，受转子几何偏心率的限制。防止高压缩的顶点密封使这个问题更加复杂，最终导致低热效率。由于相对较大的表面积体积比和较大的缝隙体积，燃烧室设计还具有较高的传热特性和较差的排放性能。然而，该发动机紧凑、简单，并且能够以非常小的振动实现相对较高的速度和较高的发动机输出。

虽然油冷转子在汪克尔发动机中很常见，但也使用压缩空气，图 3。在 UAV Engines 的一个例子中，自加压空气转子冷却系统 (SPARCS)，一个小型发动机驱动的离心风扇循环空气通过转子，然后通过空气/水热交换器进行后续散热。循环空气通过转子侧密封件的少量双向泄漏气体被加压至发动机工作室中的平均压力。在节气门全开时，冷却系统可加压至约 0.5 或 0.6 MPa，从而改善热传递。据称 SPARCS 风冷转子消除了湿油颗粒从密封系统中的损失，并且比油冷转子 (OCR) 的摩擦更低。由于没有刮油环，摩擦减少。

图 3 UAV Engines 转子发动机的风冷转子 (ACR)

在 1960 年代和 1970 年代，包括 Curtiss-Wright 在内的公司、包括马自达和通用汽车在内的汽车制造商以及几家摩托车制造商从专利所有者奥迪 NSU 那里购买了汪克尔的生产权。虽然 1964 年的 NSU Spider 是第一款使用汪克尔发动机的量产汽车，但马自达可以说是转子发动机应用最为成功的车型。从 1967 年的 Cosmo 110S 到 2012 年的 RX-8，马自达售出了约 180 万辆配备转子发动机的汽车。据报道，在 2017 年之前，该发动机是为一些赛车应用小批量生产的。自 2013 年以来，马自达一直在继续开发该发动机，并将其纳入一些产品计划，但在 2021 年底之前尚未宣布在量产车中最终重新引入。例如，在 2020 年，他们也有一些暂定计划，在 2022 年推出一款使用转子发动机作为增程器的混合动力汽车，但该计划被推迟了。

对于摩托车应用，1974-76 年生产的铃木 RE-5 是带有转子发动机的商业生产摩托车的一个例子。其他测试该概念的摩托车制造商包括 Hercules/DKW、川崎、雅马哈和诺顿。

汪克尔发动机通常用于无人驾驶飞行器（UAV）。2021 年，一家制造商提供了几种额定功率在 35 到 120 马力之间的转子发动机。

在 1960 年代和 1970 年代，包括戴姆勒-奔驰、曼、克虏伯和 KHD、劳斯莱斯和菲利克斯·汪克尔本人的合资企业在内的几家制造商尝试了汪克尔的压燃柴油版本。转子的形状使其难以实现最佳的压缩点火燃烧室形状和足够高的点火压缩比。需要通过增压器进行外部压缩，并导致高寄生功率损失和重量增加。虽然一些用于无人机应用的汪克尔发动机可以使用柴油运行，但这些发动机通常是火花点火发动机，燃烧柴油和空气的预混合燃料，而不是压缩点火发动机. 使用柴油型燃料运行的能力对于使用单一燃料进行广泛应用的一些军事行动很重要。

对于氢气，转子发动机的优点是进气和燃烧过程发生在不同的位置，并且比活塞发动机更容易避免氢气的提前点火。进气发生在外壳相对较冷的部分，没有热点。马自达等进行了氢燃料转子发动机的研究。氢燃料汪克尔发动机作为电动汽车应用的增程器，从城市出租车和小型货车到大型卡车，是一种正在考虑的选择。

2.2流动活塞 X 发动机

另一种转子发动机设计，LiquidPiston 的 X 发动机，如图 4 和视频 1 所示。它被描述为倒置的汪克尔发动机。汪克尔发动机具有 3 面转子和 2 叶片外壳，而 X 发动机在 3 侧面外壳中具有 2 叶片转子。X 发动机的燃烧室位于固定外壳中，进气口和排气口位于转子上。

图 4 X Engine 转子发动机

视频加载中...

视频 1. LiquidPiston 的 X 引擎动画

X 发动机保持了其他转子发动机设计的高功率重量比、简单性和内在平衡。与汪克尔发动机相比，X 发动机的顶点密封件位于固定外壳上，并且由于它们不随转子移动，因此密封件不会受到离心力。这简化了润滑并降低了油耗和漏油。燃烧室设计也有更大的灵活性，可以针对火花点火和压缩点火燃烧进行优化。使用高压缩比的可能性也使得它可以作为柴油发动机运行，如前所述，这对汪克尔发动机具有挑战性。

发动机使用所谓的高效混合循环 (HEHC)，图 5，包括进气、压缩、上止点附近的停顿，允许燃烧在几乎恒定的体积条件下发生，过度膨胀和排气。循环跳跃功率调制可在低功率设置下实现高效率，同时在内部冷却发动机壁并提供部分热量回收。可注入水进行内部冷却发动机。当水变成蒸汽时，这些冷却能量的一部分被回收，从而增加了腔室压力。

图 5。X 引擎中使用的高效混合循环 (HEHC)

3.二冲程发动机

3.1概述

二冲程循环常见于低速船用发动机、机车发动机、小型手持机械和一些休闲车的发动机等应用中。另一方面，在以四冲程发动机为主的应用中使用二冲程循环可以被认为是独一无二的。随着排放标准的收紧以及二冲程发动机在汽车和重型车辆等应用中的大量消失，情况尤其如此。这些较旧的二冲程发动机通常被认为是高污染的，主要是由于机油控制不佳，这通常表现为高油耗和大量烟雾排放。

与四冲程发动机不同，二冲程发动机要求进气歧管压力始终高于排气歧管，其量足以在扫气期间向气缸输送足够量的空气。至少，这需要一个增压器，但更常见的是使用与涡轮增压器组合的增压器。虽然这会导致更复杂的空气处理系统，但它在空燃比控制和排气温度管理方面提供了灵活性，有助于克服将排气后处理纳入这些发动机常见的低排气温度环境中的挑战。

二冲程发动机的优势在于曲轴的每次旋转都有一个点火冲程，因此与输出相当的四冲程发动机相比，它可能具有更高的功率密度。对于给定的功率输出，这还可以保持气缸 BMEP 和峰值压力较低，并可用于设计发动机以降低峰值气缸压力和温度——二冲程发动机需要提供 10-12 bar BMEP 以匹配输出20-24 bar的 BMEP 四冲程。

对于二冲程柴油发动机，效率优势可能来自于每个发动机循环喷射的较低燃料质量（约为具有相同输出的四冲程的 50%），这导致更稀薄的空燃比以增加比热比更短的燃烧持续时间更接近 TDC 。当与单流扫气结合使用时，二冲程发动机还可以设计为具有比同类四冲程发动机更高的冲程/缸径比，并且可以提供额外的效率优势。较低的峰值燃烧温度也限制了发动机排出的 NOx 排放。二冲程发动机较低的排气温度也有利于 SCR 催化器的运行——峰值排气温度可比传统四冲程发动机低 100°C，并可用于在 SCR 催化器上储存更多的氨以提高NOx 转化率.

虽然许多二冲程发动机是主干式或十字头式设计，它们在每个气缸中以与典型四冲程发动机相同的方式运行的曲轴和单个活塞，但其他变体也是可能的。对置活塞设计中的是一种这样的替代布置。

3.2 “传统”二冲程

尽管到 1990 年代，二冲程发动机在乘用车和重型道路应用中基本上消失了，但人们一直在努力重新检查二冲程发动机以用于一些不再使用的应用。

2015 年开始的欧洲 REWARD 计划是为现代乘用车应用重新检查二冲程发动机的一个例子。除其他目标外，该项目重新检查了从雷诺 K9K 四冲程发动机衍生的二冲程柴油发动机用于乘用车汽车应用。虽然污染物排放与四冲程柴油发动机相似，但不幸的是，与最先进的四冲程发动机相比，2 缸和 3 缸变体的 ISFC 在 WLTC 工况高 9% 和 17% 。

3.3 对置活塞二冲程

对置活塞发动机的设计几乎与内燃机本身一样古老，并且自 1890 年代以来首次制造。在一个早期的例子中，阿特金森在 1886 年获得了这种发动机的专利，他试图利用该专利实施他的过度扩展循环的早期版。其他人在从摩托车和汽车一直到飞机和轮船的许多应用中使用对置活塞发动机。著名的对置活塞发动机设计包括 1932 年的 Junkers Jumo 205 飞机发动机、1930 年代的 Fairbanks Morse 38 8-1/8 柴油发动机以及 Achates Power 最近的设计。Fairbanks Morse 38 8-1/8 仍在 2021 年生产。用于分布式发电和 CHP 市场的版本 Trident OP 结合了 Achates 开发的技术，于 2018 年宣布，但由于随后 Fairbanks Morse 的所有权和将重点转移到国防应用上，对置活塞发动机计划在 2021 年底仍处于搁置状态。

虽然对置活塞发动机几乎完全以二冲程循环运行，但四冲程版本也是可能的。后者的一个例子是在 20 世纪初的 Arrol-Johnston 汽车。

通过应用现代发动机开发工具以及升级的材料和部件，满足低排放和高效率要求的对置活塞二冲程发动机成为可能。对置活塞单流扫气二冲程高速发动机的现代设计的一个例子是由 Achates Power 开发的对置活塞发动机，视频 2。另一个例子是对置活塞对置气缸 (opoc) 概念，基于最初由 FEV 开展的工作，由 EcoMotors 开发，直到 2017 年初停止运营。

视频加载中...

视频 2. Achates Power / Aramco 对置活塞发动机 (2018)

3 缸，2.7 L，203 kW，360N.m

除了上面提到的二冲程发动机的优点外，对置活塞发动机还具有更长的冲程/缸径比的额外优势，对于给定的平均活塞速度，这大约是传统发动机设计中的两倍。长冲程与缸径比有利于通过较低的表面积与体积比来减少热损失，并提高二冲程发动机的扫气效率。在一项研究中，相对于四冲程发动机，在一系列运行条件下，二冲程运行和对置活塞设计减少的热传递损失的综合效益估计可提供约 6% 至 12% 的 ISFC 效益。图 6 显示了 Achates 10.6 L3 缸发动机的BTE 接近 50%。

图 6。Achates 10.6 L 重型对置活塞柴油发动机的 BTE

（来源：Achates Power，2021）

对置活塞式二冲程发动机中的增压器和涡轮增压器组合提供的空燃比控制和排气温度管理的灵活性使传统 DOC-DPF- 的 NOx 排放量低于 0.02 g/bhp-hr- SCR-ASC 催化剂布置。四冲程柴油发动机通常需要增加后处理系统的复杂性才能达到这种 NOx 水平。

2021 年，康明斯报告称，为美国军方开发了基于 Achates 概念的对置活塞二冲程柴油发动机，额定功率在 750 至 1500 马力之间。与一流的战斗发动机相比，该计划的目标包括功率密度增加 50%、散热减少 20% 以及燃油效率提高 13%。

另一种二冲程对置活塞发动机设计如图 7 所示。发动机是无连杆设计，类似于汽车空调压缩机驱动结构，通过改变两个旋转端的相位，可以改变压缩比和端口正时。

图 7 INNEngine 对置活塞二冲程发动机

4.六冲程发动机

六冲程内燃机循环基于四冲程发动机循环，但增加了两个冲程。在大多数情况下，会增加一个额外的压缩和膨胀冲程。出于讨论的目的，假设六个冲程发生在一个气缸中。一些分离循环发动机概念（见下文）有时被其他人称为六冲程发动机。

为了在第二个膨胀冲程中产生额外的功，要么注入水以产生蒸汽，要么注入额外的燃料。注入水以产生蒸汽可被视为废热回收的一种形式。

图 8 说明了在火花点火发动机中使用水喷射来回收废热的六冲程循环的实施. 在第四冲程期间排气门的部分打开允许部分废气被排出并最大化循环的效率。原始的排气冲程，第四冲程的压缩功很高，发动机效率降低。然而，如果在第四冲程期间的排气相位时间太长，则在第五冲程期间注入的水产生更少的蒸汽并且产生更少的功。根据发动机转速和负载，部分排气冲程可以排出大约 20% 到 70% 在第三冲程中产生的燃烧产物，并且排气门关闭角度在 560-660° 范围内。注水产生的 MEP 范围（MEP蒸汽) 对于传统汽油发动机的几何形状，估计范围为 0.75 至 2.5 bar。由于自然吸气式汽油发动机的典型燃烧平均有效压力（MEP燃烧）高达 10 bar，因此这一概念有可能显着提高发动机效率和燃油经济性。

图 8 使用注水的火花点火发动机中的六冲程循环

图 9 六冲程循环注水PV图

已经研究了六冲程循环的第二种选择，即在第二个膨胀冲程期间喷射燃料，以减少柴油发动机的 PM 排放。通过将柴油燃烧产物长时间暴露在高温下，碳烟氧化的机会更多。PM 减少的潜力促使一些人研究六冲程循环以实施化学计量柴油燃烧，这将允许在柴油发动机中使用 TWC 技术。部分排气冲程也有利于在第二个膨胀冲程之前喷射燃料的六冲程发动机. 与使用注水的六冲程发动机相比，提高效率的潜力不太明显。

Caterpillar 的工作发现，如果在第二个燃烧冲程中使用少量燃料，但以降低发动机效率为代价，可以将碳烟减少多达一个数量级。虽然在低负载下的化学计量运行显示出低碳烟运行的潜力，但更高的负载运行带来了气体交换挑战，限制了化学计量六冲程运行的整体效率。模拟表明有可能略微提高效率，但由于燃烧室的限制，无法证明这一点。较低的燃烧不可逆性、较低的排气能量和较低的端口流量损失被认为是可能的效率优势，但可以通过较高的传热和摩擦损失来抵消。

5.双循环发动机

在分体式循环发动机中，发动机循环在两个或多个气缸之间分开。通常，进气和压缩冲程发生在一个气缸中，而膨胀和排气冲程发生在第二个气缸中。图 16 显示了进气道喷射火花点火发动机的一种可能的分循环布置，其中进气/压缩气缸位于左侧，做功/排气气缸位于右侧。交叉通道用于将进气从进气/压缩气缸传输到做功/排气气缸。燃料喷射器位于跨接通道中。类似于图 10 中的分体循环柴油发动机也是可能的。两个活塞的运动以这样的方式进行，即当做功/排气气缸的活塞接近上止点时，来自进气/压缩气缸的进气被输送到做功/排气气缸。

图 10。基于四冲程循环的进气道喷射火花点火分体循环发动机

分体循环发动机提供了通过多种可能性提高效率的潜力。一种选择是在交叉通道中添加一个热交换器，当做功/排气气缸从进气/压缩气缸移动到做功/排气气缸（回收）时，它允许将来自做功/排气气缸的废气热量转移到进气充气。另一种选择是在做功/排气气缸中使用比在进气/压缩气缸中使用的压缩比更高的膨胀比，以实现阿特金森循环效果。进气/压缩气缸也可以冷却以减少压缩功。分体式发动机在燃烧过程中的充气运动可能比传统发动机高得多，因为将充气输送到做功/排气气缸的正时可以显着提高燃烧率并产生额外的效率优势。对于充分利用上述优势的分体式循环发动机，据估计制动热效率高达 60%。图 11 说明了如何实施回收和进气/压缩气缸冷却。

图 11。具有回收和进气/压缩气缸冷却的分体式循环发动机

（来源：CIMAC）

关于进气/压缩气缸冷却，等温压缩可以近似，并且比通常在内燃机中使用的近似绝热压缩需要更少的功。然而，等温压缩本身不会显着提高效率，因为需要更多的燃料来产生给定的功输出。如果如图 11 所示将等温压缩与回热相结合，则可以在回热器之后获得与传统发动机相似的热力学条件，但压缩功更少。

在图 11 中，进气/压缩气缸冷却是使用非蒸发液态水喷雾实现的，液态水在进入换热器之前被分离并在重新进入进气压缩气缸之前被冷却。冷却进气/压缩气缸的另一种选择是注入液氮。

分循环发动机面临的挑战包括：

通过交叉阀进入做功/排气气缸的阻塞流量会限制进气量并对发动机转速设置上限，
燃烧正时是对将充气引入做功/排气气缸所需时间的折衷，可能需要延迟燃烧正时，这会损害效率和燃烧稳定性，
做功/排气缸中的换向阀经历高加速度并在大压力差下打开并需要高驱动力
由于恒定的高温，做功/排气气缸的热管理可能是一个挑战。

虽然许多分体循环概念结合了以二冲程方式运行的两个气缸，但其他组合也是可能的。将两个以四冲程方式运行的气缸与以二冲程方式运行的单个第二气缸相结合可以实现更高的膨胀比。在这种方法中，燃烧和初始膨胀发生在四冲程气缸中，而附加膨胀发生在第二个气缸中。这是 Diesel 在 1800 年代后期开展的复合发动机工作的基础。虽然 Diesel 的专利提到使用煤尘运行发动机，但 Diesel 的“XIV 系列复合发动机”中进行了液体燃料的实验。最终，由于高热损失和泵送损失，发动机不成功。

由沃尔沃赞助并在隆德大学开发的双压缩和膨胀发动机 (DCEE) 分体循环概念可以采用多种形式。在一种称为 4-4 版本的形式中，两个四冲程气缸连接在一起。环境空气首先被吸入并在较大的第一个气缸中压缩，该气缸执行通常由涡轮增压器执行的功能（即不需要涡轮增压器），然后转移到较小的第二个气缸，该气缸以典型的四冲程循环运行，然后转移回更大的气缸，进一步膨胀到接近环境的压力，图 12。在另一种形式中，2-4-2 版本，操作类似，只是初始压缩和第二次膨胀在单独的气缸中进行操作在二冲程循环中。

图 12。双压缩和膨胀发动机 (DCEE) 分离循环概念的 4-4 版本

最近其他一些分体循环发动机概念的例子包括Dolphin N2 [ Morgan 2017 ]、GM 、Tour Engine 和 Motiv 发动机。

6. 燃气轮机

燃气轮机是军用和商用飞机的主要原动机。它们也可以在一些固定和海洋应用中找到。然而，它们在地面车辆中的使用非常有限。

将燃气涡轮发动机用于地面车辆应用的想法至少可以追溯到二战结束时，虽然许多制造商开发了原型，但可以说，由于克莱斯勒在 1960 年代的试点计划，该想法变得流行。由于其安静、无振动的运行、比往复式内燃机竞争对手更少的运动部件以及燃料的多功能性，它的开发主要由政府拨款资助。

不幸的是，两个主要因素导致了它的垮台，它作为未来汽车的唯一原动力的发展在 1970 年代中期停止了。与往复式汽油发动机相比，它的燃油经济性并没有太大的改善，鉴于同期中东几家石油生产商正在进行的石油禁运，这是一个非常严重的负面影响。第二个问题与它的高成本有关，因为科学家们意识到，要让燃气涡轮发动机竞争，必须发明和设计新的涡轮材料，以允许动力涡轮入口处的温度更高（显示为 T 5在图 13)。与高温材料相关的成本不可避免地给发动机成本带来了上行压力，从而破坏了它与根深蒂固的往复式发动机竞争的机会。与燃气涡轮发动机相关的其他缺点包括：

缓慢加速
再生器密封效率低
换热器腐蚀（使用时）
错误启动时的火灾危险

由于民众在购买的时候经常要求性能，燃气轮机的缓慢加速被认为是一个主要问题。发动机加速缓慢的原因之一是燃气发生器轴产生的高附件负载和寄生损失，因为它必须驱动大部分发动机的附件。随后着手设计以二级涡轮（动力涡轮）为动力的新型附件驱动系统。注意到效率提高了，但整体效率仍然取决于通过第一级和第二级涡轮机进行更大扩展的能力。这主要取决于允许的涡轮入口温度有多高。用高温陶瓷替换金属涡轮机使涡轮机入口温度升高到超过 1370°C (2500°F) 的温度。在进行这些开发时，流行的陶瓷技术未能为该动力装置提供进入商业阶段所需的燃油效率优势。

图 13.两轴燃气涡轮发动机示意图

在 21 世纪，成本相对较低的微型涡轮机（或微型燃气轮机）的开发以及混合动力传动系统的活动重新唤起了人们对用于地面车辆应用的燃气轮机的兴趣。在混合动力汽车应用中，这些小型燃气轮机可能用作增程器并以相对稳定的速度运行。一家制造商为混合动力汽车开发了 30 kW 和 65 kW 微型涡轮机模块，图 14。虽然峰值效率相对较低，约为 30%，但据称微型涡轮机具有超低排放、使用替代燃料运行的能力、低噪音水平，基本上没有振动，重量轻，维护成本低，易于集成到电动汽车中并具有车辆空气动力学优化的潜力。。

图 14。用于混合动力电动汽车的 Capstone 微型燃气轮机模块

这些微型涡轮混合动力系统经过测试的一种应用是城市公交车。世界各地的许多城市都对其进行了评估，包括纽约市，该市在 2010 年之前对柴油燃料版本进行了评估。配备 30 kW 涡轮机的早期公共汽车无法提供足够的电力来进行常规客运服务，而更大的 65 kW 涡轮机则缺乏可接受的可靠性水平。同样，由于涡轮机的可靠性问题，新西兰奥克兰在 2010 年停止了他们的燃气轮机巴士服务。微型涡轮机也在一些混合动力重型 7 级和 8 级卡车上进行了测试。

虽然与上述计划相关的具体挑战尚未明确披露，但其他人指出，像上述计划中使用的系列生产的微型涡轮机对于混合动力汽车频繁启动的轴承适应性较差。

还有几个项目旨在评估用于乘用车应用的燃气轮机混合动力车。丰田从 1965 年到 1983 年开展了混合动力燃气轮机汽车的开发工作。2010 年，捷豹推出了 C-X75 混合动力电动概念车，其中包括两个柴油燃料微型涡轮机。2019 年，三菱在东京车展上展示了使用燃气轮机的 PHEV Mi-Tech 概念车。

对于固定发电，使用工业和航改（源自飞机喷气发动机设计）燃气轮机。工业燃气轮机设计用于固定应用，通常具有高达约 18:1 的压力比。航改燃气轮机是重量更轻的紧凑型发动机，在高达约 30:1 的压力比下运行。虽然航改型燃气轮机具有更高的燃料效率、更低的排放、快速启动和更小的尺寸，但它们的资本成本更高。在联合循环配置中，发电效率超过 60% 的燃气轮机发电厂是可能的——据报道高达 64% 。与其他一些大型发电厂相比，它们还可以具有相对较低的初始成本和较短的安装时间。

对于海洋应用，航改燃气轮机主要用于防御舰船。与柴油发动机相比，燃气轮机本身的热效率低，部分负荷性能差，似乎不太适合船舶应用。然而，它们紧凑的尺寸和高功率重量比使它们对于空间和有效载荷能力至关重要和/或可能需要高船速的军用船只具有吸引力。它们通常与柴油发动机一起用于不同的配置。

当燃气轮机并入联合循环时，与柴油发动机相媲美的效率是可能的，并且可以说它们也适用于这种配置的商业船舶。虽然它们可以在没有滤清器或 SCR 催化剂的情况下满足 IMO 硫和 NOx 排放限制，但航改型燃气轮机需要相对清洁的燃料，例如馏分油或天然气。它们对进气中的海水等污染物的耐受性也较差，可能需要复杂的过滤系统。气流要求也非常高，达到类似功率柴油发动机所需的 250%，并且需要大型进气和排气管道。

7. 斯特林发动机

尽管罗伯特·斯特林博士的职业是神职人员，但他在 1816 年发明了以他的名字命名的闭式循环热空气发动机。该循环中的工作流体是在热区和冷区之间再循环的空气。通过热交换器向工作流体添加热量，使空气膨胀，从而在活塞的热侧施加压力。随着压力施加到活塞上，它移动导致较冷的空气排出，这些空气迁移到活塞的热侧。滑动活塞运动用于将功转换为机械能，为各种传动系统提供动力。图 15 显示的图表有助于解释斯特林循环的操作并突出显示其主要组成部分。

图 15.斯特林发动机示意图

燃烧过程与工作流体压力和温度变化的循环变化相隔离，这使得控制排放变得更容易。这个概念的另一个优点是能够从各种燃料中为工作流体提供热量。燃料的唯一限制是其包装、交付和服务的复杂性。斯特林发动机的燃烧是连续的，因此不会像内燃机那样具有间歇性和爆炸性。这一特性提供了平稳和安静的操作。

从 1930 年代后期到 1950 年代，一家荷兰公司 Philips 加强了对这一概念的研究，并确定使用氢气或氦气代替空气可以提高热效率。然而，即使不是不可能，也很难防止工作流体从发动机的封闭部件中泄漏出来。此外，由于没有废气从工作流体区域排出，所有产生并传递给工作流体的热量都必须消散到冷却介质中，以保护发动机部件的物理完整性。

经常报道闭循环斯特林发动机的效率是卡诺效率：

E = [1 - T min /T max ] × 100 (1)

其中：
E - 理想热效率，%
T min - 最小循环温度
T max - 最大循环温度

然而，其他人指出，当考虑到燃烧气体的热阻时，最大潜在效率约为卡诺循环效率的一半，范围从木材的 39.3% 到氢燃料的 53.3% 。与大多数往复式发动机一样，活塞的正弦运动与有限的传热时间相结合，进一步降低了斯特林发动机的效率潜力。

为了获得最高的热效率，最小化 T min和最大化 T max是有益的。降低 T min的努力导致增加了热交换器的尺寸，这使得它在公路应用中的安装很麻烦。同样，努力增加 T max通常会导致扩大加热头的表面积和/或使用能够承受极高温度而不会失去其机械完整性的材料。存在其他更实际的限制，使得在运输中难以使用斯特林发动机。其中一个限制是它的启动时间长，在发动机可以产生任何动力之前，必须向热侧添加足够的热量。另一个限制是，在关闭发动机后，来自加热器头的热量会逸出到环境中而不会产生任何有用的功。

NASA 在 1980 年代和 1990 年代研究了用于车辆应用的斯特林发动机，并开发了 MOD II 斯特林发动机。虽然他们估计 1985 年雪佛兰 Celebrity 的燃油经济性提高了 32%，但他们测量到美国邮政服务 (USPS) 送货车辆的燃油经济性提高了 13%。在更代表邮政运输车辆的行驶周期内运行期间，斯特林发动机的燃油经济性比活塞发动机差。然而，该计划中的斯特林发动机最初是为乘用车设计的，而不是邮递车辆。斯特林发动机的峰值效率为 37.9%，而 SI 发动机的峰值效率约为 32% 。

最近的研究表明，将其用作混合动力装置可以节省 3% 到 8% 的燃料。在这项工作中，斯特林发动机被限制在 39% 的最佳效率下运行，而与之相比，内燃机的运行效率在 34% 到 36% 之间。考虑到现代 SI 发动机的效率不断提高，并且在混合动力车辆中使用的一些低成本 SI 发动机可以实现与斯特林发动机相当甚至更高的效率，斯特林发动机在车辆应用中的潜力似乎很小.

斯特林发动机取得一些成功的一个领域是小型固定式热电联产 (CHP) 系统。虽然这些应用中的发电效率通常低于 30%，但斯特林发动机的优势在于能够燃烧多种燃料，包括对某些应用具有吸引力的木屑。