車輛工程

　　沖擊波汽車發(fā)動(dòng)機(jī)

　　汽車油耗將降低80%

　　車輛工程沖擊波汽車發(fā)動(dòng)機(jī)

　　一個(gè)多世紀(jì)以來，幾乎所有轎車和卡車都使用的是活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)。即便是目前最新型的混合動(dòng)力車，以及雪佛蘭沃爾特電動(dòng)車這樣的全新概念車，也都還在使用小型活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)來提供動(dòng)力和為電池充電。然而，美國密歇根州立大學(xué)正在研發(fā)一種完全不同的、不使用活塞的發(fā)動(dòng)機(jī)。它被稱為波—轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)（wave-disk engine）或沖擊波發(fā)動(dòng)機(jī)（shock-wave engine）。如果取得成功，未來混合動(dòng)力汽車的油耗就能降低80%。

　　密歇根州立大學(xué)機(jī)械工程教授諾伯特·穆勒（Norbert Müller）是發(fā)明者之一，他說，這種緊湊型發(fā)動(dòng)機(jī)僅有家用蒸鍋大小，需要的部件也比活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)少得多。這種發(fā)動(dòng)機(jī)將不再需要活塞、連桿和汽缸。重量的減輕和燃油效率的提高“能在消耗同樣數(shù)量燃料的前提下，讓一輛裝備再生制動(dòng)裝置的插電式混合動(dòng)力車的行駛距離增加4倍，相應(yīng)的二氧化碳排放量也會(huì)減少80%”。不僅如此，該系統(tǒng)還能使制造成本降低30%。

　　在位于美國東蘭辛的實(shí)驗(yàn)室里，穆勒和他的研究組正在測試一部波—轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)原型。他們的目標(biāo)是，制造出一臺25千瓦（33馬力）功率發(fā)動(dòng)機(jī)。他希望首臺發(fā)動(dòng)機(jī)能量轉(zhuǎn)化效率可達(dá)30%左右，而目前最好的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)所能達(dá)到的效率是45%。但是，他對改進(jìn)型發(fā)動(dòng)機(jī)能夠?qū)⑿侍嵘?5%持樂觀態(tài)度。

　　在傳統(tǒng)電火花點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)中，火花塞引燃汽缸中汽油和空氣的混合物，來推進(jìn)活塞驅(qū)動(dòng)曲柄軸，曲柄軸再帶動(dòng)車輪旋轉(zhuǎn)。柴油發(fā)動(dòng)機(jī)是通過活塞來高度壓縮燃料和空氣，將它們點(diǎn)燃。燃燒的氣體膨脹，將活塞推回去，進(jìn)而帶動(dòng)曲柄軸。

　　在波—轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)中，產(chǎn)生動(dòng)力的過程是在一個(gè)旋轉(zhuǎn)的渦輪中進(jìn)行的。渦輪就像平放在桌面上的電腦風(fēng)扇（轉(zhuǎn)子），有許多彎曲的葉片和外殼。壓縮后的高溫空氣和燃料經(jīng)過位于中央的軸，被導(dǎo)入葉片之間的空隙。當(dāng)高度壓縮的混合氣體被點(diǎn)燃時(shí)，燃燒的氣體在有限空間里急速膨脹而形成沖擊波，壓縮剩余部分的空氣；從外殼上反射回來的沖擊波也會(huì)進(jìn)一步壓縮和加熱空氣。最后，經(jīng)過壓縮和加熱的氣體會(huì)在恰當(dāng)時(shí)機(jī)通過外殼釋放出去。壓縮氣體在彎曲的葉片上施加的力，和氣體噴射產(chǎn)生的力一起，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而帶動(dòng)曲柄軸。

　　據(jù)波—轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的另一發(fā)明人，波蘭華沙科技大學(xué)（Warsaw University of Technology）的副教授雅努什·皮埃切納（Janusz Piechna）介紹說，從1906年起，工程師們就開始研究波—轉(zhuǎn)子裝置了，而且它們已經(jīng)被用在了一些賽車的增壓器里。但是，穆勒說，里面不穩(wěn)定的氣流非常難控制。要想預(yù)測這些間歇性氣流極其復(fù)雜的非線性行為，需要進(jìn)行精細(xì)的數(shù)值計(jì)算，這類計(jì)算一直都因?yàn)樘^費(fèi)時(shí)或不夠精確而無法達(dá)到要求，該問題直到近幾年才得以解決。目前，密歇根州立大學(xué)和其他一些研究機(jī)構(gòu)正通過高仿真模擬，來輔助葉片幾何形狀的精密設(shè)計(jì)，以及精確到零點(diǎn)幾秒的燃燒時(shí)間控制，期望得到最佳性能。

　　計(jì)算機(jī)模型能否最終變成在路上跑的實(shí)際產(chǎn)品，我們還不得而知。“波—轉(zhuǎn)子技術(shù)的應(yīng)用可能會(huì)很困難，”丹尼爾·E·帕克森（Daniel E. Paxson）說，他在美國航空航天局戈蘭研究中心（NASA Glenn Research Center）從事流體模型設(shè)計(jì)。帕克森認(rèn)為，密歇根州立大學(xué)的研究 “毫無疑問是超前了”。他的評論既包含著務(wù)實(shí)的懷疑，更有從創(chuàng)新角度的贊賞。“無論最終的結(jié)果是什么，我確信他們都會(huì)學(xué)到很多”。

　　穆勒相信，他的研究組最終能制造出合適的波—轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)，并將它們成功應(yīng)用于更清潔的混合動(dòng)力車上，從小型摩托車到家用轎車和運(yùn)輸卡車，他對此似乎毫不懷疑。“這只是時(shí)間、努力和想象力的問題，當(dāng)然，還有資金問題”。

　　人們消費(fèi)的能源中，有60%白白浪費(fèi)掉了，其中大部分以熱的形式從汽車排氣管和發(fā)電廠的煙囪中逃走。通用汽車公司的科學(xué)家正試圖利用一種被稱為“形狀記憶合金”（shape-memory alloys）的新型材料，來捕捉這些寶貴的能量。形狀記憶合金能將熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，進(jìn)而產(chǎn)生電力。該研究組組長艾倫·布朗（Alan Browne）的第一個(gè)目標(biāo)是，回收汽車排氣系統(tǒng)中散發(fā)的熱能，驅(qū)動(dòng)車載空調(diào)或音響系統(tǒng)。

　　布朗計(jì)劃使用由數(shù)條平行的鎳—鈦合金薄線組成的合金帶來收集熱能，它能“記住”某種特定形狀。所有形狀記憶合金都能在兩種狀態(tài)之間來回變換：在較高溫度下較堅(jiān)硬的本態(tài)與較低溫度下更為柔韌的狀態(tài)。在這個(gè)設(shè)計(jì)中，合金帶繞過呈三角形排列的3個(gè)滑輪。其中一角處的合金帶接近熾熱的排氣系統(tǒng)，而另一角則位于溫度較低的遠(yuǎn)端。合金帶在高溫處收縮，低溫處伸張，就會(huì)讓自己沿這個(gè)三角環(huán)路轉(zhuǎn)動(dòng)并帶動(dòng)滑輪旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而通過軸承驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)。溫差越大，環(huán)路轉(zhuǎn)動(dòng)越快，產(chǎn)生的能量也就越多。

　　通用汽車公司制造的原型機(jī)由一條僅10克重的合金帶來產(chǎn)生兩瓦特功率，可以點(diǎn)亮一盞小燈。布朗聲稱，10年內(nèi)，這種發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的功率就會(huì)提高到商用的標(biāo)準(zhǔn)。他還補(bǔ)充說，為家用電器或發(fā)電廠冷卻塔安裝這種記憶合金熱力發(fā)電機(jī)，不存在任何技術(shù)障礙。該項(xiàng)目的合作者、美國HRL實(shí)驗(yàn)室的材料科學(xué)家杰夫·麥克奈特（Geoff McKnight）說，這種合金為先前被認(rèn)為是無法實(shí)現(xiàn)的一些應(yīng)用領(lǐng)域開辟了新天地，因?yàn)榧词箿夭钪挥?0℃，它們也可以使用。

　　通用汽車公司的設(shè)計(jì)并不復(fù)雜，但離實(shí)用仍很遙遠(yuǎn)。形狀記憶合金容易疲勞，會(huì)變得脆而易碎；需要連續(xù)處理3個(gè)月才能重新回到“本態(tài)”的形狀記憶；合金線很難組合成帶；如何解決利用空氣來有效加熱和冷卻合金帶也是一個(gè)挑戰(zhàn)。布朗沒有具體說明目前如何解決這些問題，而只提到他們不斷調(diào)整合金線的直徑、形狀，以及加熱和冷卻的方式。換句話說，他們正在調(diào)試“科學(xué)上的和人能想象得到的”所有參數(shù)。

　　通用汽車公司并不是唯一一家試圖利用廢熱來產(chǎn)生能量的機(jī)構(gòu)。美國伊利諾伊大學(xué)的桑吉夫·辛哈（Sanjiv Sinha）正在研發(fā)一種可彎曲的固態(tài)材料，它也能將熱力轉(zhuǎn)化為電能。如果熱力發(fā)電機(jī)能被安裝在現(xiàn)有或未來的設(shè)備中，它就會(huì)有近乎無限的應(yīng)用前景：從數(shù)千座的冷卻塔和工業(yè)鍋爐，到數(shù)以百萬計(jì)的家用暖氣、冰箱和煙囪，還有拖拉機(jī)、卡車、火車和飛機(jī)。全世界會(huì)有數(shù)百億億焦耳的能量可以被回收利用，極大降低化石燃料的消耗。

　　車輛工程

　　沖擊波汽車發(fā)動(dòng)機(jī)

　　汽車油耗將降低80%

　　車輛工程沖擊波汽車發(fā)動(dòng)機(jī)

　　一個(gè)多世紀(jì)以來，幾乎所有轎車和卡車都使用的是活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)。即便是目前最新型的混合動(dòng)力車，以及雪佛蘭沃爾特電動(dòng)車這樣的全新概念車，也都還在使用小型活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)來提供動(dòng)力和為電池充電。然而，美國密歇根州立大學(xué)正在研發(fā)一種完全不同的、不使用活塞的發(fā)動(dòng)機(jī)。它被稱為波—轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)（wave-disk engine）或沖擊波發(fā)動(dòng)機(jī)（shock-wave engine）。如果取得成功，未來混合動(dòng)力汽車的油耗就能降低80%。

　　密歇根州立大學(xué)機(jī)械工程教授諾伯特·穆勒（Norbert Müller）是發(fā)明者之一，他說，這種緊湊型發(fā)動(dòng)機(jī)僅有家用蒸鍋大小，需要的部件也比活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)少得多。這種發(fā)動(dòng)機(jī)將不再需要活塞、連桿和汽缸。重量的減輕和燃油效率的提高“能在消耗同樣數(shù)量燃料的前提下，讓一輛裝備再生制動(dòng)裝置的插電式混合動(dòng)力車的行駛距離增加4倍，相應(yīng)的二氧化碳排放量也會(huì)減少80%”。不僅如此，該系統(tǒng)還能使制造成本降低30%。

　　在位于美國東蘭辛的實(shí)驗(yàn)室里，穆勒和他的研究組正在測試一部波—轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)原型。他們的目標(biāo)是，制造出一臺25千瓦（33馬力）功率發(fā)動(dòng)機(jī)。他希望首臺發(fā)動(dòng)機(jī)能量轉(zhuǎn)化效率可達(dá)30%左右，而目前最好的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)所能達(dá)到的效率是45%。但是，他對改進(jìn)型發(fā)動(dòng)機(jī)能夠?qū)⑿侍嵘?5%持樂觀態(tài)度。

　　在傳統(tǒng)電火花點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)中，火花塞引燃汽缸中汽油和空氣的混合物，來推進(jìn)活塞驅(qū)動(dòng)曲柄軸，曲柄軸再帶動(dòng)車輪旋轉(zhuǎn)。柴油發(fā)動(dòng)機(jī)是通過活塞來高度壓縮燃料和空氣，將它們點(diǎn)燃。燃燒的氣體膨脹，將活塞推回去，進(jìn)而帶動(dòng)曲柄軸。

　　在波—轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)中，產(chǎn)生動(dòng)力的過程是在一個(gè)旋轉(zhuǎn)的渦輪中進(jìn)行的。渦輪就像平放在桌面上的電腦風(fēng)扇（轉(zhuǎn)子），有許多彎曲的葉片和外殼。壓縮后的高溫空氣和燃料經(jīng)過位于中央的軸，被導(dǎo)入葉片之間的空隙。當(dāng)高度壓縮的混合氣體被點(diǎn)燃時(shí)，燃燒的氣體在有限空間里急速膨脹而形成沖擊波，壓縮剩余部分的空氣；從外殼上反射回來的沖擊波也會(huì)進(jìn)一步壓縮和加熱空氣。最后，經(jīng)過壓縮和加熱的氣體會(huì)在恰當(dāng)時(shí)機(jī)通過外殼釋放出去。壓縮氣體在彎曲的葉片上施加的力，和氣體噴射產(chǎn)生的力一起，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而帶動(dòng)曲柄軸。

　　據(jù)波—轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的另一發(fā)明人，波蘭華沙科技大學(xué)（Warsaw University of Technology）的副教授雅努什·皮埃切納（Janusz Piechna）介紹說，從1906年起，工程師們就開始研究波—轉(zhuǎn)子裝置了，而且它們已經(jīng)被用在了一些賽車的增壓器里。但是，穆勒說，里面不穩(wěn)定的氣流非常難控制。要想預(yù)測這些間歇性氣流極其復(fù)雜的非線性行為，需要進(jìn)行精細(xì)的數(shù)值計(jì)算，這類計(jì)算一直都因?yàn)樘^費(fèi)時(shí)或不夠精確而無法達(dá)到要求，該問題直到近幾年才得以解決。目前，密歇根州立大學(xué)和其他一些研究機(jī)構(gòu)正通過高仿真模擬，來輔助葉片幾何形狀的精密設(shè)計(jì)，以及精確到零點(diǎn)幾秒的燃燒時(shí)間控制，期望得到最佳性能。

　　計(jì)算機(jī)模型能否最終變成在路上跑的實(shí)際產(chǎn)品，我們還不得而知。“波—轉(zhuǎn)子技術(shù)的應(yīng)用可能會(huì)很困難，”丹尼爾·E·帕克森（Daniel E. Paxson）說，他在美國航空航天局戈蘭研究中心（NASA Glenn Research Center）從事流體模型設(shè)計(jì)。帕克森認(rèn)為，密歇根州立大學(xué)的研究 “毫無疑問是超前了”。他的評論既包含著務(wù)實(shí)的懷疑，更有從創(chuàng)新角度的贊賞。“無論最終的結(jié)果是什么，我確信他們都會(huì)學(xué)到很多”。

　　穆勒相信，他的研究組最終能制造出合適的波—轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)，并將它們成功應(yīng)用于更清潔的混合動(dòng)力車上，從小型摩托車到家用轎車和運(yùn)輸卡車，他對此似乎毫不懷疑。“這只是時(shí)間、努力和想象力的問題，當(dāng)然，還有資金問題”。