主题：无事乱说车 -- epimetheus

扭矩和效率的打架

上回书说到……说火车头上，通过注入更多的蒸汽，降低效率而保证活塞上的推力更加持续、均匀。

简单总结就是，有着很大压力的蒸汽，其减压方式进行膨胀推动活塞，优点是效率更好，缺点是压力降低明显，性能不好。

说起来，这个和前面说的丰田的双擎，或者说阿特金森循环也是足够相似了。阿特金森循环中出力的膨胀冲程中，膨胀比例也是明显更高的，也同样气缸内的压强会最后降到很低的程度（伴随膨胀的降温甚至差点就影响到三元催化器的有效性），也同样缺点在于扭矩不足尤其是低速扭矩不行。要我看不光是扭矩低，怕是转着也不匀呼。为啥阿特金森循环发明了那么多年了，才在丰田双擎上出名，因为双擎啊，因为能用电动机弥补低速扭矩不行啊。

怎么描述气缸里自由膨胀减压的程度呢？

活塞冲程中，前段持续充气、后段“自由膨胀”，膨胀冲程长度占到总冲程长度的比率，中文叫做切断率。英文里面对应的概念叫做cutoff，字面似乎一样，但是区别在于，英文概念定义是停止充气（切断）的冲程位置点，在整个冲程的比例，也就是持续充气一段的比例。因此，中文中切断率数字大对应了效率高的情况，英文中cutoff数值小对应了效率高的情况。他们是互补的。

回头说一句瓦特。小学时候说瓦特发明蒸汽机，还有观察奶奶家壶盖的故事。故事显然是编造的，实际上“发明”也是编造的。瓦特做的不是发明，而是改进，将之前纽可门发明的蒸汽机（采石油的磕头机一样的蒸汽水泵）的效率成倍提高。具体的做法，关于独立的冷凝器，还是保留到日后讲“保温”的相关话题再说吧。但是从cutoff的角度讲，瓦特的蒸汽机还是100% cutoff的，也就是活塞运动中持续对气缸充气的。下一个冲程中，气缸中残余的满满的高能蒸汽，含有的内能将被散失到大气，相当浪费。尽管瓦特的冷凝器大大提高了效率，但是效率还是极低。只能说纽可门不行。

既然想要输出特性更好就要多充气，但是会损失效率，那么又想要更好的效率又想要更好的输出特性，应该怎么办呢？

既然输出的力矩不平均，就加飞轮储蓄动能\动量嘛。这是最直接简单的，但是显然不是最好的、补偿程度十分有限的。

既然排出的残余蒸汽还是有很多的能量的，那就再送到新的气缸里去再膨胀一遍。这是除了上回书中火车上之外的另一种历史较早的方法，尤其是用在舰船上面。再膨胀一遍，就是需要顺次进入两个气缸了，这叫做复合膨胀。两次不行再加上一个气缸，就是三重膨胀，简称三胀。想当年的定远镇远就是三胀蒸汽机，大名鼎鼎的自由轮也是使用一台三胀蒸汽机。使用更多的气缸，第一级能够以力矩很平衡的方式从蒸汽里榨取一些能量出来到曲轴上，后一级榨取剩下的。后面的气缸虽然是自由膨胀的，没有持续充气对应的几乎常量的压强，但是由于每级膨胀比例不那么大，因此压强降低程度也不那么大，这一级向曲轴上贡献的力矩变化程度也不大。

显然由于蒸汽压力的逐渐降低，为了能够得到更均匀的扭矩，后级的气缸直径，也就是活塞面积，是要加大的。相邻气缸的容积肯定是要加大的，不然蒸汽在气缸之间转移，就没有膨胀的发生了。加大容积，或是加大直径或是加大冲程。蒸汽压强降低了，就需要使用更大的活塞面积来获取等量的推力。增加冲程，曲轴的制造就要骂娘了。复合使用两种直径的气缸，三胀就需要三种。像是泰坦尼克上面，第三级换成了两个气缸，来避免直径过大的气缸。这叫做四缸三胀式。

有了三级膨胀就会有四级，只是印象里很少应用。为啥呢，大概是不同直径的气缸，制造上复杂、造价上更高吧。北洋水师买定远、致远这种使用三胀蒸汽机的军舰时，对于价钱性能也是权衡了一番的。那个时候复合蒸汽机的翻译叫做“康邦”compound。不过后来二战的时候，自由轮使用三胀蒸汽机，则是图便宜……相对于蒸汽轮机的便宜。蒸汽轮机的有限产能要优先供应主力战舰，而大型柴油机在当时也不是玩的很溜，潜艇上面的算是中型。当年大和战列舰的草稿中有过使用大型柴油机的，这个螃蟹可是不比德国人的德意志袖珍战列舰轻松，带来的重量体积安全性以及整体布局的新的可能，很令人瞎想/遐想。

第三个办法，使用少量充气的策略保证蒸汽的使用效率，使用更多的气缸，在不同的曲轴角度上贡献相同的扭矩曲线。这样一个转动周期中，分为多个小周期的延时依次叠加，整体上平滑不少。和上面的多级膨胀一样，需要更多的气缸，不过好处是直径规格相同，制造上简单些、成本上更低点。美国二战时候的护航航母（还不是轻型航母）“卡萨布兰卡”级，就是每台蒸汽机中直列了5具气缸。

第四个办法，既然飞轮的作用有限，而效率还算好看的少量充气时，一个气缸中活塞压力十分不均衡，那么就作为高速机，令最终减速之后的输出轴上面转动一圈，对应活塞已经往复了n次，也依然是前面那种一周上是数个小周期的没有延时的叠加。再加上整体的惯性（专门的飞轮以及系统等效的飞轮），令扭矩的不平均更加不明显。

当然同时还能和多气缸策略结合起来，不冲突嘛。

也能和复合膨胀结合起来，也不冲突。前面卡萨布兰卡航母的生产商skinner，某几款产品的效能已经达到了当时柴油机的效率！！具体能看到复合膨胀、高速、多缸。

（再次跑题，看到这个skinner，不知道哪位想起了去年某个要捍卫尊贵的高加索人种的黑人女性）

这种高速蒸汽机，出现在船上尤其是军舰上蒸汽轮机出现、大量取代蒸汽机的时代，也就是19世纪末、20世纪初期的头20年。主要使用在陆地发电厂，也有少量用在火车上的（称作蒸汽马达）。

电视剧闯关东里有一集，一家子成了富商之后吃饭时，就聊到了点灯、发电。我就不由得好奇当时的发电是不是剧中所说的蒸汽轮机。

民用的发电厂、工厂动力，似乎很少采用复合或是三胀蒸汽机的方法的，积极性明显低于海军。猜测：看来对于初期投入成本还是有点敏感的，只靠煤炭本身的便宜来顶着。之前主要是巨大的慢速蒸汽机，一直等到高速运行的蒸汽机可靠了才改换门厅。

尤其可以看做成本敏感的一点，就是这类高速蒸汽发电机，往往气缸都是一个，双气缸的不多，三个的更少。不过没有多少年，蒸汽轮机就完全统一江湖了（怀疑和二战之后的剩余产能有关）。

高速蒸汽机一般都和较高的效率联系起来。从原理上讲，有的说是高速下蒸汽来不及加热气缸等机件就完成膨胀离开了。我更觉得是不能忽略更大的膨胀比例、或称切断率，或者称作更小的cutoff，热能更多地转换到机械能，最终更冷的蒸汽和机件接触，热蒸汽接触机件的机会、时机更少，热能的遗散得以减缓。

另外还有看到的一个条件，就是轴承、润滑技术的发展以及成熟，尤其是加压油泵润滑。之前使用的慢速蒸汽机上，滑动轴承是主流，滑动轴承的润滑需要那个位置上安装一个“油壶”或是“油杯”，内部的润滑油或是润滑脂向轴承缝隙自由渗漏，直到漏完。工人就需要不时地向这些油壶油杯中添油，就和庙里点长明灯的和尚一样。没有加压，润滑油在摩擦面上的油膜是不会理想的。火车上，气缸活塞到车轮的连杆，好像叫做“勾背”杠，两个繁体很不常见的字，就是使用滑动轴承，也就是灌油后直接磨，这里的温度可是将近100度，能把水蒸发沸腾掉。再说，对于运动中的油杯，工人可是没法加油，用筷子夹住苍蝇的武林高手也不行。（这个捉苍蝇操作的最初印象是李连杰演的洪熙官，而最早的银幕形象似乎是三船敏郎的椿三十郎。又跑题了，艾玛）

在回头看蒸汽机车，这些花活基本啥啥没有，只有靠着跑到高速之后，利用整车的惯性，匀速下切换到小的cutoff上来改善效率（也差不多就是高速蒸汽机的想法，也是双擎上面的测量，在高速下才纯粹使用内燃机）。某些有改动的设计，都是产量极少的有实验性质的车。数量上主流的，都是些憨货。蒸汽机车效率超过10%就是先进，但是这个数字不能拿来代表蒸汽动力。

这个，终于要说到提了n次的，关于保温的话题了。温度分布更加合理，效率就更高。

下次吧，土鳖抗铁牛