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內(nèi)燃機(jī)發(fā)展史

hzjheng.cn 來源：互聯(lián)網(wǎng) 作者：PANGZHENHUA 類別：汽車保養(yǎng)維修時(shí)間：2007-06-30

內(nèi)燃機(jī)以其熱效率高、結(jié)構(gòu)緊湊，機(jī)動(dòng)性強(qiáng)，運(yùn)行維護(hù)簡(jiǎn)便的優(yōu)點(diǎn)著稱于世。一百多年以來，內(nèi)燃機(jī)的巨大生命力經(jīng)久不衰。目前世界上內(nèi)燃機(jī)的擁有量大大超過了任何其它的熱力發(fā)動(dòng)機(jī)，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有相當(dāng)重要的地位。現(xiàn)代內(nèi)燃機(jī)更是成為了當(dāng)今用量最大、用途最廣、無一與之匹敵的的最重要的熱能機(jī)械。

當(dāng)然內(nèi)燃機(jī)同樣也存在著不少的缺點(diǎn)，主要是：對(duì)燃料的要求高，不能直接燃用劣質(zhì)燃料和固體燃料；由于間歇換氣以及制造的困難，單機(jī)功率的提高受到限制，現(xiàn)代內(nèi)燃機(jī)的最大功率一般小于4萬千瓦，而蒸汽機(jī)的單機(jī)功率可以高達(dá)數(shù)十萬千瓦；內(nèi)燃機(jī)不能反轉(zhuǎn)；內(nèi)燃機(jī)的噪聲和廢氣中有害成分對(duì)環(huán)境的污染尤其突出。可以說這一百多年來的內(nèi)燃機(jī)的發(fā)展史就是人類不斷革新，不斷挑戰(zhàn)克服這些缺點(diǎn)的歷史。

內(nèi)燃機(jī)發(fā)展至今，約有一個(gè)半世紀(jì)的歷史了。同其他科學(xué)一樣，內(nèi)燃機(jī)的每一個(gè)進(jìn)步都是人類生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的概括和總結(jié)。內(nèi)燃機(jī)的發(fā)明始于對(duì)活塞式蒸汽機(jī)的研究和改進(jìn)。在它的發(fā)展史中應(yīng)當(dāng)特別提到的是德國(guó)人奧托和狄塞爾，正是他們?cè)诳偨Y(jié)了前人無數(shù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)內(nèi)燃機(jī)的工作循環(huán)提出了較為完善的奧托循環(huán)和狄塞爾循環(huán)，才使得到他們?yōu)橹箮资觊g無數(shù)人的實(shí)踐和創(chuàng)造活動(dòng)得到了一個(gè)科學(xué)地總結(jié)，并有了質(zhì)的飛躍，他們將前任粗淺的、純經(jīng)驗(yàn)的、零亂無序的的經(jīng)驗(yàn)，加以繼承、發(fā)展、總結(jié)、提高，找出了規(guī)律性，為現(xiàn)代汽油機(jī)和柴油機(jī)熱力循環(huán)奠定了熱力學(xué)基礎(chǔ)，為內(nèi)燃機(jī)的發(fā)展做出了偉大的貢獻(xiàn)。

往復(fù)活塞式內(nèi)燃機(jī)

往復(fù)活塞式內(nèi)燃機(jī)的種類很多，主要的分類方法有這樣一些：按所用的燃料的不同，分為汽油機(jī)，柴油機(jī)、煤油機(jī)、煤氣機(jī)（包括各種氣體燃料內(nèi)燃機(jī)）等；按每個(gè)工作循環(huán)的行程數(shù)不同，分為四沖程和二沖程；按著火方式不同，分為點(diǎn)燃式和壓燃式；按冷卻方式不同，分為水冷式和風(fēng)冷式；按氣缸排列形式不同，分為直列式、V型、對(duì)置式、星型等；按氣缸數(shù)不同，分為單缸內(nèi)燃機(jī)和多缸內(nèi)燃機(jī)等；按內(nèi)燃機(jī)的用途不同，分為汽車用、農(nóng)用、機(jī)車用、船用以及固定用等等。本文將會(huì)主要針對(duì)煤氣機(jī)、汽油機(jī)、柴油機(jī)這樣一個(gè)發(fā)展脈絡(luò)來向大家介紹。

最早的內(nèi)燃機(jī)——煤氣機(jī)

最早出現(xiàn)的內(nèi)燃機(jī)是以煤氣為燃料的煤氣機(jī)。1860年，法國(guó)發(fā)明家萊諾制成了第一臺(tái)實(shí)用內(nèi)燃機(jī)（單缸、二沖程、無壓縮和電點(diǎn)火的煤氣機(jī)，輸出功率為0.74—1.47KW，轉(zhuǎn)速為100r/min，熱效率為4%）。法國(guó)工程師德羅沙認(rèn)識(shí)到，要想盡可能提高內(nèi)燃機(jī)的熱效率，就必須使單位氣缸容積的冷卻面積盡量減小，膨脹時(shí)活塞的速率盡量快，膨脹的范圍（沖程）盡量長(zhǎng)。在此基礎(chǔ)上，他在1862年提出了著名的等容燃燒四沖程循環(huán)：進(jìn)氣、壓縮、燃燒和膨脹、排氣。

1876年，德國(guó)人奧托制成了第一臺(tái)四沖程往復(fù)活塞式內(nèi)燃機(jī)（單缸、臥式、以煤氣為燃料、功率大約為2.21KW、180r/min）。在這部發(fā)動(dòng)機(jī)上，奧托增加了飛輪，使運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，把進(jìn)氣道加長(zhǎng)，又改進(jìn)了氣缸蓋，使混合氣充分形成。這是一部非常成功的發(fā)動(dòng)機(jī)，其熱效率相當(dāng)于當(dāng)時(shí)蒸汽機(jī)的兩倍。奧托把三個(gè)關(guān)鍵的技術(shù)思想：內(nèi)燃、壓縮燃?xì)�、四沖程融為一體，使這種內(nèi)燃機(jī)具有效率高、體積小、質(zhì)量輕和功率大等一系列優(yōu)點(diǎn)。在1878年巴黎萬國(guó)博覽會(huì)上,被譽(yù)為“瓦特以來動(dòng)力機(jī)方面最大的成就”。等容燃燒四沖程循環(huán)由奧托實(shí)現(xiàn),也被稱為奧托循環(huán)。

煤氣機(jī)雖然比蒸汽機(jī)具有很大的優(yōu)越性,但在社會(huì)化大生產(chǎn)情況下,仍不能滿足交通運(yùn)輸業(yè)所要求的高速、輕便等性能。因?yàn)樗悦簹鉃槿剂?需要龐大的煤氣發(fā)生爐和管道系統(tǒng)。而且煤氣的熱值低(約1.75×107～2.09×107J/m3),故煤氣機(jī)轉(zhuǎn)速慢,比功率小。到19世紀(jì)下半葉,隨著石油工業(yè)的興起,用石油產(chǎn)品取代煤氣作燃料已成為必然趨勢(shì)。

汽油機(jī)的出現(xiàn)

1883年，戴姆勒和邁巴赫制成了第一臺(tái)四沖程往復(fù)式汽油機(jī)，此發(fā)動(dòng)機(jī)上安裝了邁巴赫設(shè)計(jì)的化油器，還用白熾燈管解決了點(diǎn)火問題。以前內(nèi)燃機(jī)的轉(zhuǎn)速都不超過200r/min，而戴姆勒的汽油機(jī)轉(zhuǎn)速一躍為800—1000r/min。它的特點(diǎn)是功率大，質(zhì)量輕、體積小、轉(zhuǎn)速快和效率高，特別適用于交通工具。與此同時(shí)，本茨研制成功了現(xiàn)在仍在使用的點(diǎn)火裝置和水冷式冷卻器。

到十九世紀(jì)末，主要的集中活塞式內(nèi)燃機(jī)大體上進(jìn)入了實(shí)用階段，并且很快顯示出巨大的生命力。內(nèi)燃機(jī)在廣泛應(yīng)用中不斷地得到改善和革新，迄今已達(dá)到一個(gè)較高的技術(shù)水平。在這樣一個(gè)漫長(zhǎng)的發(fā)展歷史中，有兩個(gè)重要的發(fā)展階段是具有劃時(shí)代意義的：一是50年代興起的增壓技術(shù)在發(fā)動(dòng)機(jī)上的廣泛應(yīng)用；再就是70年代開始的電子技術(shù)及計(jì)算機(jī)在發(fā)動(dòng)機(jī)研制中的應(yīng)用，這兩個(gè)發(fā)展趨勢(shì)至今都方興未艾

首先我們來看一下汽油機(jī)在本世紀(jì)的發(fā)展歷程。在汽車和飛機(jī)工業(yè)的推動(dòng)下汽油機(jī)取得了長(zhǎng)足的發(fā)展。按提高汽油機(jī)的功率、熱效率、比功率和降低油耗等主要性能指標(biāo)的過程，可以把汽油機(jī)的發(fā)展分為四個(gè)階段。

第一階段是本世紀(jì)最初二十年，為適應(yīng)交通運(yùn)輸?shù)囊螅蕴岣吖β屎捅裙β蕿橹�。采取的主要技術(shù)措施是提高轉(zhuǎn)速、增加缸數(shù)和改進(jìn)相應(yīng)輔助裝置。這個(gè)時(shí)期內(nèi)，轉(zhuǎn)速?gòu)纳鲜兰o(jì)的500—800r/min提高到1000—1500r/min，比功率從3.68W/Kg提高到441.3—735.5W/Kg，對(duì)提高飛機(jī)的飛行性能和汽車的負(fù)載能力具有重大的意義。

第二階段時(shí)間在20年代，主要解決汽油機(jī)的爆震燃燒問題。當(dāng)時(shí)汽油機(jī)的壓縮比達(dá)到4時(shí)，汽油機(jī)就發(fā)生爆震。美國(guó)通用汽車公司研究室的米格雷和鮑義德通過在汽油中加入少量的四乙基鋁，干擾氧和汽油分子化合的正常過程，解決了爆震的問題，使壓縮比從4提高到了8，大大提高了汽油機(jī)的功率和熱效率。當(dāng)時(shí)另一嚴(yán)重影響汽油機(jī)功率和熱效率的因素是燃燒室的形狀和結(jié)構(gòu)，英國(guó)的里卡多及其合作者通過對(duì)多種燃燒室及燃燒原理的研究，改進(jìn)了燃燒室，使汽油機(jī)的功率提高了20%。

第三階段是從20年代后期到40年代早期，主要是在汽油機(jī)上裝備增壓器。廢氣渦輪增壓可使氣壓增至1.4—1.6大氣壓，他的應(yīng)用為提高汽油機(jī)的功率和熱效率開辟了一個(gè)新的途徑。但是其真正的廣泛應(yīng)用，卻是在50年代后期才普及的。

第四階段從50年代至今，汽油機(jī)技術(shù)在原理重大變革之前發(fā)展已近極致。它的結(jié)構(gòu)越來越緊湊，轉(zhuǎn)速越來越高。其技術(shù)現(xiàn)狀為：缸內(nèi)噴射；多氣門技術(shù)；進(jìn)氣滾流，稀薄分層燃燒；電子控制點(diǎn)火正時(shí)、汽油噴射及空燃比隨工況精確控制等全面電子發(fā)動(dòng)機(jī)管理；廢氣在循環(huán)及三元催化等排氣凈化技術(shù)等。其集中體現(xiàn)在近年來研制成功并投產(chǎn)的缸內(nèi)直噴分層充氣稀燃汽油機(jī)（GDI）。

但是隨著70年代開始的電子技術(shù)在發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用，為內(nèi)燃機(jī)技術(shù)的改進(jìn)提供了條件,使內(nèi)燃機(jī)基本上滿足了目前世界各國(guó)有關(guān)排放、節(jié)能、可靠性和舒適性等方面的要求。內(nèi)燃機(jī)電子控制現(xiàn)已包括電控燃油噴射、電控點(diǎn)火、怠速控制、排放控制、進(jìn)氣控制、增壓控制、警告提示、自我診斷、失效保護(hù)等諸多方面。

同樣內(nèi)燃機(jī)電子控制技術(shù)的發(fā)展也大致可分為四個(gè)階段：

1、內(nèi)燃機(jī)零部件或局部系統(tǒng)的單獨(dú)控制,如電子油泵、電子點(diǎn)火裝置等。

2、內(nèi)燃機(jī)單一系統(tǒng)或幾個(gè)相關(guān)系統(tǒng)的獨(dú)立控制,如燃油供給系統(tǒng)控制、最佳空燃比控制等。

3、整臺(tái)內(nèi)燃機(jī)的統(tǒng)一智能化控制,如內(nèi)燃機(jī)電子控制系統(tǒng)。

4、裝置與內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力的集中電子控制,如汽車、船舶、發(fā)電機(jī)組的集中電子控制系統(tǒng)。

電子控制系統(tǒng)一般由傳感器、執(zhí)行器和控制器三部分組成。由此構(gòu)成各種不同功能、不同用途的控制系統(tǒng)。。其主要目標(biāo)是保持發(fā)動(dòng)機(jī)各運(yùn)行參數(shù)的最佳值，以求得發(fā)動(dòng)機(jī)功率、燃油耗和排放性能的最佳平衡，并監(jiān)視運(yùn)行工況。如Caterpillar公司的3406PEPC系統(tǒng)是在3406柴油機(jī)上采用可變程序的發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)，具有電子調(diào)速功能，采用電子控制空燃比，可將噴有提前角始終保持在最佳值。美國(guó)Stanaclyne公司將其生產(chǎn)的DB型分配泵改為電子控制噴油泵，稱為PFP系統(tǒng)，采用步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行元件來控制噴油量和噴油定時(shí)

柴油機(jī)——內(nèi)燃機(jī)家族的另一個(gè)明星

柴油機(jī)幾乎是與汽油機(jī)同時(shí)發(fā)展起來的，它們具有許多相同點(diǎn)。所以柴油機(jī)的發(fā)展也與汽油機(jī)有許多相似之處，可以說在整個(gè)內(nèi)燃機(jī)的發(fā)展史上，它們是相互推動(dòng)的。

德國(guó)狄塞爾博士于1892年獲得壓縮點(diǎn)火壓縮機(jī)的技術(shù)專利，1897年制成了第一臺(tái)壓縮點(diǎn)火的“狄塞爾”內(nèi)燃機(jī)，即柴油機(jī)。

柴油機(jī)的高壓縮比帶來眾多的優(yōu)點(diǎn)：

1、不但可以省去化油器和點(diǎn)火裝置，提高了熱效率，而且可以使用比汽油便宜得多的柴油作燃料。

2、柴油機(jī)由于其壓縮比大,最大功率點(diǎn)、單位功率的油耗低。在現(xiàn)代優(yōu)秀的發(fā)動(dòng)機(jī)中,柴油機(jī)的油耗約為汽油機(jī)的70%。特別像汽車,通常在部分負(fù)荷工況下行駛,其油耗約為汽油機(jī)的60%。柴油機(jī)是目前熱效率最高的內(nèi)燃機(jī)。

3、柴油機(jī)因?yàn)閴嚎s比高,發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)實(shí),故經(jīng)久耐用、壽命長(zhǎng)。

同時(shí)高壓縮比也帶來了缺點(diǎn):

1、柴油機(jī)的結(jié)構(gòu)笨重。通常柴油的單位功率質(zhì)量約為汽油機(jī)的1.5～3倍。柴油機(jī)壓縮比高,爆發(fā)壓力也高,可達(dá)汽油機(jī)的1.5倍左右(不增壓的情況下)。為承受高溫高壓,就要求結(jié)實(shí)的結(jié)構(gòu)。所以柴油機(jī)最初只是作為一種固定式發(fā)動(dòng)機(jī)使用。

2、在同一排量下,柴油機(jī)的輸出功率約為汽油機(jī)的1/3。因?yàn)椴裼蜋C(jī)把燃料直接噴入氣缸,不能充分利用空氣,相應(yīng)功率輸出低。假設(shè)汽油機(jī)的空氣利用率為100%,那么柴油機(jī)僅有80%～90%。柴油機(jī)功率輸出小的另一原因是壓縮比大,發(fā)動(dòng)機(jī)的摩擦損失比汽油機(jī)大。這種摩擦損失與轉(zhuǎn)速成正比,不能期望通過增加轉(zhuǎn)速來提高功率。轉(zhuǎn)速最高的汽油機(jī)每分鐘可運(yùn)轉(zhuǎn)10000次以上(如賽車發(fā)動(dòng)機(jī)),而柴油機(jī)的最高轉(zhuǎn)速卻只有5000r/min。

近百年來,柴油機(jī)的熱效率提高近80%,比功率提高幾十倍,空氣利用率達(dá)90%。當(dāng)今柴油機(jī)的技術(shù)水平表現(xiàn)為:優(yōu)良的燃燒系統(tǒng)；采用4氣門技術(shù)；超高壓噴射；增壓和增壓中冷；可控廢氣再循環(huán)和氧化催化器；降低噪聲的雙彈簧噴油器；全電子發(fā)動(dòng)機(jī)管理等,集中體現(xiàn)在以采用電控共軌式燃油噴射系統(tǒng)為特征的新一代柴油機(jī)上。目前,日本的Nippondeno公司(ECDU2),德國(guó)Bosch(ZECCEL)和美國(guó)Caterpilla公司(HELII)是研究和生產(chǎn)共軌式電控噴油系統(tǒng)的主要公司。

增壓技術(shù)在柴油機(jī)上的應(yīng)用要比汽油機(jī)晚一些。早在20年代就有人提出壓縮空氣提高進(jìn)氣密度的設(shè)想，直到1926年瑞士人A.J.伯玉希才第一次設(shè)計(jì)了一臺(tái)帶廢氣渦輪增壓器的增壓發(fā)動(dòng)機(jī)。由于當(dāng)時(shí)的技術(shù)水平和工藝、材料的限制，還難以制造出性能良好的渦輪增壓器，加上二次大戰(zhàn)的影響，增壓技術(shù)為能迅速普及，直到大戰(zhàn)結(jié)束后，增壓技術(shù)的研究和應(yīng)用才受到重視。1950年增壓技術(shù)才開始在柴油機(jī)上使用并作為產(chǎn)品提供市場(chǎng)。

50年代，增壓度約為50%，四沖程機(jī)的平均有效壓力約為0.7—0.8MPa，無中冷，處于一個(gè)技術(shù)水平較低的發(fā)展階段。其后20多年間，增壓技術(shù)得到了迅速的發(fā)展和廣泛地采用。

70年代，增壓度達(dá)200%以上，正式作為商品提供的柴油機(jī)的平均有效壓力，四沖程機(jī)已達(dá)2.0MPa以上，二沖程機(jī)已超過1.3MPa，普遍采用中冷，使高增亞（>2.0MPa）四沖程機(jī)實(shí)用化。單級(jí)增壓比接近5，并發(fā)展了兩級(jí)增壓和超高增壓系統(tǒng)，相對(duì)于50年代初期剛采用增壓技術(shù)的發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)水平，30年來有了驚人的發(fā)展。

進(jìn)入80年代，仍保持這種發(fā)展勢(shì)頭。進(jìn)排氣系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高充氣效率，充分利用廢氣能量，出現(xiàn)諧振進(jìn)氣系統(tǒng)和MPC增壓系統(tǒng)�？勺兘孛鏈u輪增壓器，使得單級(jí)渦輪增壓比可達(dá)到5甚至更高。采用超高增壓系統(tǒng)，壓力比可達(dá)10以上，而發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比可降至6以下，發(fā)動(dòng)機(jī)的功率輸出可提高2—3倍。進(jìn)一步發(fā)展到與動(dòng)力渦輪復(fù)合式二級(jí)渦輪增壓系統(tǒng)。由此可見，高增壓、超高增壓的效果是可觀的，將發(fā)動(dòng)機(jī)的性能提高到了一個(gè)嶄新的水平。

轉(zhuǎn)動(dòng)式內(nèi)燃機(jī)

在蒸汽機(jī)的發(fā)展歷史中有從往復(fù)活塞式蒸汽機(jī)到蒸汽輪機(jī)的演化。這一點(diǎn),對(duì)內(nèi)燃機(jī)的發(fā)展大有啟發(fā)的。往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)運(yùn)動(dòng)要通過曲軸連桿機(jī)構(gòu)或凸輪機(jī)構(gòu)、擺盤機(jī)構(gòu)、搖臂機(jī)構(gòu)等,轉(zhuǎn)換為功率輸出軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣不僅使機(jī)構(gòu)復(fù)雜，而且由于轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的摩擦損耗,還會(huì)降低機(jī)械效率。另外由于活塞組的往復(fù)運(yùn)動(dòng)造成曲柄連桿機(jī)構(gòu)的往復(fù)慣性力,這個(gè)慣性力與轉(zhuǎn)速的平方成正比。隨轉(zhuǎn)速的提高，軸承上的慣性負(fù)荷顯著增加，并由于慣性力的不平衡而產(chǎn)生強(qiáng)烈的振動(dòng)。此外，往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)還有一套復(fù)雜的氣門控制機(jī)構(gòu)。于是人們?cè)O(shè)想:既然工具機(jī)的運(yùn)動(dòng)形式大部分都是軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，能否效法從往復(fù)活塞式蒸汽機(jī)到蒸汽輪機(jī)的路子，使熱能直接轉(zhuǎn)化為軸的轉(zhuǎn)動(dòng)呢？于是人們開始了在這一領(lǐng)域的探索。

燃?xì)廨啓C(jī)

1873年布拉頓(GeorgeBrayton)制造了一種定壓燃燒的發(fā)動(dòng)機(jī)。該機(jī)能提供使燃?xì)馔耆蛎浀酱髿鈮核l(fā)出的功率。20世紀(jì)初法國(guó)的阿曼卡(BeneArmangaud)等成功地應(yīng)用布拉頓循環(huán)原理制成燃?xì)廨啓C(jī)。但是，因當(dāng)時(shí)條件限制,熱效率很低未能得到發(fā)展。

到30年代,由于空氣動(dòng)力學(xué)及耐高溫合金材料和冷卻系統(tǒng)的進(jìn)展,為燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)入實(shí)用創(chuàng)造了條件。燃?xì)廨啓C(jī)雖然是內(nèi)燃機(jī),但它沒有像往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)那樣必須在封閉的空間里和限定的時(shí)間內(nèi)燃燒的限制，所以不會(huì)發(fā)生像汽油機(jī)那樣令人擔(dān)心的爆震，也很少像柴油機(jī)那樣受摩擦損失的限制；且燃料燃燒所產(chǎn)生的氣體直接推動(dòng)葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)，故它的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單(與活塞式內(nèi)燃機(jī)相比，其部件僅為它的1/6左右)、質(zhì)量輕、體積小、運(yùn)行費(fèi)用省，且易于采用多種燃料，也較少發(fā)生故障。雖然燃?xì)廨啓C(jī)目前尚存在一些缺點(diǎn)：壽命短、需要高級(jí)耐熱鋼材和成本高及排污(主要是NOx)較嚴(yán)重等，致使至今燃?xì)廨啓C(jī)的應(yīng)用仍局限于飛機(jī)、船舶、發(fā)電廠和機(jī)車，但是由于布拉頓循環(huán)的優(yōu)越性和燃?xì)廨啓C(jī)對(duì)燃油的限制少及上述的其它優(yōu)點(diǎn),使得它仍為現(xiàn)在和將來人們致力研究的動(dòng)力技術(shù)之一。若突破渦輪入口溫度，大大提高熱效率，且克服其它缺點(diǎn)，燃?xì)廨啓C(jī)有望取代汽、柴油機(jī)。

旋轉(zhuǎn)活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)

一直以來人們都在致力于建造旋轉(zhuǎn)式發(fā)動(dòng)機(jī)，其目標(biāo)是避免往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)固有的復(fù)雜性。在1910年以前，人們?cè)岢鲞^2000多個(gè)旋轉(zhuǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)的方案。20世紀(jì)初，又有許多人提出不同的方案，但大多因結(jié)構(gòu)復(fù)雜或無法解決氣缸密封問題而不能實(shí)現(xiàn)。直到1954年，德國(guó)人汪克爾(FelixWankel)經(jīng)長(zhǎng)期研究，突破了氣缸密封這一關(guān)鍵技術(shù)，才使具有長(zhǎng)短幅圓外旋輪線缸體的三角旋轉(zhuǎn)活塞發(fā)動(dòng)機(jī)首次運(yùn)轉(zhuǎn)成功。轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)一圈可以實(shí)現(xiàn)進(jìn)氣、壓縮、燃燒膨脹和排氣過程，按奧托循環(huán)運(yùn)轉(zhuǎn)。1962年三角轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)作為船用動(dòng)力，到80年代日本東洋工業(yè)公司把它用于汽車引擎。

轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)有一系列的優(yōu)點(diǎn)：

1、它取消了曲柄連桿機(jī)構(gòu)、氣門機(jī)構(gòu)等，得以實(shí)現(xiàn)高速化。

2、質(zhì)量輕(比往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)質(zhì)量下降1/2到1/3)、結(jié)構(gòu)和操作簡(jiǎn)單(零件數(shù)量比往復(fù)式少40%，體積減少50%)。

3、在排氣污染方面也有所改善，如NOx產(chǎn)生較少。

但轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)也存在著嚴(yán)重的不足之處：

1、.這種結(jié)構(gòu)的密封性能較差，至今只能作為壓縮比低的汽油機(jī)使用。

2、由于高速帶來了扭矩低，組織經(jīng)濟(jì)的燃燒過程困難。

3、壽命短、可靠性低以及加工長(zhǎng)短軸旋輪線的專用機(jī)床構(gòu)造復(fù)雜等。

內(nèi)燃機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)

內(nèi)燃機(jī)的發(fā)明，至今已有100多年的歷史。如果把蒸汽機(jī)的發(fā)明認(rèn)為是第一次動(dòng)力革命,那么內(nèi)燃機(jī)的問世當(dāng)之無愧是第二次動(dòng)力革命。因?yàn)樗粌H是動(dòng)力史上的一次大飛躍，而且其應(yīng)用范圍之廣、數(shù)量之多也是當(dāng)今任何一種別的動(dòng)力機(jī)械無與倫比的。隨著科技的發(fā)展,內(nèi)燃機(jī)在經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性、可靠性等諸多方面取得了驚人的進(jìn)步，為人類做出了巨大貢獻(xiàn)。蒸汽機(jī)從初創(chuàng)到完成花去了一個(gè)世紀(jì)的時(shí)間，從完成到極盛又走了一個(gè)世紀(jì)，從極盛到衰落大約也是一個(gè)世紀(jì)。內(nèi)燃機(jī)的發(fā)明也經(jīng)歷了一個(gè)世紀(jì)的歷程，從那時(shí)起，人類又前進(jìn)了一個(gè)世紀(jì)，可以說如今內(nèi)燃機(jī)已進(jìn)入了極盛時(shí)期。在世紀(jì)之交的今天，我們關(guān)注內(nèi)燃機(jī)的未來，人們?cè)谑媚恳源耐瑫r(shí)，更希望內(nèi)燃機(jī)能在新的世紀(jì)再創(chuàng)輝煌的業(yè)績(jī)。這里我將向大家展示新世紀(jì)里內(nèi)燃機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)。

內(nèi)燃機(jī)增壓技術(shù)

從內(nèi)燃機(jī)重要參數(shù)(壓力、溫度、轉(zhuǎn)速)的發(fā)展規(guī)律來看，可以發(fā)現(xiàn)這三個(gè)參數(shù)在1900年以前隨著年代的推移提高得很快。而在1900年以后，尤其是1950年以后，溫度、轉(zhuǎn)速提高變慢，而平均有效壓力隨著年代的增加仍直線上升。實(shí)踐證明：提高平均有效壓力可以大幅度地提高效率，減輕質(zhì)量。而提高平均有效壓力的技術(shù)就是提高增壓度。如柴油機(jī)增壓可大幅度地縮小柴油機(jī)進(jìn)氣管尺寸，并使氣缸有足夠大的充氣效率用于提高柴油機(jī)的功率，使之能在一個(gè)寬廣的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)既提高功率又有大的扭矩。一臺(tái)增壓中冷柴油機(jī)可以使功率成倍提高，而造價(jià)僅提高15%～30%，即每馬力造價(jià)可平均降低40%。所以增壓、高增壓、超高增壓是當(dāng)前內(nèi)燃機(jī)重要的發(fā)展方向之一。但是這只是問題的一個(gè)方面，另一個(gè)方面發(fā)動(dòng)機(jī)強(qiáng)化和超強(qiáng)化會(huì)給零部件帶來過大的機(jī)械負(fù)荷和熱負(fù)荷，特別是熱負(fù)荷問題已成為發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)一步強(qiáng)化的限制；再就是單級(jí)高效率、高壓比壓氣機(jī)也限制了增壓技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，因此，不是增壓度越高越好的。

內(nèi)燃機(jī)電子控制技術(shù)

內(nèi)燃機(jī)電子控制技術(shù)產(chǎn)生于20世紀(jì)60年代后期,通過70年代的發(fā)展,80年代趨于成熟。隨著電子技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展,內(nèi)燃機(jī)電子控制技術(shù)將會(huì)承擔(dān)更加重要的任務(wù),其控制面會(huì)更寬,控制精度會(huì)更高,智能化水平也會(huì)更高。諸如燃燒室容積和形狀變化的控制、壓縮比變化控制、工作狀態(tài)的機(jī)械磨損檢測(cè)控制等較大難度的內(nèi)燃機(jī)控制將成為現(xiàn)實(shí)并得到廣泛應(yīng)用。內(nèi)燃機(jī)電子控制是由單獨(dú)控制向綜合、集中控制方向發(fā)展,是由控制的低效率及低精度向控制的高效率及高精度發(fā)展的。隨著人類進(jìn)入電子時(shí)代,21世紀(jì)的內(nèi)燃機(jī)也將步入“內(nèi)燃機(jī)電子時(shí)代”,其發(fā)展情況將與高速發(fā)展的電子技術(shù)相適應(yīng)。內(nèi)燃機(jī)電子控制技術(shù)是內(nèi)燃機(jī)適應(yīng)社會(huì)發(fā)展需求的主要技術(shù)依托,也是內(nèi)燃機(jī)保持21世紀(jì)輝煌的重要影響因素。

內(nèi)燃機(jī)材料技術(shù)

內(nèi)燃機(jī)使用的傳統(tǒng)材料是鋼、鑄鐵和有色金屬及其合金。在內(nèi)燃機(jī)發(fā)展過程中，人們不斷對(duì)其經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性、排放等提出了更高的要求，從而對(duì)內(nèi)燃機(jī)材料的要求相應(yīng)提高。根據(jù)內(nèi)燃機(jī)今后的發(fā)展目標(biāo)，對(duì)內(nèi)燃機(jī)材料的要求主要集中在絕熱性、耐熱性、耐磨性、減摩性、耐腐蝕性及熱膨脹小、質(zhì)量輕等方面。要促進(jìn)內(nèi)燃機(jī)材料的發(fā)展,除采用改變材料化學(xué)成分與含量來達(dá)到零部件所要求的物理、機(jī)械性能這一常規(guī)方法外，也可采用表面強(qiáng)化工藝來使材料達(dá)到所需的要求，但內(nèi)燃機(jī)材料的發(fā)展更需要我們?nèi)ラ_發(fā)適應(yīng)不同工作狀態(tài)的新材料。與內(nèi)燃機(jī)傳統(tǒng)材料相比，陶瓷材料具有無可比擬的絕熱性和耐熱性，陶瓷材料和工程塑料(如纖維增強(qiáng)塑料)具有比傳統(tǒng)材料優(yōu)越的減摩性、耐磨性和耐腐蝕性,其比重與鋁合金不相上下而比鋼和鑄鐵輕得多。因此,陶瓷材料(高性能陶瓷)憑借其優(yōu)良的綜合性能，可用在許多內(nèi)燃機(jī)零件上，如噴油點(diǎn)火零件、燃燒室、活塞頂?shù)�，若能克服脆性、成本等方面的弱點(diǎn)，在新世紀(jì)里將會(huì)得到廣泛應(yīng)用。工程塑料也可用于許多內(nèi)燃機(jī)零件，如內(nèi)燃機(jī)上的各種罩蓋、活塞裙部、正時(shí)齒輪、推桿等，隨著工藝水平的提高及價(jià)格的降低,未來工程塑料在內(nèi)燃機(jī)上的應(yīng)用將會(huì)與日俱增。綜合內(nèi)燃機(jī)的各種材料，為揚(yáng)長(zhǎng)避短，在新材料的基礎(chǔ)上又開發(fā)出了以金屬、塑料或陶瓷為基材的各種復(fù)合材料,并開始在內(nèi)燃機(jī)上逐漸推廣使用。

展望新世紀(jì)，在今后一段時(shí)期內(nèi)，鋼、鑄鐵和有色金屬及其合金，仍將是內(nèi)燃機(jī)的主要材料。各種表面強(qiáng)化工藝將更加先進(jìn)，并得到廣泛應(yīng)用。以金屬、塑料、陶瓷為基材的各種復(fù)合材料將在10年之后進(jìn)入驚人的高速推廣時(shí)期，新材料在內(nèi)燃機(jī)上的使用也將同時(shí)加速。

內(nèi)燃機(jī)制造技術(shù)

內(nèi)燃機(jī)的發(fā)展水平取決于其零部件的發(fā)展水平，而內(nèi)燃機(jī)零部件的發(fā)展水平，是由生產(chǎn)制造技術(shù)等因素來決定的。也就是說，內(nèi)燃機(jī)零部件的制造技術(shù)水平，對(duì)主機(jī)的性能、壽命及可靠性有決定性的影響。同樣制造技術(shù)與設(shè)備的關(guān)系也是密不可分的，每當(dāng)新一代設(shè)備或工藝材料研制成功，都會(huì)給制造技術(shù)的革新帶來突破性的進(jìn)展。進(jìn)入新世紀(jì)后，科學(xué)技術(shù)的發(fā)展會(huì)異常迅猛,新設(shè)備的研制周期將越來越短，因此新世紀(jì)內(nèi)燃機(jī)制造技術(shù)必將形成迅速發(fā)展的局面。

由于鑄造技術(shù)水平的提高，氣沖造型、靜壓造型、樹脂自硬砂造型制芯、消失模鑄造，使內(nèi)燃機(jī)鑄造的主要零件如機(jī)體、缸蓋可以制成形狀復(fù)雜曲面及箱型結(jié)構(gòu)的薄壁鑄件。這不僅在很大程度上提高了機(jī)體剛度,降低了噪聲輻射，而且使內(nèi)燃機(jī)達(dá)到輕量化。由于象噴涂、重熔、燒結(jié)、堆焊、電化學(xué)加工、激光加工等局部表面強(qiáng)化技術(shù)的進(jìn)步，使材料功能得到完善的發(fā)揮；由于設(shè)備水平提高，加工制造技術(shù)向高精度、高效率、自動(dòng)化方向發(fā)展，帶動(dòng)了內(nèi)燃機(jī)零部件生產(chǎn)向高集中化程度發(fā)展。另一方面，柔性制造技術(shù)的推廣，使內(nèi)燃機(jī)產(chǎn)品更新?lián)Q代具有更大的靈活性和適應(yīng)性。多品種小批量生產(chǎn)的柔性制造系統(tǒng)引起了內(nèi)燃機(jī)制造商們的廣泛認(rèn)同，也順應(yīng)了生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展及市場(chǎng)形勢(shì)的變化。電子技術(shù)及計(jì)算機(jī)在設(shè)計(jì)、制造、試驗(yàn)、檢測(cè)、工藝過程控制上的應(yīng)用,推動(dòng)了行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步，提高了內(nèi)燃機(jī)的產(chǎn)品質(zhì)量。新材料的發(fā)展也推動(dòng)了內(nèi)燃機(jī)零部件生產(chǎn)工藝的變革，特別是工程塑料、陶瓷材料及復(fù)合材料在內(nèi)燃機(jī)上的運(yùn)用，有力地促進(jìn)了內(nèi)燃機(jī)制造技術(shù)的發(fā)展。隨著內(nèi)燃機(jī)電控技術(shù)的發(fā)展，電控系統(tǒng)三大組成部分(傳感器、執(zhí)行器、控制單元)將成為內(nèi)燃機(jī)零部件行業(yè)的重要分支，同時(shí)向傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)制造業(yè)提出了新的課題。

由此我們可以推斷:在21世紀(jì),內(nèi)燃機(jī)制造技術(shù)將向高精度、多元化方面飛速發(fā)展。它的發(fā)展速度和方向不僅關(guān)系到內(nèi)燃機(jī)的質(zhì)量,還直接對(duì)內(nèi)燃機(jī)的未來產(chǎn)生重大影響。就其產(chǎn)品技術(shù)進(jìn)步快慢而言,汽車內(nèi)燃機(jī)發(fā)展最快,其次是機(jī)車、船舶、發(fā)電機(jī)組、工程機(jī)械、農(nóng)業(yè)機(jī)械等。

內(nèi)燃機(jī)代用燃料

由于世界石油危機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣對(duì)環(huán)境的污染日益嚴(yán)重，內(nèi)燃機(jī)技術(shù)的研究轉(zhuǎn)向高效節(jié)能及開發(fā)利用潔凈的代用燃料。以汽油機(jī)和柴油機(jī)為基礎(chǔ)進(jìn)行改造或重新設(shè)計(jì)，開發(fā)以天然氣、液化石油氣和氫氣等為燃料的氣體發(fā)動(dòng)機(jī)為目前和今后一段時(shí)間內(nèi)內(nèi)燃機(jī)技術(shù)的重點(diǎn)之一。其中氣體發(fā)動(dòng)機(jī)的功率恢復(fù)技術(shù)和氫氣發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒控制等是其中的重中之重。

綜述

內(nèi)燃機(jī)在應(yīng)用中不斷發(fā)展，各種內(nèi)燃機(jī)彼此相互競(jìng)爭(zhēng)，相互滲透，相互綜合，從中演化出各種新的混合式發(fā)動(dòng)機(jī)。如燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)明和發(fā)展一方面對(duì)柴油機(jī)形成競(jìng)爭(zhēng)，另一方面也補(bǔ)充了柴油機(jī)，使柴油機(jī)廢氣渦輪增壓得到完善，反過來增強(qiáng)了柴油機(jī)的競(jìng)爭(zhēng)能力。燃?xì)廨啓C(jī)本來也是蒸汽輪機(jī)的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，但人們把燃?xì)廨啓C(jī)和蒸汽輪機(jī)這兩種按不同熱力循環(huán)工作的熱機(jī)聯(lián)合在一起，構(gòu)成一種嶄新的高效循環(huán):燃?xì)狻羝啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)。熱力學(xué)第二定律告訴我們，要提高熱效率，應(yīng)盡可能提高熱機(jī)的加熱溫度和降低排熱溫度。蒸汽機(jī)的排熱溫度較低(約300K)，但由于水蒸氣本身特性和設(shè)備條件的限制，其加熱溫度不可能太高，目前穩(wěn)定在800～900K以下。隨著冶金和冷卻技術(shù)的發(fā)展，燃?xì)廨啓C(jī)的加熱溫度一直在上升，目前已達(dá)1300～1500K左右；但其排熱溫度卻不能太低，一般為700～800K，甚至更高。所以這兩種熱機(jī)目前的實(shí)際熱效率都未超過40%。燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)，將燃?xì)廨啓C(jī)的排氣送進(jìn)余熱鍋爐生產(chǎn)蒸氣，供蒸汽輪機(jī)利用。聯(lián)合循環(huán)可以同時(shí)取得

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