內(nèi)燃機(jī)發(fā)展史
互聯(lián)網(wǎng) PANGZHENHUA 汽車(chē)保養(yǎng)維修 2007-06-30
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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(chēng)于世。一百多年以來(lái)，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(guò)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(wú)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(wàn)千瓦，而蒸汽機(jī)的單機(jī)功率可以高達(dá)數(shù)十萬(wàn)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�？梢哉f(shuō)這一百多年來(lái)的內(nèi)燃機(jī)的發(fā)展史就是人類(lèi)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(lèi)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(wú)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(wú)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(wú)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(lèi)很多，主要的分類(lèi)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(chē)用、農(nóng)用、機(jī)車(chē)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(lái)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(wú)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)狻⑺臎_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(wàn)國(guó)博覽會(huì)上,被譽(yù)為“瓦特以來(lái)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(chēng)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(mǎn)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(wèn)題。以前內(nèi)燃機(jī)的轉(zhuǎn)速都不超過(guò)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(kāi)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(lái)看一下汽油機(jī)在本世紀(jì)的發(fā)展歷程。在汽車(chē)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(guò)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�，以提高功率和比功率為主。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(chē)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(wèn)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(chē)公司研究室的米格雷和鮑義德通過(guò)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(guò)程，解決了爆震的問(wèn)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(guò)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(kāi)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(lái)越緊湊，轉(zhuǎn)速越來(lái)越高。其技術(shù)現(xiàn)狀為：缸內(nèi)噴射；多氣門(mén)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(lái)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(kāi)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(mǎn)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(chē)、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(chēng)為PFP系統(tǒng)，采用步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行元件來(lái)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(lái)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(shuō)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(zhuān)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(lái)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(chē),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(lái)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(guò)增加轉(zhuǎn)速來(lái)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(chē)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(lái),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(mén)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(kāi)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(wú)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(guò)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(lái)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)。可變截面渦輪增壓器，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(jiàn)，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(guò)曲軸連桿機(jī)構(gòu)或凸輪機(jī)構(gòu)、擺盤(pán)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(mén)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(kāi)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(méi)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(chǎng)和機(jī)車(chē)，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(lái)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(lái)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^(guò)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(wú)法解決氣缸密封問(wèn)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(xiàn)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(guò)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(chē)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(mén)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(lái)了扭矩低，組織經(jīng)濟(jì)的燃燒過(guò)程困難。 3、壽命短、可靠性低以及加工長(zhǎng)短軸旋輪線(xiàn)的專(zhuān)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(wèn)世當(dāng)之無(wú)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(wú)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(lèi)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(lèi)又前進(jìn)了一個(gè)世紀(jì)，可以說(shuō)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(lái)，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(lái)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(xiàn)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(wèn)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(lái)過(guò)大的機(jī)械負(fù)荷和熱負(fù)荷，特別是熱負(fù)荷問(wèn)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(guò)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(lèi)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(guò)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(lái)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(lái)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_(kāi)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(wú)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(lái)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(kāi)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(kāi)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(lái)決定的。也就是說(shuō)，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(lái)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(lái)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(shù)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(guò)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(lái)產(chǎn)生重大影響。就其產(chǎn)品技術(shù)進(jìn)步快慢而言,汽車(chē)內(nèi)燃機(jī)發(fā)展最快,其次是機(jī)車(chē)、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(kāi)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(kāi)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(guò)來(lái)增強(qiáng)了柴油機(jī)的競(jìng)爭(zhēng)能力。燃?xì)廨啓C(jī)本來(lái)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(guò)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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