内燃机的历史

内燃机的历史
内燃机的历史

内燃机的历史
内燃机的发展历史
　　活塞式内燃机自19世纪60年代问世以来,经过不断改进和发展,已是比较完善的机械.它热效率高、功率和转速范围宽、配套方便、机动性好,所以获得了广泛的应用.全世界各种类型的汽车、拖拉机、农业机械、工程机械、小型移动电站和战车等都以内燃机为动力.海上商船、内河船舶和常规舰艇,以及某些小型飞机也都由内燃机来推进.世界上内燃机的保有量在动力机械中居首位,它在人类活动中占有非常重要的地位.
　　活塞式内燃机起源于用火药爆炸获取动力,但因火药燃烧难以控制而未获成功.1794年,英国人斯特里特提出从燃料的燃烧中获取动力,并且第一次提出了燃料与空气混合的概念.1833年,英国人赖特提出了直接利用燃烧压力推动活塞作功的设计.
　　之后人们又提出过各种各样的内燃机方案,但在十九世纪中叶以前均未付诸实用.直到1860年,法国的勒努瓦模仿蒸汽机的结构,设计制造出第一台实用的煤气机.这是一种无压缩、电点火、使用照明煤气的内燃机.勒努瓦首先在内燃机中采用了弹力活塞环.这台煤气机的热效率为4%左右.
　　英国的巴尼特曾提倡将可燃混合气在点火之前进行压缩,随后又有人著文论述对可燃混合气进行压缩的重要作用,并且指出压缩可以大大提高勒努瓦内燃机的效率.1862年,法国科学家罗沙对内燃机热力过程进行理论分析之后,提出提高内燃机效率的要求,这就是最早的四冲程工作循环.
　　1876年,德国发明家奥托运用罗沙的原理,创制成功第一台往复活塞式、单缸、卧式、3.2千瓦(4.4马力)的四冲程内燃机,仍以煤气为燃料,采用火焰点火,转速为156.7转/分,压缩比为2.66,热效率达到14％,运转平稳.在当时,无论是功率还是热效率,它都是最高的.
　　奥托内燃机获得推广,性能也在提高.1880年单机功率达到11～15千瓦(15～20马力),到1893年又提高到150千瓦.由于压缩比的提高,热效率也随之增高,1886年热效率为15.5%,1897年已高达20～26％.1881年,英国工程师克拉克研制成功第一台二冲程的煤气机,并在巴黎博览会上展出.
　　随着石油的开发,比煤气易于运输携带的汽油和柴油引起了人们的注意,首先获得试用的是易于挥发的汽油.1883年,德国的戴姆勒创制成功第一台立式汽油机,它的特点是轻型和高速.当时其他内燃机的转速不超过200转/分,它却一跃而达到800转/分,特别适应交通动输机械的要求.1885～1886年,汽油机作为汽车动力运行成功,大大推动了汽车的发展.同时,汽车的发展又促进了汽油机的改进和提高.不久汽油机又用作了小船的动力.
　　1892年,德国工程师狄塞尔受面粉厂粉尘爆炸的启发,设想将吸入气缸的空气高度压缩,使其温度超过燃料的自燃温度,再用高压空气将燃料吹入气缸,使之着火燃烧.他首创的压缩点火式内燃机(柴油机)于1897年研制成功,为内燃机的发展开拓了新途径.
　　狄塞尔开始力图使内燃机实现卡诺循环,以求获得最高的热效率,但实际上做到的是近似的等压燃烧,其热效率达26％.压缩点火式内燃机的问世,引起了世界机械业的极大兴趣,压缩点火式内燃机也以发明者而命名为狄塞尔引擎.
　　这种内燃机以后大多用柴油为燃料,故又称为柴油机.1898年,柴油机首先用于固定式发电机组,1903年用作商船动力,1904年装于舰艇,1913年第一台以柴油机为动力的内燃机车制成,1920年左右开始用于汽车和农业机械.
　　早在往复活塞式内燃机诞生以前,人们就曾致力于创造旋转活塞式的内燃机,但均未获成功.直到1954年,联邦德国工程师汪克尔解决了密封问题后,才于1957年研制出旋转活塞式发动机,被称为汪克尔发动机.它具有近似三角形的旋转活塞,在特定型面的气缸内作旋转运动,按奥托循环工作.这种发动机功率高、体积小、振动小、运转平稳、结构简单、维修方便,但由于它燃料经济性较差、低速扭矩低、排气性能不理想,所以还只是在个别型号的轿车上得到采用.
　　内燃机以其热效率高、结构紧凑,机动性强,运行维护简便的优点著称于世.一百多年以来,内燃机的巨大生命力经久不衰.目前世界上内燃机的拥有量大大超过了任何其它的热力发动机,在国民经济中占有相当重要的地位.现代内燃机更是成为了当今用量最大、用途最广、无一与之匹敌的的最重要的热能机械.
　　当然内燃机同样也存在着不少的缺点,主要是：对燃料的要求高,不能直接燃用劣质燃料和固体燃料；由于间歇换气以及制造的困难,单机功率的提高受到限制,现代内燃机的最大功率一般小于4万千瓦,而蒸汽机的单机功率可以高达数十万千瓦；内燃机不能反转；内燃机的噪声和废气中有害成分对环境的污染尤其突出.可以说这一百多年来的内燃机的发展史就是人类不断革新,不断挑战克服这些缺点的历史.
　　内燃机发展至今,约有一个半世纪的历史了.同其他科学一样,内燃机的每一个进步都是人类生产实践经验的概括和总结.内燃机的发明始于对活塞式蒸汽机的研究和改进.在它的发展史中应当特别提到的是德国人奥托和狄塞尔,正是他们在总结了前人无数实践经验的基础上,对内燃机的工作循环提出了较为完善的奥托循环和狄塞尔循环,才使得到他们为止几十年间无数人的实践和创造活动得到了一个科学地总结,并有了质的飞跃,他们将前任粗浅的、纯经验的、零乱无序的的经验,加以继承、发展、总结、提高,找出了规律性,为现代汽油机和柴油机热力循环奠定了热力学基础,为内燃机的发展做出了伟大的贡献.
　　往复活塞式内燃机
　　往复活塞式内燃机的种类很多,主要的分类方法有这样一些：按所用的燃料的不同,分为汽油机,柴油机、煤油机、煤气机（包括各种气体燃料内燃机）等；按每个工作循环的行程数不同,分为四冲程和二冲程；按着火方式不同,分为点燃式和压燃式；按冷却方式不同,分为水冷式和风冷式；按气缸排列形式不同,分为直列式、V型、对置式、星型等；按气缸数不同,分为单缸内燃机和多缸内燃机等；按内燃机的用途不同,分为汽车用、农用、机车用、船用以及固定用等等.本文将会主要针对煤气机、汽油机、柴油机这样一个发展脉络来向大家介绍.
　　最早的内燃机——煤气机
　　最早出现的内燃机是以煤气为燃料的煤气机.1860年,法国发明家莱诺制成了第一台实用内燃机（单缸、二冲程、无压缩和电点火的煤气机,输出功率为0.74—1.47KW,转速为100r/min,热效率为4%）.法国工程师德罗沙认识到,要想尽可能提高内燃机的热效率,就必须使单位气缸容积的冷却面积尽量减小,膨胀时活塞的速率尽量快,膨胀的范围（冲程）尽量长.在此基础上,他在1862年提出了著名的等容燃烧四冲程循环：进气、压缩、燃烧和膨胀、排气.
　　1876年,德国人奥托制成了第一台四冲程往复活塞式内燃机（单缸、卧式、以煤气为燃料、功率大约为2.21KW、180r/min）.在这部发动机上,奥托增加了飞轮,使运转平稳,把进气道加长,又改进了气缸盖,使混合气充分形成.这是一部非常成功的发动机,其热效率相当于当时蒸汽机的两倍.奥托把三个关键的技术思想：内燃、压缩燃气、四冲程融为一体,使这种内燃机具有效率高、体积小、质量轻和功率大等一系列优点.在1878年巴黎万国博览会上,被誉为“瓦特以来动力机方面最大的成就”.等容燃烧四冲程循环由奥托实现,也被称为奥托循环.
　　煤气机虽然比蒸汽机具有很大的优越性,但在社会化大生产情况下,仍不能满足交通运输业所要求的高速、轻便等性能.因为它以煤气为燃料,需要庞大的煤气发生炉和管道系统.而且煤气的热值低(约1.75×107～2.09×107J/m3),故煤气机转速慢,比功率小.到19世纪下半叶,随着石油工业的兴起,用石油产品取代煤气作燃料已成为必然趋势.