求内燃机的构造.急

求内燃机的构造.急
求内燃机的构造.
急

求内燃机的构造.急
http://baike.baidu.com/view/71190.htm
内燃机是一种动力机械,它是通过使燃料在机器内部燃烧,并将其放出的热能直接转换为动力的热力发动机.
广义上的内燃机不仅包括往复活塞式内燃机、旋转活塞式发动机和自由活塞式发动机,也包括旋转叶轮式的燃气轮机、喷气式发动机等,但通常所说的内燃机是指活塞式内燃机.
活塞式内燃机以往复活塞式最为普遍.活塞式内燃机将燃料和空气混合,在其气缸内燃烧,释放出的热能使气缸内产生高温高压的燃气.燃气膨胀推动活塞作功,再通过曲柄连杆机构或其他机构将机械功输出,驱动从动机械工作.
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.
内燃的组成
往复活塞式内燃机的组成部分主要有曲柄连杆机构、机体和气缸盖、配气机构、供油系统、润滑系统、冷却系统、起动装置等.
气缸是一个圆筒形金属机件.密封的气缸是实现工作循环、产生动力的源地.各个装有气缸套的气缸安装在机体里,它的顶端用气缸盖封闭着.活塞可在气缸套内往复运动,并从气缸下部封闭气缸,从而形成容积作规律变化的密封空间.燃料在此空间内燃烧,产生的燃气动力推动活塞运动.活塞的往复运动经过连杆推动曲轴作旋转运动,曲轴再从飞轮端将动力输出.由活塞组、连杆组、曲轴和飞轮组成的曲柄连杆机构是内燃机传递动力的主要部分.
活塞组由活塞、活塞环、活塞销等组成.活塞呈圆柱形,上面装有活塞环,借以在活塞往复运动时密闭气缸.上面的几道活塞环称为气环,用来封闭气缸,防止气缸内的气体漏泄,下面的环称为油环,用来将气缸壁上的多余的润滑油刮下,防止润滑油窜入气缸.活塞销呈圆筒形,它穿入活塞上的销孔和连杆小头中,将活塞和连杆联接起来.连杆大头端分成两半,由连杆螺钉联接起来,它与曲轴的曲柄销相连.连杆工作时,连杆小头端随活塞作往复运动,连杆大头端随曲柄销绕曲轴轴线作旋转运动,连杆大小头间的杆身作复杂的摇摆运动.
曲轴的作用是将活塞的往复运动转换为旋转运动,并将膨胀行程所作的功,通过安装在曲轴后端上的飞轮传递出去.飞轮能储存能量,使活塞的其他行程能正常工作,并使曲轴旋转均匀.为了平衡惯性力和减轻内燃机的振动,在曲轴的曲柄上还适当装置平衡质量.
气缸盖中有进气道和排气道,内装进、排气门.新鲜充量(即空气或空气与燃料的可燃混合气)经空气滤清器、进气管、进气道和进气门充入气缸.膨胀后的燃气经排气门、排气道和排气管,最后经排气消声器排入大气.进、排气门的开启和关闭是由凸轮轴上的进、排气凸轮,通过挺柱、推杆、摇臂和气门弹簧等传动件分别加以控制的,这一套机件称为内燃机配气机构.通常由空气滤清器、进气管、排气管和排气消声器组成进排气系统.
为了向气缸内供入燃料,内燃机均设有供油系统.汽油机通过安装在进气管入口端的化油器将空气与汽油按一定比例(空燃比)混合,然后经进气管供入气缸,由汽油机点火系统控制的电火花定时点燃.柴油机的燃油则通过柴油机喷油系统喷入燃烧室,在高温高压下自行着火燃烧.
内燃机气缸内的燃料燃烧使活塞、气缸套、气缸盖和气门等零件受热,温度升高.为了保证内燃机正常运转,上述零件必须在许可的温度下工作,不致因过热而损坏,所以必须备有冷却系统.
内燃机不能从停车状态自行转入运转状态,必须由外力转动曲轴,使之起动.这种产生外力的装置称为起动装置.常用的有电起动、压缩空气起动、汽油机起动和人力起动等方式.
内燃机的工作循环由进气、压缩、燃烧和膨胀、排气等过程组成.这些过程中只有膨胀过程是对外作功的过程,其他过程都是为更好地实现作功过程而需要的过程.按实现一个工作循环的行程数,工作循环可分为四冲程和二冲程两类.
四冲程是指在进气、压缩、膨胀和排气四个行程内完成一个工作循环,此间曲轴旋转两圈.进气行程时,此时进气门开启,排气门关闭.流过空气滤清器的空气,或经化油器与汽油混合形成的可燃混合气,经进气管道、进气门进入气缸；压缩行程时,气缸内气体受到压缩,压力增高,温度上升；膨胀行程是在压缩上止点前喷油或点火,使混合气燃烧,产生高温、高压,推动活塞下行并作功；排气行程时,活塞推挤气缸内废气经排气门排出.此后再由进气行程开始,进行下一个工作循环.
二冲程是指在两个行程内完成一个工作循环,此期间曲轴旋转一圈.首先,当活塞在下止点时,进、排气口都开启,新鲜充量由进气口充入气缸,并扫除气缸内的废气,使之从排气口排出；随后活塞上行,将进、排气口均关闭,气缸内充量开始受到压缩,直至活塞接近上止点时点火或喷油,使气缸内可燃混合气燃烧；然后气缸内燃气膨胀,推动活塞下行作功；当活塞下行使排气口开启时,废气即由此排出活塞继续下行至下止点,即完成一个工作循环.
内燃机的排气过程和进气过程统称为换气过程.换气的主要作用是尽可能把上一循环的废气排除干净,使本循环供入尽可能多的新鲜充量,以使尽可能多的燃料在气缸内完全燃烧,从而发出更大的功率.换气过程的好坏直接影响内燃机的性能.为此除了降低进、排气系统的流动阻力外,主要是使进、排气门在最适当的时刻开启和关闭.
实际上,进气门是在上止点前即开启,以保证活塞下行时进气门有较大的开度,这样可在进气过程开始时减小流动阻力,减少吸气所消耗的功,同时也可充入较多的新鲜充量.当活塞在进气行程中运行到下止点时,由于气流惯性,新鲜充量仍可继续充入气缸,故使进气门在下止点后延迟关闭.
排气门也在下止点前提前开启,即在膨胀行程后部分即开始排气,这是为了利用气缸内较高的燃气压力,使废气自动流出气缸,从而使活塞从下止点向上止点运动时气缸内气体压力低些,以减少活塞将废气排挤出气缸所消耗的功.排气门在上止点后关闭的目的是利用排气流动的惯性,使气缸内的残余废气排除得更为干净.
内燃机性能主要包括动力性能和经济性能.动力性能是指内燃机发出的功率(扭矩),表示内燃机在能量转换中量的大小,标志动力性能的参数有扭矩和功率等.经济性能是指发出一定功率时燃料消耗的多少,表示能量转换中质的优劣,标志经济性能的参数有热效率和燃料消耗率.
内燃机未来的发展将着重于改进燃烧过程,提高机械效率,减少散热损失,降低燃料消耗率；开发和利用非石油制品燃料、扩大燃料资源；减少排气中有害成分,降低噪声和振动,减轻对环境的污染；采用高增压技术,进一步强化内燃机,提高单机功率；研制复合式发动机、绝热式涡轮复合式发动机等；采用微处理机控制内燃机,使之在最佳工况下运转；加强结构强度的研究,以提高工作可靠性和寿命,不断创制新型内燃机.

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...

全部展开

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。
汽油机的出现
1883年，戴姆勒和迈巴赫制成了第一台四冲程往复式汽油机，此发动机上安装了迈巴赫设计的化油器，还用白炽灯管解决了点火问题。以前内燃机的转速都不超过200r/min，而戴姆勒的汽油机转速一跃为800—1000r/min。它的特点是功率大，质量轻、体积小、转速快和效率高，特别适用于交通工具。与此同时，本茨研制成功了现在仍在使用的点火装置和水冷式冷却器。
到十九世纪末，主要的集中活塞式内燃机大体上进入了实用阶段，并且很快显示出巨大的生命力。内燃机在广泛应用中不断地得到改善和革新，迄今已达到一个较高的技术水平。在这样一个漫长的发展历史中，有两个重要的发展阶段是具有划时代意义的：一是50年代兴起的增压技术在发动机上的广泛应用；再就是 70年代开始的电子技术及计算机在发动机研制中的应用，这两个发展趋势至今都方兴未艾
首先我们来看一下汽油机在本世纪的发展历程。在汽车和飞机工业的推动下汽油机取得了长足的发展。按提高汽油机的功率、热效率、比功率和降低油耗等主要性能指标的过程，可以把汽油机的发展分为四个阶段。
第一阶段是本世纪最初二十年，为适应交通运输的要求，以提高功率和比功率为主。采取的主要技术措施是提高转速、增加缸数和改进相应辅助装置。这个时期内，转速从上世纪的500—800r/min提高到1000—1500r/min，比功率从3.68W/Kg提高到441.3—735.5W/Kg，对提高飞机的飞行性能和汽车的负载能力具有重大的意义。
第二阶段时间在20年代，主要解决汽油机的爆震燃烧问题。当时汽油机的压缩比达到4时，汽油机就发生爆震。美国通用汽车公司研究室的米格雷和鲍义德通过在汽油中加入少量的四乙基铝，干扰氧和汽油分子化合的正常过程，解决了爆震的问题，使压缩比从4提高到了8，大大提高了汽油机的功率和热效率。当时另一严重影响汽油机功率和热效率的因素是燃烧室的形状和结构，英国的里卡多及其合作者通过对多种燃烧室及燃烧原理的研究，改进了燃烧室，使汽油机的功率提高了20%。
第三阶段是从20年代后期到40年代早期，主要是在汽油机上装备增压器。废气涡轮增压可使气压增至1.4—1.6大气压，他的应用为提高汽油机的功率和热效率开辟了一个新的途径。但是其真正的广泛应用，却是在50年代后期才普及的。
第四阶段从50年代至今，汽油机技术在原理重大变革之前发展已近极致。它的结构越来越紧凑，转速越来越高。其技术现状为：缸内喷射；多气门技术；进气滚流，稀薄分层燃烧；电子控制点火正时、汽油喷射及空燃比随工况精确控制等全面电子发动机管理；废气在循环及三元催化等排气净化技术等。其集中体现在近年来研制成功并投产的缸内直喷分层充气稀燃汽油机（GDI）。
但是随着70年代开始的电子技术在发动机上的应用，为内燃机技术的改进提供了条件,使内燃机基本上满足了目前世界各国有关排放、节能、可靠性和舒适性等方面的要求。内燃机电子控制现已包括电控燃油喷射、电控点火、怠速控制、排放控制、进气控制、增压控制、警告提示、自我诊断、失效保护等诸多方面。
同样内燃机电子控制技术的发展也大致可分为四个阶段：
1、内燃机零部件或局部系统的单独控制,如电子油泵、电子点火装置等。
2、内燃机单一系统或几个相关系统的独立控制,如燃油供给系统控制、最佳空燃比控制等。
3、整台内燃机的统一智能化控制,如内燃机电子控制系统。
4、装置与内燃机动力的集中电子控制,如汽车、船舶、发电机组的集中电子控制系统。
电子控制系统一般由传感器、执行器和控制器三部分组成。由此构成各种不同功能、不同用途的控制系统。。其主要目标是保持发动机各运行参数的最佳值，以求得发动机功率、燃油耗和排放性能的最佳平衡，并监视运行工况。如Caterpillar公司的3406PEPC系统是在3406柴油机上采用可变程序的发动机控制系统，具有电子调速功能，采用电子控制空燃比，可将喷有提前角始终保持在最佳值。美国Stanaclyne公司将其生产的DB型分配泵改为电子控制喷油泵，称为PFP系统，采用步进电机作为执行元件来控制喷油量和喷油定时
柴油机——内燃机家族的另一个明星
柴油机几乎是与汽油机同时发展起来的，它们具有许多相同点。所以柴油机的发展也与汽油机有许多相似之处，可以说在整个内燃机的发展史上，它们是相互推动的。
德国狄塞尔博士于1892年获得压缩点火压缩机的技术专利，1897年制成了第一台压缩点火的“狄塞尔”内燃机，即柴油机。
柴油机的高压缩比带来众多的优点：
1、不但可以省去化油器和点火装置，提高了热效率，而且可以使用比汽油便宜得多的柴油作燃料。
2、柴油机由于其压缩比大,最大功率点、单位功率的油耗低。在现代优秀的发动机中,柴油机的油耗约为汽油机的70%。特别像汽车,通常在部分负荷工况下行驶,其油耗约为汽油机的60%。柴油机是目前热效率最高的内燃机。
3、柴油机因为压缩比高,发动机结实,故经久耐用、寿命长。
同时高压缩比也带来了缺点:
1、柴油机的结构笨重。通常柴油的单位功率质量约为汽油机的1.5～3倍。柴油机压缩比高,爆发压力也高,可达汽油机的1.5倍左右(不增压的情况下)。为承受高温高压,就要求结实的结构。所以柴油机最初只是作为一种固定式发动机使用。
2、在同一排量下,柴油机的输出功率约为汽油机的1/3。因为柴油机把燃料直接喷入气缸,不能充分利用空气,相应功率输出低。假设汽油机的空气利用率为100%,那么柴油机仅有80%～90%。柴油机功率输出小的另一原因是压缩比大,发动机的摩擦损失比汽油机大。这种摩擦损失与转速成正比,不能期望通过增加转速来提高功率。转速最高的汽油机每分钟可运转10000次以上(如赛车发动机),而柴油机的最高转速却只有5000r/min。
近百年来,柴油机的热效率提高近80%,比功率提高几十倍,空气利用率达90%。当今柴油机的技术水平表现为:优良的燃烧系统；采用4气门技术；超高压喷射；增压和增压中冷；可控废气再循环和氧化催化器；降低噪声的双弹簧喷油器；全电子发动机管理等,集中体现在以采用电控共轨式燃油喷射系统为特征的新一代柴油机上。目前,日本的Nippondeno公司(ECDU2),德国Bosch(ZECCEL)和美国Caterpilla公司(HELII) 是研究和生产共轨式电控喷油系统的主要公司。
增压技术在柴油机上的应用要比汽油机晚一些。早在20年代就有人提出压缩空气提高进气密度的设想，直到1926年瑞士人A.J.伯玉希才第一次设计了一台带废气涡轮增压器的增压发动机。由于当时的技术水平和工艺、材料的限制，还难以制造出性能良好的涡轮增压器，加上二次大战的影响，增压技术为能迅速普及，直到大战结束后，增压技术的研究和应用才受到重视。1950年增压技术才开始在柴油机上使用并作为产品提供市场。
50年代，增压度约为50%，四冲程机的平均有效压力约为0.7—0.8MPa，无中冷，处于一个技术水平较低的发展阶段。其后20多年间，增压技术得到了迅速的发展和广泛地采用。
70年代，增压度达200%以上，正式作为商品提供的柴油机的平均有效压力，四冲程机已达2.0MPa以上，二冲程机已超过1.3MPa，普遍采用中冷，使高增亚（>2.0MPa）四冲程机实用化。单级增压比接近5，并发展了两级增压和超高增压系统，相对于50年代初期刚采用增压技术的发动机技术水平，30年来有了惊人的发展。
进入80年代，仍保持这种发展势头。进排气系统的优化设计，提高充气效率，充分利用废气能量，出现谐振进气系统和MPC增压系统。可变截面涡轮增压器，使得单级涡轮增压比可达到5甚至更高。采用超高增压系统，压力比可达10以上，而发动机的压缩比可降至6以下，发动机的功率输出可提高2—3倍。进一步发展到与动力涡轮复合式二级涡轮增压系统。由此可见，高增压、超高增压的效果是可观的，将发动机的性能提高到了一个崭新的水平。
转动式内燃机
在蒸汽机的发展历史中有从往复活塞式蒸汽机到蒸汽轮机的演化。这一点,对内燃机的发展大有启发的。往复式内燃机运动要通过曲轴连杆机构或凸轮机构、摆盘机构、摇臂机构等,转换为功率输出轴的转动，这样不仅使机构复杂，而且由于转动机构的摩擦损耗,还会降低机械效率。另外由于活塞组的往复运动造成曲柄连杆机构的往复惯性力,这个惯性力与转速的平方成正比。随转速的提高，轴承上的惯性负荷显著增加，并由于惯性力的不平衡而产生强烈的振动。此外，往复式内燃机还有一套复杂的气门控制机构。于是人们设想:既然工具机的运动形式大部分都是轴的转动，能否效法从往复活塞式蒸汽机到蒸汽轮机的路子，使热能直接转化为轴的转动呢？于是人们开始了在这一领域的探索。
燃气轮机
1873年布拉顿(GeorgeBrayton)制造了一种定压燃烧的发动机。该机能提供使燃气完全膨胀到大气压所发出的功率。20世纪初法国的阿曼卡(BeneArmangaud)等成功地应用布拉顿循环原理制成燃气轮机。但是，因当时条件限制,热效率很低未能得到发展。
到30年代,由于空气动力学及耐高温合金材料和冷却系统的进展,为燃气轮机进入实用创造了条件。燃气轮机虽然是内燃机,但它没有像往复式内燃机那样必须在封闭的空间里和限定的时间内燃烧的限制，所以不会发生像汽油机那样令人担心的爆震，也很少像柴油机那样受摩擦损失的限制；且燃料燃烧所产生的气体直接推动叶轮转动，故它的结构简单(与活塞式内燃机相比，其部件仅为它的1/6左右)、质量轻、体积小、运行费用省，且易于采用多种燃料，也较少发生故障。虽然燃气轮机目前尚存在一些缺点：寿命短、需要高级耐热钢材和成本高及排污(主要是NOx)较严重等，致使至今燃气轮机的应用仍局限于飞机、船舶、发电厂和机车，但是由于布拉顿循环的优越性和燃气轮机对燃油的限制少及上述的其它优点,使得它仍为现在和将来人们致力研究的动力技术之一。若突破涡轮入口温度，大大提高热效率，且克服其它缺点，燃气轮机有望取代汽、柴油机。
旋转活塞式发动机
一直以来人们都在致力于建造旋转式发动机，其目标是避免往复式发动机固有的复杂性。在1910年以前，人们曾提出过2000多个旋转发动机的方案。20世纪初，又有许多人提出不同的方案，但大多因结构复杂或无法解决气缸密封问题而不能实现。直到1954年，德国人汪克尔 (FelixWankel)经长期研究，突破了气缸密封这一关键技术，才使具有长短幅圆外旋轮线缸体的三角旋转活塞发动机首次运转成功。转子每转一圈可以实现进气、压缩、燃烧膨胀和排气过程，按奥托循环运转。1962年三角转子发动机作为船用动力，到80年代日本东洋工业公司把它用于汽车引擎。
转子发动机有一系列的优点：
1、它取消了曲柄连杆机构、气门机构等，得以实现高速化。
2、质量轻(比往复式内燃机质量下降1/2到1/3)、结构和操作简单(零件数量比往复式少40%，体积减少50%)。
3、在排气污染方面也有所改善，如NOx产生较少。
但转子发动机也存在着严重的不足之处：
1、.这种结构的密封性能较差，至今只能作为压缩比低的汽油机使用。
2、由于高速带来了扭矩低，组织经济的燃烧过程困难。
3、寿命短、可靠性低以及加工长短轴旋轮线的专用机床构造复杂等。
内燃机的发展趋势
内燃机的发明，至今已有100多年的历史。如果把蒸汽机的发明认为是第一次动力革命,那么内燃机的问世当之无愧是第二次动力革命。因为它不仅是动力史上的一次大飞跃，而且其应用范围之广、数量之多也是当今任何一种别的动力机械无与伦比的。随着科技的发展,内燃机在经济性、动力性、可靠性等诸多方面取得了惊人的进步，为人类做出了巨大贡献。蒸汽机从初创到完成花去了一个世纪的时间，从完成到极盛又走了一个世纪，从极盛到衰落大约也是一个世纪。内燃机的发明也经历了一个世纪的历程，从那时起，人类又前进了一个世纪，可以说如今内燃机已进入了极盛时期。在世纪之交的今天，我们关注内燃机的未来，人们在拭目以待的同时，更希望内燃机能在新的世纪再创辉煌的业绩。这里我将向大家展示新世纪里内燃机的发展趋势。
内燃机增压技术
从内燃机重要参数(压力、温度、转速)的发展规律来看，可以发现这三个参数在1900年以前随着年代的推移提高得很快。而在1900年以后，尤其是1950年以后，温度、转速提高变慢，而平均有效压力随着年代的增加仍直线上升。实践证明：提高平均有效压力可以大幅度地提高效率，减轻质量。而提高平均有效压力的技术就是提高增压度。如柴油机增压可大幅度地缩小柴油机进气管尺寸，并使气缸有足够大的充气效率用于提高柴油机的功率，使之能在一个宽广的转速范围内既提高功率又有大的扭矩。一台增压中冷柴油机可以使功率成倍提高，而造价仅提高15%～30%，即每马力造价可平均降低40%。所以增压、高增压、超高增压是当前内燃机重要的发展方向之一。但是这只是问题的一个方面，另一个方面发动机强化和超强化会给零部件带来过大的机械负荷和热负荷，特别是热负荷问题已成为发动机进一步强化的限制；再就是单级高效率、高压比压气机也限制了增压技术的进一步发展，因此，不是增压度越高越好的。
内燃机电子控制技术
内燃机电子控制技术产生于20世纪60年代后期,通过70年代的发展,80年代趋于成熟。随着电子技术的进一步发展,内燃机电子控制技术将会承担更加重要的任务,其控制面会更宽,控制精度会更高,智能化水平也会更高。诸如燃烧室容积和形状变化的控制、压缩比变化控制、工作状态的机械磨损检测控制等较大难度的内燃机控制将成为现实并得到广泛应用。内燃机电子控制是由单独控制向综合、集中控制方向发展,是由控制的低效率及低精度向控制的高效率及高精度发展的。随着人类进入电子时代,21世纪的内燃机也将步入“内燃机电子时代”,其发展情况将与高速发展的电子技术相适应。内燃机电子控制技术是内燃机适应社会发展需求的主要技术依托,也是内燃机保持21世纪辉煌的重要影响因素。
内燃机材料技术
内燃机使用的传统材料是钢、铸铁和有色金属及其合金。在内燃机发展过程中，人们不断对其经济性、动力性、排放等提出了更高的要求，从而对内燃机材料的要求相应提高。根据内燃机今后的发展目标，对内燃机材料的要求主要集中在绝热性、耐热性、耐磨性、减摩性、耐腐蚀性及热膨胀小、质量轻等方面。要促进内燃机材料的发展,除采用改变材料化学成分与含量来达到零部件所要求的物理、机械性能这一常规方法外，也可采用表面强化工艺来使材料达到所需的要求，但内燃机材料的发展更需要我们去开发适应不同工作状态的新材料。与内燃机传统材料相比，陶瓷材料具有无可比拟的绝热性和耐热性，陶瓷材料和工程塑料(如纤维增强塑料)具有比传统材料优越的减摩性、耐磨性和耐腐蚀性,其比重与铝合金不相上下而比钢和铸铁轻得多。因此,陶瓷材料(高性能陶瓷)凭借其优良的综合性能，可用在许多内燃机零件上，如喷油点火零件、燃烧室、活塞顶等，若能克服脆性、成本等方面的弱点，在新世纪里将会得到广泛应用。工程塑料也可用于许多内燃机零件，如内燃机上的各种罩盖、活塞裙部、正时齿轮、推杆等，随着工艺水平的提高及价格的降低,未来工程塑料在内燃机上的应用将会与日俱增。综合内燃机的各种材料，为扬长避短，在新材料的基础上又开发出了以金属、塑料或陶瓷为基材的各种复合材料,并开始在内燃机上逐渐推广使用。
展望新世纪，在今后一段时期内，钢、铸铁和有色金属及其合金，仍将是内燃机的主要材料。各种表面强化工艺将更加先进，并得到广泛应用。以金属、塑料、陶瓷为基材的各种复合材料将在10年之后进入惊人的高速推广时期，新材料在内燃机上的使用也将同时加速。
内燃机制造技术
内燃机的发展水平取决于其零部件的发展水平，而内燃机零部件的发展水平，是由生产制造技术等因素来决定的。也就是说，内燃机零部件的制造技术水平，对主机的性能、寿命及可靠性有决定性的影响。同样制造技术与设备的关系也是密不可分的，每当新一代设备或工艺材料研制成功，都会给制造技术的革新带来突破性的进展。进入新世纪后，科学技术的发展会异常迅猛,新设备的研制周期将越来越短，因此新世纪内燃机制造技术必将形成迅速发展的局面。
由于铸造技术水平的提高，气冲造型、静压造型、树脂自硬砂造型制芯、消失模铸造，使内燃机铸造的主要零件如机体、缸盖可以制成形状复杂曲面及箱型结构的薄壁铸件。这不仅在很大程度上提高了机体刚度,降低了噪声辐射，而且使内燃机达到轻量化。由于象喷涂、重熔、烧结、堆焊、电化学加工、激光加工等局部表面强化技术的进步，使材料功能得到完善的发挥；由于设备水平提高，加工制造技术向高精度、高效率、自动化方向发展，带动了内燃机零部件生产向高集中化程度发展。另一方面，柔性制造技术的推广，使内燃机产品更新换代具有更大的灵活性和适应性。多品种小批量生产的柔性制造系统引起了内燃机制造商们的广泛认同，也顺应了生产技术发展及市场形势的变化。电子技术及计算机在设计、制造、试验、检测、工艺过程控制上的应用,推动了行业的技术进步，提高了内燃机的产品质量。新材料的发展也推动了内燃机零部件生产工艺的变革，特别是工程塑料、陶瓷材料及复合材料在内燃机上的运用，有力地促进了内燃机制造技术的发展。随着内燃机电控技术的发展，电控系统三大组成部分(传感器、执行器、控制单元)将成为内燃机零部件行业的重要分支，同时向传统的内燃机制造业提出了新的课题。
由此我们可以推断:在21世纪,内燃机制造技术将向高精度、多元化方面飞速发展。它的发展速度和方向不仅关系到内燃机的质量,还直接对内燃机的未来产生重大影响。就其产品技术进步快慢而言,汽车内燃机发展最快,其次是机车、船舶、发电机组、工程机械、农业机械等。
内燃机代用燃料
由于世界石油危机和发动机尾气对环境的污染日益严重，内燃机技术的研究转向高效节能及开发利用洁净的代用燃料。以汽油机和柴油机为基础进行改造或重新设计，开发以天然气、液化石油气和氢气等为燃料的气体发动机为目前和今后一段时间内内燃机技术的重点之一。其中气体发动机的功率恢复技术和氢气发动机的燃烧控制等是其中的重中之重。
综述
内燃机在应用中不断发展，各种内燃机彼此相互竞争，相互渗透，相互综合，从中演化出各种新的混合式发动机。如燃气轮机的发明和发展一方面对柴油机形成竞争，另一方面也补充了柴油机，使柴油机废气涡轮增压得到完善，反过来增强了柴油机的竞争能力。燃气轮机本来也是蒸汽轮机的竞争对手，但人们把燃气轮机和蒸汽轮机这两种按不同热力循环工作的热机联合在一起，构成一种崭新的高效循环:燃气——蒸汽轮机联合循环。热力学第二定律告诉我们，要提高热效率，应尽可能提高热机的加热温度和降低排热温度。蒸汽机的排热温度较低(约300K)，但由于水蒸气本身特性和设备条件的限制，其加热温度不可能太高，目前稳定在800～900K以下。随着冶金和冷却技术的发展，燃气轮机的加热温度一直在上升，目前已达1300～1500K左右；但其排热温度却不能太低，一般为 700～800K，甚至更高。所以这两种热机目前的实际热效率都未超过40%。燃气——蒸汽联合循环，将燃气轮机的排气送进余热锅炉生产蒸气，供蒸汽轮机利用。联合循环可以同时取得燃气轮机加热温度高和蒸汽轮机排热温度低的双重优点。目前此联合循环机组最高热效率已达47%以上。如果把它作为热电并供机组使用，其燃料利用率可达80%左右。
混合动力的意义越来越广，如电动马达加汽油机或柴油机，以应用各自的优点，屏蔽各自的缺点。而日产汽车工业公司则把高性能的发电机兼电动机装入柴油机飞轮的位置,成功地研制出名符其实的混合式发动机，即成功地开发了使两种原理同时作用的原动机(HIMR发动机)。混合式发动机是未来动力技术的热点之一，它极有望成为既不损害人类已获得的方便，又能保持美好环境的机械。
内燃机的发展史表明，具有本质上优越性的新技术，是富有生命力的新生事物，必有广阔的发展前途。第一台实用内燃机热效率只有4%，而当时蒸汽机的热效率已达8%～10%；但内燃机“内燃”本质上的优越性决定了它很快地就超过了蒸汽机。
综上所述,21世纪的内燃机将面临来自各方面的挑战,它将义无返顾地朝着节约能源、燃料多样化、提高功率、延长寿命、提高可靠性、降低排放和噪声、减轻质量、缩小体积、降低成本、简化维护保养等方向迅猛发展。在21世纪,天然气、醇类、植物油及氢等代用燃料将为内燃机增添新的活力,而内燃机电子控制技术在提高品质的同时也延长了内燃机行业的“生命”。新材料、新工艺的技术革命,为21世纪内燃机的发展产生了新的推动力。21世纪的内燃机,将在造福人类的同时不断弥补自身缺陷,以尽可能完美的形象为人类作出新的贡献

收起