0.2 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，主要的分類方式有：①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；②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；③按著火方式不同，分為點(diǎn)燃式和壓燃式；④按冷卻方式不同，分為水冷式和風(fēng)冷式；⑤按汽缸排列形式不同，分為直列式、Ⅴ形、對(duì)置式、星形等；⑥按汽缸數(shù)不同，分為單缸內(nèi)燃機(jī)和多缸內(nèi)燃機(jī)等；⑦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。

1．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，就必須使單位汽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、轉(zhuǎn)速為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)了汽缸蓋，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”。又因?yàn)榈热萑紵臎_程循環(huán)由奧托實(shí)現(xiàn)，因此被稱為奧托循環(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悦簹鉃槿剂希枰嫶蟮拿簹獍l(fā)生爐和管道系統(tǒng)，并且煤氣的熱值低（約1.75×107～2.09×107J/m3），因此煤氣機(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)。

2．汽油機(jī)

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19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20世紀(jì)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；接下來(lái)是20世紀(jì)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。

近年來(lái)，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(guò)程，可以把汽油機(jī)的發(fā)展分為四個(gè)階段。

（1）第一階段是20世紀(jì)最初20年，為適應(yīng)交通運(yùn)輸?shù)囊螅蕴岣吖β屎捅裙β蕿橹鳌２扇〉闹饕夹g(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)?9 世紀(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。

（2）第二階段是20世紀(jì)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%。

（3）第三階段是從20世紀(jì)20年代后期到20世紀(jì)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，這一應(yīng)用為提高汽油機(jī)的功率和熱效率開辟了新的途徑。但是其真正的廣泛應(yīng)用，是在20世紀(jì)50年代后期。

（4）第四階段從20世紀(jì)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；廢氣再循環(huán)及三元催化等排氣凈化技術(shù)等。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20世紀(jì)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，可將噴油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)電動(dòng)機(jī)作為執(zhí)行元件來(lái)控制噴油量和噴油定時(shí)。

3．柴油機(jī)

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做燃料。

（2）柴油機(jī)由于其壓縮比大，最大功率點(diǎn)的單位功率的油耗低。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(lái)了以下缺點(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，在不增壓的情況下可達(dá)汽油機(jī)的1.5 倍左右。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)把燃料直接噴入汽缸，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)、采用四氣門技術(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世紀(jì)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)。

20世紀(jì)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。其后的20多年間，增壓技術(shù)得到了迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用。

20世紀(jì)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，使高增壓（>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20世紀(jì)50年代初期剛采用增壓技術(shù)的發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)水平有了驚人的發(fā)展。

進(jìn)入20世紀(jì)80年代，仍保持了這種發(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，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。本書后續(xù)章節(jié)將重點(diǎn)介紹往復(fù)活塞式內(nèi)燃機(jī)。