柴油机的历史

2023年12月25日发(作者：二手荣威750为什么这么便宜)

柴油机的历史

--- 18世纪后半期，欧洲各国在迎来巨大转折期的产业革命时，诞生了世界首辆汽车。第1辆汽车是蒸气汽车。但是，对于持续扩大的产业，蒸气机已无法适应，渐渐地在汽车和汽油发动车等的发动机内部，在燃烧后产生动力，再转移到为内燃机。其中便诞生了具有良好热効率的柴油发动机。

--- 1858年、鲁道夫·迪赛尔出生在欧洲唯一的百万人口的城市巴黎。在当时的巴黎，在工学·科学方面都享有最高水平的技术。在他12岁以前，经常接触最先进的技术。之后、在短时间内他移居到伦敦，从蒸气机上感触许多。他不久就对机器产生了兴趣，决定去工业学校学习。发明柴油发动机和他成长的环境分不开。

--- 改变鲁道夫·迪赛尔人生的是和慕尼黑的工科大学的教授的相遇。这位教授叫卡尔?林德。从使用近代冷冻技术开始，在学习了当时各种最先端技术后的他，决定开发具有良好热効率的动力机。大学毕业后，在恩师林德的冷冻机公司工作。结婚后有了3个孩子的他，一边开发冷冻机，一边进行不同于柴油发动机和汽油发动机的高效率发动机的研究。这是他已经开始考虑当时独有的发动机。

--- 在数次失败后，1892年、鲁道夫·迪赛尔先生发表了名为「今天大家知道的蒸气发动机和取代内燃发动机的合理的热发动机的理论和设计」的论文，第二年就取得了专利。长年的研究终于有了成果。在该论文中，叙述了两个柴油发动机的基本原理。一个是燃料和空气分别送入燃烧室，在产生混合气的同时燃烧，这是「不均一混合」的原则。另外一个是爆发时不使用火花塞「自然着火（圧缩着火）」的原则。他到处传播该革新的理念。为了实现柴油发动机，最终获得了赞助。

--- 在鲁道夫·迪赛尔先生着手研究柴油发动机的实用性时，很快在这一年试作了第1号发动机。但是，由于无法用自力运转，最终失败了。在几次三番的改良之后，只要用一点点力就可以自行运转了。但是，构造复杂无法推向市场。真正实现实用化的是第3号发动机。侧阀型4缸，通过圧缩空气将燃料吹入燃烧室，然后采用圧缩点火的方式。起初重量重，占地方，所以用作陆地上安装用的发动机，被用在了火柴工场。在此之后，受到全世界关注的柴油机和许多公司签订了合同。之后，柴油机摆脱了耐久性差、重量大等的各种问题，从船舶到铁路，而且发展到了汽车的发动机

柴油机的历史起源于汽车动力，从技术上看历史：

汽油机之前的摸索阶段

18世纪中叶，瓦特发明了蒸气机，此后人们开始设想把蒸汽机装到车子上载人。法国的居纽（）是第一个将蒸汽机装到车子上的人。1770年，居纽制作了一辆三轮蒸汽机车。这辆车全长7.23米，时速为3.5公里,是世界上第一辆蒸汽机车。1771年古诺改进了蒸汽汽车，时速可达9.5千米，牵引4-5吨的货物。

蒸汽机汽车

1858年，定居在法国巴黎的里诺发明了煤气发动机，并于1860年申请了专利。发动机用煤气和空气的混合气体取代往复式蒸汽机的蒸汽，使用电池和感应线圈产生电火花，用电火花将混合气点燃爆发。这种发动机有气缸、活塞、连杆、飞轮等。煤气机是内燃机的初级产品，因为煤气发动机的压缩比为零。

1867年，德国人奥托（Nicolaus August Otto）受里诺研制煤气发动机的启发，对煤气发动机进行了大量的研究，制作了一台卧式气压煤气发动机，后经过改进，于1878年在法国举办的国际展览会上展出了他制作的样品。由于该发动机工作效率高，引起了参观者极大的兴趣。在长期的研究过程中，奥托提出了内燃机的四冲程理论，为内燃机的发明奠定了理论基础。德国人奥姆勒和卡尔·本茨根据奥托发动机的原理，各自研制出具有现代意义的汽油发动机，为汽车的发展铺平了道路。

1892年，德国工程师狄塞尔根据定压热功循环原理，研制出压燃式柴油机，并取得了制造这种发动机的专利权。

奔驰的单缸二冲程汽油发动机

1886年被视为汽车的诞生日，那辆奔驰一直为人所津津乐道。但是其动力单元却实在“寒酸”：第一辆“三轮奔驰”搭载的卧式单缸二冲程汽油发动机，最高时速16KM每小时。这就是第一辆汽车的发动机，那时勇敢卡尔奔驰的夫人驾驶这辆奔驰1号上坡还需要儿子推车，当然沿途不停的熄火，转向也不灵，回娘家100公里的路程硬是走了一整天。

四冲程发动机的应用

四冲程发动机其实早就由德国人奥托研制出来了。但应用的汽车上不得不提戴姆勒，他由于协助奥托研制四冲程发动机的原因而成为了第一个将四冲程发动机装上汽车的人。显然，从四冲程到二冲程是个巨大的进步。四冲程发动机的平衡性与燃烧效率都更加好。如今的汽车发动机技术已经基本全部用的是四冲程技术。而在发动机的基本运行方式确定后，却有人又向传统发出了挑战。

转子式发动机

1957年，德国人汪克尔发明了转子活塞发动机，这是汽油发动机发展的一个重要分支。转子发动机的特点是利用内转子圆外旋轮线和外转子圆内旋轮线相结合的机构，无曲轴连杆和配气机构，可将三角活塞运动直接转换为旋转运动。它的零件数比往复活塞式汽油少40%，质量轻、体积小、转速高、功率大。1958年汪克尔将外转子改为固定转子为行星运动，制成功率为22.79千瓦、转速为5500转/分的新型旋转活塞发动机。该机具有重要的开发价值，因而引起各国的重视。日本东洋公司（马自达公司）买下了转子发动机的样机，并把转子发动机装在汽车上，可以说，转子发动机生在德国，长在日本。如今转子发动机依然只是马自达一家公司在用，不知道马自达这门独门技术何时能全面开花。

发动机的工作形式确定后，就是发动机技术的完善了，随着时间的推移，好多发动机的经典设计都已经不能满足人们的需求了。

化油器式发动机

化油器最早诞生于1892年，由美国人杜里埃发明。随着技术的演进，化油器功能愈加完备，直到上个世纪中后期，化油器已经分为五部分：主供油系统、起动系统、怠速系统、大负荷加浓系统（省油器）和加速系统。五部分的作用在于：根据发动机在不同情况下的需要，将汽油气化，并与空气按一定比例混合成可燃混合气，及时适量进入气缸。

化油器的优点有：能够将内燃机的油气比控制在理想的水平上，不论天候、温度，永远进行着一成不变的工作。而且化油器的成本低、可靠度高，维修、保养容易。当然化油器也存在许多弱点：比如，在冷车启动、怠速运转、急加速或低气压环境等，这样固定的供油方式实际上并无法全面满足引擎的运转需求，甚至可能因而产生黑烟、燃烧不全与马力不足等状况。因此，2002年起，中国已经明令禁止销售化油器轿车，此后所有车型都改用电喷发动机。

当然目前在马路上跑的还有化油器式的发动机，随着时间的推移，化油器式发动机将彻底退出历史的舞台。

电喷发动机

电喷提供最早出现于1967年，由德国保时捷公司研制的D型电子喷射装置，随后被用在大众等德系轿车上。这种装置是以进气管里面的压力做参数，但是它与化油器相比，仍然存在结构复杂，成本高，不稳定的缺点。针对这些缺点，波许公司又开发了一种称为L型电子控制汽油喷射装置，它以进气管内的空气流量做参数，可以直接按照进气流量与发动机转速的关系确定进气量，据此喷射出相应的汽油。这种装置由于设计合理，工作可靠，广泛为欧洲和日本等汽车制造公司所采用，并奠定了今天电子控制燃油喷射装置的雏形。

目前为止，电喷系统的行车电脑会随时侦测引擎温度、进气流量、转速变化、震动状况，并依照实际需求调整供油量与点火时间，因此在动力输出、燃油经济与排污表现上可以取得相当不错的平衡。同时为了增加发动机进气量，提高燃油效率，发动机从早期的单点喷射，演化至多点喷射，气门数量从两个增加至五个。目前最先进的当属搭载VVT可变气门技术的电喷发动机。

总体而言，电喷供油系统的最大优点就是燃油供给之控制十分精确，让引擎在任何状态下都能有正确的空燃比，不仅让引擎保持运转顺畅，其废气也能合乎环保法规的规范。然而，电喷供油系统并不是最科学的。由于内燃机构造的先天限制，电喷喷嘴安装在气门旁，只有在气门打开时才能完成油气喷射，因此喷射会受到开合周期的影响，产生延迟，因而影响电脑对喷射时间的控制。不过好在这一问题已经被缸内直喷技术解决了。

缸内直喷发动机

近两年，当欧美厂商意识到电喷技术的研发已经进入瓶颈期，于是缸内直喷技术成为了各大厂商的主攻方向。目前市场上备受关注的缸内直喷发动机包括：奥迪FSI缸内直喷发动机、凯迪拉克SIDI双模直喷发动机。

与电喷发动机相比，缸内直喷发动机的喷油嘴被移到了汽缸内部，因此缸内油气的量不会受气门开合的影响，而是直接由电脑自动决定喷油时机与份量，至于气门则仅掌管空气的进入时程，两者则是在进入到汽缸内才进行混合的动作。由于油、气的混合空间、时间都相当短暂，因此缸内直喷系统必须依靠高压将燃油从喷油嘴压入汽缸，以达到高度雾化的效果，从而更好的进行油气混合。

其中混合油气的压缩比越高的发动机，它的动力表现越强大，相应的节能效果越明显。奥迪3.2升FSI缸内直喷发动机的压缩比达到了10.3：1；凯迪拉克3.6升SIDI 双模缸内直喷发动机的压缩比达到了11.3：1。此外，缸内直喷系统的燃烧室、活塞也大多具有特殊的导流槽，以供油气在进入燃烧室后能够产生气旋涡流，来提高混合油气的雾化效果与燃烧效率。

一般而言，应用了缸内直喷技术的发动机要比同排量的多点喷射发动机的峰值功率提升10%至15%，而峰值扭矩能提升5%至10%。这样的提升，可谓是一种质变，而单靠增加气门数量是难以达到这一效果的。

发动机新技术的不断涌现：

在发动机的工作方式和喷油方式确定后，发动机的进化之路并没有终止，在发动机技术的完善上一代一代的汽车人在做着不懈的努力。有些完善甚至都没办法记录。很显然现在的发动机运转更加平顺了，抖动也不是那么激烈了。燃油经济性也更好了，马力更足了。而这些都是依赖于新技术的运用。为了改善进气就有了：本田的ECVT,丰田的VVT-I,现代的CVVT，通用的DVVT等可变气门正时技术；为了获得更好的空燃比，就有了大众的TFSI分层喷射技术，VIS可变进气道技术，涡轮增压中冷技术等等；为了使环境污染最小在排气管里又增加了氧传感器，三元催化转化器，以及废弃在循环技术。

内燃机发展史

1824年，卡诺（Sadi Carnot）曾发表了热力发动机的经典理论—卡诺原理，过了半个世纪以后，即1876年，德国人奥托才发明了四冲程煤气机。当时该机压缩比约为2.5，其热效率为10～12%，此后的十八年间垄断了市场，承袭了当时处于全盛时期的蒸汽机的宝座。

1883年，法国任达木烈尔（Daimler）制成了用热管点火的立式汽油机，在当时内燃机的最高转速也只不过200r/min，而他制作的汽油机竟达到1000r/min，1887年该机装在汽车上使用。与此同时，法国人奔驰（Benz）也开始研究高速内燃机。1890年左右，他应用了电火花点火法，使汽油机达到了与现今车用汽油机几乎相同的型式，高速机获得了迅速地发展。现在汽油机的转速为4000～5000r/min是很平常的，最高的已达到12000r/min。

在1897年,法国人鲁道夫.狄赛尔（Rudorf Diesel）最早制成了柴油机。该机在转速为172r/min时,发出14.7kW，其热效率达26.2％，这在当时已是最高的热效率了。从此以后，柴油机得到迅速发展，1903年首先装在船上，四年后即1907年，用于潜艇的正反转的柴油机试验成功。1912年装在远洋货轮上的柴油机首次远航试验起功。该船载重7000T（吨），航速11kn（节），柴油机的缸径D＝530mm，活塞行程S＝780mm，在140r/min时，输出功率Ne＝1471kW。

在1926年就有人设计出利用排气能量将进气压缩的废气涡轮增压器。但由于当时未能制造出性能良好的增压器而使增压技术多年得不到普及和推广。第二次世界大战后，随着人们对废气涡轮的研究，在耐热材料和压气机方面取得了显著的进展。另一方面，由于生产技术的发展，于是从1950年左右起，才开始在柴油机上采用增压方式。而如今的船用柴油机几乎已达到“无机不增压”的程度，因为增压后，柴油机的功率能提高1～3倍。废气涡轮增压对提高柴油机的性能作出了重大的贡献。

内燃机的发展大事记：

1824年，卡诺（法国工程师）发表了热力发动机的经典理论--卡诺原理。

1866年，奥托（德国工程师）提出了四冲程内燃机的“奥托循环”理论。

1879年，奔驰（德国工程师）首次研制成功火花塞点火内燃机。

1883年，戴姆勒（德国工程师）发明热管点火的立式汽油机。

1897年，狄赛尔（德国著名热机工程师）最早制成了柴油机。

1903年，柴油机首先装在船上。

1907年，用于潜艇的正反转的柴油机试验成功。

1912年，远洋货轮上的柴油机首次远航试验成功。

1926年，有人设计出用排气能量将进气压缩的废气涡轮增压器。

1925年，比希获得了脉冲增压专利并在试验中获得了成功。

1936年，梅塞德斯-奔驰公司制造了第一台装有柴油机的轿车。

1950年起，开始在柴油机上采用增压方式。

柴油机是用柴油作燃料的内燃机。柴油机属于压缩点火式发动机，它又常以主要发明者狄塞尔的名字被称为狄塞尔引擎。

柴油机可按不同特征分类：按转速分为高速、中速和低速柴油机；按燃烧室的型式分为直接喷射式、涡流室式和预燃室式柴油机等；按气缸进气方式分为增压和非增压柴油机；按气体压力作用方式分为单作用式、双作用式和对置活塞式柴油机等；按用途分为船用柴油机、机车柴油机等。

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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