1、柴油發動機的發展歷程柴油發動機的發展歷程廣州漁業船舶檢驗分局廣州漁業船舶檢驗分局 梁梁 燕燕 內燃機以其熱效率高、結構湊，內燃機以其熱效率高、結構湊，機動性強，運行維護簡便的優點著稱機動性強，運行維護簡便的優點著稱于世。一百多年以來，內燃機的巨大于世。一百多年以來，內燃機的巨大生命力經久不衰。目前世界上內燃機生命力經久不衰。目前世界上內燃機的擁有量大大超過了任何其它的熱力的擁有量大大超過了任何其它的熱力發動機，在國民經濟中占有相當重要發動機，在國民經濟中占有相當重要的地位。現代內燃機更是成為了當今的地位?，F代內燃機更是成為了當今用量最大、用途最廣、無一與之匹敵用量最大、用途最廣、無一與之匹敵的

2、的最重要的熱能機械。現代內燃機的的最重要的熱能機械?，F代內燃機的最大功率為的最大功率為8萬千瓦。萬千瓦。 l1860年，法國發明家萊諾制成了第一臺實用年，法國發明家萊諾制成了第一臺實用內燃機（單缸、二沖程、無壓縮和電點火的內燃機（單缸、二沖程、無壓縮和電點火的煤氣機，輸出功率為煤氣機，輸出功率為0.741.47KW，轉速為，轉速為100r/min，熱效率為，熱效率為4%）。）。l1862年法國工程師德羅沙認識到，要想盡可年法國工程師德羅沙認識到，要想盡可能提高內燃機的熱效率，就必須使單位氣缸能提高內燃機的熱效率，就必須使單位氣缸容積的冷卻面積盡量減小，膨脹時活塞的速容積的冷卻面積盡量減小，膨脹

3、時活塞的速率盡量快，膨脹的范圍（沖程）盡量長。在率盡量快，膨脹的范圍（沖程）盡量長。在此基礎上，他在提出了著名的等容燃燒四沖此基礎上，他在提出了著名的等容燃燒四沖程循環：進氣、壓縮、燃燒和膨脹、排氣。程循環：進氣、壓縮、燃燒和膨脹、排氣。 1876年，德國人奧托制成了第一年，德國人奧托制成了第一臺四沖程往復活塞式內燃機臺四沖程往復活塞式內燃機（單缸、臥式、以煤氣為燃料、（單缸、臥式、以煤氣為燃料、功率大約為功率大約為2.21KW、180r/min）。在這部發動機上，）。在這部發動機上，奧托增加了飛輪，使運轉平穩，奧托增加了飛輪，使運轉平穩，把進氣道加長，又改進了氣缸把進氣道加長，又改進了氣缸蓋

4、，使混合氣充分形成。這是蓋，使混合氣充分形成。這是一部非常成功的機，奧托把三一部非常成功的機，奧托把三個關鍵的技術思想：內燃、壓個關鍵的技術思想：內燃、壓縮燃氣、四沖程融為一體，使縮燃氣、四沖程融為一體，使這種內燃機具有效率高、體積這種內燃機具有效率高、體積小、質量輕和功率大等一系列小、質量輕和功率大等一系列優點。在優點。在1878年巴黎萬國博覽年巴黎萬國博覽會上會上,被譽為被譽為“瓦特以來動力機瓦特以來動力機方面最大的成就方面最大的成就”。等容燃燒。等容燃燒四沖程循環由奧托實現四沖程循環由奧托實現,也被稱也被稱為奧托循環。為奧托循環。 煤氣機雖然比蒸汽機具有很大的優越性煤氣機雖然比蒸汽機具有

5、很大的優越性,但在社會化大生產情況下但在社會化大生產情況下,仍不能滿足交通運仍不能滿足交通運輸業所要求的高速、輕便等性能。因為它以輸業所要求的高速、輕便等性能。因為它以煤氣為燃料煤氣為燃料,需要龐大的煤氣發生爐和管道系需要龐大的煤氣發生爐和管道系統。而且煤氣的熱值低統。而且煤氣的熱值低(約約1.751072.09107J/m3),故煤氣機轉速慢故煤氣機轉速慢,比功率小。比功率小。到到19世紀下半葉世紀下半葉,隨著石油工業的興起隨著石油工業的興起,用石油用石油產品取代煤氣作燃料已成為必然趨勢。產品取代煤氣作燃料已成為必然趨勢。 1883年，戴姆勒和邁巴赫制成了第一臺四沖程往復式汽油機汽油機，此發

6、動機上安裝了邁巴赫設計的化油器，還用白熾燈管解決了點火問題。以前內燃機的轉速都不超過200r/min，而戴姆勒的汽油機轉速一躍為8001000r/min。它的特點是功率大，質量輕、體積小、轉速快和效率高，特別適用于交通工具。與此同時，本茨研制成功了現在仍在使用的點火裝置和水冷式冷卻器。 柴油機幾乎是與汽油機同時柴油機幾乎是與汽油機同時發展起來的，它們具有許多相同發展起來的，它們具有許多相同點。所以柴油機的發展也與汽油點。所以柴油機的發展也與汽油機有許多相似之處，可以說在整機有許多相似之處，可以說在整個內燃機的發展史上，它們是相個內燃機的發展史上，它們是相互推動的。德國狄塞爾博士于互推動的。德國

7、狄塞爾博士于1892年獲得壓縮點火壓縮機的技年獲得壓縮點火壓縮機的技術專利術專利1897年制成了第一臺壓縮年制成了第一臺壓縮點火的點火的“狄塞爾狄塞爾”內燃機，即柴內燃機，即柴油機，從此揭開了柴油機發展的油機，從此揭開了柴油機發展的新編章。新編章。 柴油機的高壓縮比帶來眾多的優點：柴油機的高壓縮比帶來眾多的優點：1、不但可以省去化油器和點火裝置，提高了熱效率。、不但可以省去化油器和點火裝置，提高了熱效率。2、柴油機由于其壓縮比大、柴油機由于其壓縮比大,最大功率點、單位功率最大功率點、單位功率的油耗低。在現代優秀的發動機中的油耗低。在現代優秀的發動機中,柴油機的油耗約柴油機的油耗約為汽油機的為汽

8、油機的70%，柴油機是目前熱效率最高的內燃，柴油機是目前熱效率最高的內燃機。機。3、柴油機因為壓縮比高、柴油機因為壓縮比高,發動機結實發動機結實,故經久耐用、故經久耐用、壽命長。壽命長。同時高壓縮比也帶來了缺點同時高壓縮比也帶來了缺點:1、柴油機的結構笨重。通常柴油的單位功率質量約、柴油機的結構笨重。通常柴油的單位功率質量約為汽油為汽油 機的機的1.53倍。倍。2、在同一排量下、在同一排量下,柴油機的輸出功率約為汽油機的柴油機的輸出功率約為汽油機的1/3。 當今柴油機的技術水平表現為:優良的燃燒系統；采用4氣門技術；超高壓噴射；增壓和增壓中冷；可控廢氣再循環和氧化催化器；降低噪聲的雙彈簧噴油器

9、；全電子發動機管理等,集中體現在以采用電控共軌式燃油噴射系統為特征的新一代柴油機上。 內燃機的發展趨勢內燃機的發展趨勢內燃機增壓技術內燃機增壓技術 增壓技術在柴油機上的增壓技術在柴油機上的應用。早在應用。早在20年代就有人提年代就有人提出壓縮空氣提高進氣密度的出壓縮空氣提高進氣密度的設想，直到設想，直到1926年瑞士人年瑞士人A.J.伯玉希才第一次設計了伯玉希才第一次設計了一臺帶廢氣渦輪增壓器的增一臺帶廢氣渦輪增壓器的增壓發動機。由于當時的技術壓發動機。由于當時的技術水平和工藝、材料的限制，水平和工藝、材料的限制，還難以制造出性能良好的渦還難以制造出性能良好的渦輪增壓器，加上二次大戰的輪增壓器

10、，加上二次大戰的影響，增壓技術未能迅速普影響，增壓技術未能迅速普及，直到大戰結后，增壓技及，直到大戰結后，增壓技術的研究和應用才受到重視。術的研究和應用才受到重視。1950年增壓技術才開始在柴年增壓技術才開始在柴油機上使用并作為產品提供油機上使用并作為產品提供市場。市場。50年代，增壓度約為年代，增壓度約為50%，四沖程機的平均有效，四沖程機的平均有效壓力約為壓力約為0.70.8MPa。 發動機發動機發動機進氣發動機進氣 發動機排發動機排氣氣渦輪增壓器渦輪增壓器 70年代，增壓度達年代，增壓度達200%以上，四沖程機已達以上，四沖程機已達2.0MPa以上，二沖程機已以上，二沖程機已1.3MPa

11、，普遍采用中冷，使高增壓普遍采用中冷，使高增壓（2.0MPa）四沖程機實用）四沖程機實用化。單級增壓比接近化。單級增壓比接近5，并發，并發展了兩級增壓和超高增壓系展了兩級增壓和超高增壓系統。統。 80年代，仍保持這種發展年代，仍保持這種發展勢頭。進排氣系統的優化設勢頭。進排氣系統的優化設計，提高充氣效率，充分利計，提高充氣效率，充分利用廢氣能量，出現諧振進氣用廢氣能量，出現諧振進氣系統和系統和MPC增壓系統。可變增壓系統?？勺兘孛鏈u輪增壓器，使得單級截面渦輪增壓器，使得單級渦輪增壓比可達到渦輪增壓比可達到5甚至更高。甚至更高。采用超高增壓系統，壓力比采用超高增壓系統，壓力比可達可達10以上，而

12、發動機的壓以上，而發動機的壓縮比可降至縮比可降至6以下發動機的功以下發動機的功率輸出可提高率輸出可提高23倍。進一倍。進一步發展到與動力渦輪復合式步發展到與動力渦輪復合式二級渦輪增壓系統。提高平二級渦輪增壓系統。提高平均有效壓力可以大幅度地提均有效壓力可以大幅度地提高效率，減輕量。一臺增壓高效率，減輕量。一臺增壓中冷柴油機可以使功率成倍中冷柴油機可以使功率成倍提高，而造價僅提高提高，而造價僅提高15%30%，即每馬力造價可平均，即每馬力造價可平均降低降低40%。 內燃機電子控制技術內燃機電子控制技術 內燃機電子控制技術產生內燃機電子控制技術產生于于20世紀世紀60年代后期年代后期,通過通過70

13、年代的發展年代的發展,80年代趨于成熟。年代趨于成熟。隨著電子技術的進一步發展隨著電子技術的進一步發展,內燃機電子控制技術內燃機電子控制技術,其控制其控制面會更寬面會更寬,控制精度會更高控制精度會更高,智能化水平也會更高。諸如智能化水平也會更高。諸如燃燒室容積和形狀變化的控燃燒室容積和形狀變化的控制、壓縮比變化控制、工作制、壓縮比變化控制、工作狀態的機械磨損檢測控制等狀態的機械磨損檢測控制等較大難度的內燃機控制將成較大難度的內燃機控制將成為現實并得到廣泛用。內燃為現實并得到廣泛用。內燃機電子控制是由單獨控制向機電子控制是由單獨控制向綜合、集中控制方向發展綜合、集中控制方向發展,是是由控制的低效

14、率及低精度向由控制的低效率及低精度向控制的高效率及高精度發展控制的高效率及高精度發展的。內燃機電子控制技術是的。內燃機電子控制技術是內燃機適應社會發展需求的內燃機適應社會發展需求的主要技術依托主要技術依托,也是內燃機保也是內燃機保持持21世紀輝煌的重要影響因世紀輝煌的重要影響因素。素。內燃機材料技術內燃機材料技術 內燃機使用的傳統材料是鋼、鑄鐵和有色金屬及其合金。內燃機使用的傳統材料是鋼、鑄鐵和有色金屬及其合金。在內燃機發展過程中，人們不斷對其經濟性、動力性、排在內燃機發展過程中，人們不斷對其經濟性、動力性、排放等提出了更高的要求，從而對內燃機材料的要求相應提放等提出了更高的要求，從而對內燃機

15、材料的要求相應提高。對內燃機材料的要求主要集中在絕熱性、耐熱性、耐高。對內燃機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、質量輕等方面?，F磨性、減摩性、耐腐蝕性及熱膨脹小、質量輕等方面。現代的陶瓷材料具有無可比擬的絕熱性和耐熱性，陶瓷材料代的陶瓷材料具有無可比擬的絕熱性和耐熱性，陶瓷材料和工程塑料和工程塑料(如纖維增強塑料如纖維增強塑料)具有比傳統材料優越的減摩性、具有比傳統材料優越的減摩性、耐磨性和耐腐蝕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其比重與鋁合金不相上下而比鋼和鑄鐵輕得多。因此輕得多。因此,陶瓷材料陶瓷材料(高性能陶瓷高性能陶瓷)憑借其優

16、良的綜合性憑借其優良的綜合性能，可用在許多內燃機零件上，如噴油點火零件、燃燒室、能，可用在許多內燃機零件上，如噴油點火零件、燃燒室、活塞頂等應用。若能克服脆性、成本等方面的弱點，在新活塞頂等應用。若能克服脆性、成本等方面的弱點，在新世紀里將會得到廣泛應用。工程塑料也可用于許多內燃機世紀里將會得到廣泛應用。工程塑料也可用于許多內燃機零件，如內燃機上的各種罩蓋、活塞裙部、正時齒輪、推零件，如內燃機上的各種罩蓋、活塞裙部、正時齒輪、推桿等，隨著工藝水平的提高及價格的降低桿等，隨著工藝水平的提高及價格的降低,未來工程塑料在未來工程塑料在內燃機上的應用將會與日俱增。內燃機上的應用將會與日俱增。l精細陶瓷

17、又稱高性能陶瓷、高技術陶瓷。按其用途可分成工程陶瓷和功能陶瓷兩大類。前者主要利用它們的高硬度、高熔點、耐磨損、耐腐蝕性能；后者主要利用它們的光、聲、電、熱、磁等物理特性。按化學組成可分成氧化物類和非氧化物類。前者包括各種氧化物和含氧酸鹽；后者包括氮化物、碳化物、硼化物等。前一類一般作功能陶瓷用，后一類作工程陶瓷用。精細陶瓷主要用于制造發動機部件、汽車部件、電視機、吹風機、火災警報器、高溫擠型模具等，還可用于制造耐高溫噴嘴。l納米級的材料稱為納米材料,納米（）是長納米（）是長度單位，度單位，1納米是納米是10 米米 （一納米為10億分之一米）人的頭發絲的直徑一般為人的頭發絲的直徑一般為70008

18、000，紅細胞的直徑一般為，紅細胞的直徑一般為3000-5000，l納米材料主要特性：l高抗菌、防污、耐磨、強度大（鋼的100倍）、材料輕（鋼的1/10）l納米碳化硅是高溫納米碳化硅是高溫,高頻和高壓等苛刻環境下理高頻和高壓等苛刻環境下理想的結構和功能材料，在航空航天、國防和原子想的結構和功能材料，在航空航天、國防和原子能等領域有重要的應用。碳化硅納米線具有良好能等領域有重要的應用。碳化硅納米線具有良好的彈性和柔韌性，是一種比碳化硅微米晶須性能的彈性和柔韌性，是一種比碳化硅微米晶須性能更好的金屬、陶瓷和樹脂復合材料增強劑。更好的金屬、陶瓷和樹脂復合材料增強劑。 內燃機代用燃料內燃機代用燃料由于世界石油危機和發動機尾氣對環境的污染日由于世界