柴油發動機的發展歷程廣州漁業船舶檢驗分局梁燕

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的地位。現代內燃機更是成為了當今用量最大、用途最廣、無一與之匹敵的的最重要的熱能機械。現代內燃機的最大功率為8萬千瓦。

1860年，法國發明家萊諾制成了第一臺實用內燃機（單缸、二沖程、無壓縮和電點火的煤氣機，輸出功率為0.74—1.47KW，轉速為100r/min，熱效率為4%）。1862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，就必須使單位氣缸容積的冷卻面積盡量減小，膨脹時活塞的速率盡量快，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臺四沖程往復活塞式內燃機（單缸、臥式、以煤氣為燃料、功率大約為2.21KW、180r/min）。在這部發動機上，奧托增加了飛輪，使運轉平穩，把進氣道加長，又改進了氣缸蓋，使混合氣充分形成。這是一部非常成功的機，奧托把三個關鍵的技術思想：內燃、壓縮燃氣、四沖程融為一體，使這種內燃機具有效率高、體積小、質量輕和功率大等一系列優點。在1878年巴黎萬國博覽會上,被譽為“瓦特以來動力機方面最大的成就”。等容燃燒四沖程循環由奧托實現,也被稱為奧托循環。

煤氣機雖然比蒸汽機具有很大的優越性,但在社會化大生產情況下,仍不能滿足交通運輸業所要求的高速、輕便等性能。因為它以煤氣為燃料,需要龐大的煤氣發生爐和管道系統。而且煤氣的熱值低(約1.75×107～2.09×107J/m3),故煤氣機轉速慢,比功率小。到19世紀下半葉,隨著石油工業的興起,用石油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，此發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800—1000r/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，它們是相互推動的。德國狄塞爾博士于1892年獲得壓縮點火壓縮機的技術專利1897年制成了第一臺壓縮點火的“狄塞爾”內燃機，即柴油機，從此揭開了柴油機發展的新編章。

1898年B&W公司從狄塞爾那里獲得了柴油機在丹麥的生產特許權并于1903年制造出第一臺柴油機DM8150X型柴油機（8缸4沖程、缸徑530毫米、行程750毫米1912年，瑞士蘇爾壽公司為了展示柴油機的潛力，投資建造了一臺缸徑為1000毫米，沖程1100毫米的1S100型單缸巨型柴油機。這臺柴油機在150轉時可發出1470千瓦（2000馬力）的功率。在二戰前，雙動式的二沖程柴油機比較流行。這種柴油機在活塞的上下兩邊都設有燃燒室，可以推動活塞在兩個方向都做功，因此稱為雙動。雙動比單動能輸出更大的功率，雙動柴油機的設計與蒸汽機的結構頗為相似。不過雙動柴油機的結構比較復雜，而且活塞桿穿透氣缸，因此對氣密要求很高，現代柴油機已經不再采用這種雙動的方式了。

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。

2、柴油機由于其壓縮比大,最大功率點、單位功率的油耗低。在現代優秀的發動機中,柴油機的油耗約為汽油機的70%，柴油機是目前熱效率最高的內燃機。

3、柴油機因為壓縮比高,發動機結實,故經久耐用、壽命長。

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為汽油機的1.5～3倍。

2、在同一排量下,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；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。14RT-flex96C船用柴油機代表了當今低速船用柴油機的水平，這是世界上首臺14缸柴油機，采用了完善的RT-flex共軌技術，通過增大行程/缸徑比，提高了推進效率；該機持續輸出最大功率80080千瓦，轉速102轉/分，缸徑960毫米，沖程2.5米，燃油消耗為160克/千瓦小時。該機長27.3米，高13.5米，重達2300噸，僅曲軸就重達300噸。其中最大最豪華的是“海上綠洲”（MSOasisoftheSea）級游輪。她們船長361.8米，水線寬度47米，最大寬度60.5米，型深22.55米，吃水9.3米，總噸位225282噸，擁有16層甲板。船的內部設有電影院、餐廳、健身俱樂部、溜冰場，生活和娛樂設施一應俱全，是一座海上的超五星級酒店。“海上綠洲”采用了瓦錫蘭公司的V46D系列柴油機作為主機，缸徑460毫米，行程580毫米，轉速為500轉/分。其中三臺為12V46D12缸機型（單臺功率13860千瓦/18590馬力），另三臺為16V46D16缸機型（單臺功率18480千瓦/24780馬力）。這些柴油機帶動發電機發電，產生的電流用于驅動3臺ABB公司生產20000千瓦吊艙式電力全向推進置。三臺為12V46D12缸機型（單臺功率13860千瓦/18590馬力），另三臺為16V46D16缸機型（單臺功率18480千瓦/24780馬力）。這些柴油機帶動發電機，產生的電流用于驅動3臺ABB公司生產20000千瓦吊艙式電力向推置。

內燃機的發展趨勢

內燃機增壓技術

增壓技術在柴油機上的應用。早在20年代就有人提出壓縮空氣提高進氣密度的設想，直到1926年瑞士人A.J.伯玉希才第一次設計了一臺帶廢氣渦輪增壓器的增壓發動機。由于當時的技術水平和工藝、材料的限制，還難以制造出性能良好的渦輪增壓器，加上二次大戰的影響，增壓技術未能迅速普及，直到大戰結后，增壓技術的研究和應用才受到重視。1950年增壓技術才開始在柴油機上使用并作為產品提供市場。50年代，增壓度約為50%，四沖程機的平均有效壓力約為0.7—0.8MPa。

發動機發動機進氣

發動機排氣渦輪增壓器

70年代，增壓度達200%以上，四沖程機已達2.0MPa以上，二沖程機已1.3MPa，普遍采用中冷，使高增壓（>2.0MPa）四沖程機實用化。單級增壓比接近5，并發展了兩級增壓和超高增壓系統。

80年代，仍保持這種發展勢頭。進排氣系統的優化設計，提高充氣效率，充分利用廢氣能量，出現諧振進氣系統和MPC增壓系統。可變截面渦輪增壓器，使得單級渦輪增壓比可達到5甚至更高。采用超高增壓系統，壓力比可達10以上，而發動機的壓縮比可降至6以下發動機的功率輸出可提高2—3倍。進一步發展到與動力渦輪復合式二級渦輪增壓系統。提高平均有效壓力可以大幅度地提高效率，減輕量。一臺增壓中冷柴油機可以使功率成倍提高，而造價僅提高15%～30%，即每馬力造價可平均降低40%。

內燃機電子控制技術

內燃機電子控制技術產生于20世紀60年代后期,通過70年代的發展,80年代趨于成熟。隨著電子技術的進一步發展,內燃機電子控制技術,其控制面會更寬,控制精度會更高,智能化水平也會更高。諸如燃燒室容積和形狀變化的控制、壓縮比變化控制、工作狀態的機械磨損檢測控制等較大難度的內燃機控制將成為現實并得到廣泛用。內燃機電子控制是由單獨控制向綜合、集中控制方向發展,是由控制的低效率及低精度向控制的高效率及高精度發展的。內燃機電子控制技術是內燃機適應社會發展需求的主要技術依托,也是內燃機保持21世紀輝煌的重要影響因素。

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。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。現代的陶瓷材料具有無可比擬的絕熱性和耐熱性，陶瓷材料和工程塑料(如纖維增強塑料)具有比傳統材料優越的減摩性、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輕得多。因此,陶瓷材料(高性能陶瓷)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、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,未來工程塑料在內燃機上的應用將會與日俱增。精細陶瓷又稱高性能陶瓷、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。納米級的材料稱為納米材料,納米（ｎｍ）是長度單位，1納米是10

－９米

（一納米為10億分之一米）人的頭發絲的直徑一般為7000—8000ｎｍ，紅細胞的直徑一般為3000-5000ｎｍ，納米材料主要特性：高抗菌、防污、耐磨、強度大（鋼的100倍）、材料輕（鋼的1/10）納米碳化硅是高溫,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更好的金屬、陶瓷和樹脂復合材料增強劑。

內燃機制造技術

內燃機的發展水平取決于其零部件的發展水平，而內燃機零部件的發展水平，是由生產制造技術等因素來決定的。也就是說，內燃機零部件的制造技術水平，對主機的性能、壽命及可靠性有決定性的影響。由于鑄造技術水平的提高，氣沖造型、靜壓造型、樹脂自硬砂造型制芯、消失模鑄造，使內燃機鑄造的主要零件如機體、缸蓋可以制成形狀復雜曲面及箱型結構的薄壁鑄件。這不僅在很大程度上提高了機體剛度,降低了噪聲輻射，而且使內燃機達到輕量化。由于設備水平提高，加工制造技術向高精度、高效率、自動化方向發展，帶動了內燃機零部件生產向高集中化程度發展。電子技術及計算機在設計、制造、試驗、檢測、工藝過程控制上的應用,推動了行業的技術進步，提高了