0.2 往复活塞式内燃机

往复活塞式内燃机的种类很多，主要的分类方式有：①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；②按每个工作循环的行程数不同，分为四冲程和二冲程；③按着火方式不同，分为点燃式和压燃式；④按冷却方式不同，分为水冷式和风冷式；⑤按汽缸排列形式不同，分为直列式、Ⅴ形、对置式、星形等；⑥按汽缸数不同，分为单缸内燃机和多缸内燃机等；⑦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。

1．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，就必须使单位汽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、转速为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，又改进了汽缸盖，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”。又因为等容燃烧四冲程循环由奥托实现，因此被称为奥托循环。

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，并且煤气的热值低（约1.75×107～2.09×107J/m3），因此煤气机转速慢、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。

2．汽油机

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19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20世纪50年代兴起的增压技术在发动机上的广泛应用；接下来是20世纪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。

近年来，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。

（1）第一阶段是20世纪最初20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19 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。

（2）第二阶段是20世纪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%。

（3）第三阶段是从20世纪20年代后期到20世纪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，这一应用为提高汽油机的功率和热效率开辟了新的途径。但是其真正的广泛应用，是在20世纪50年代后期。

（4）第四阶段从20世纪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；废气再循环及三元催化等排气净化技术等。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20世纪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，可将喷油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，采用步进电动机作为执行元件来控制喷油量和喷油定时。

3．柴油机

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做燃料。

（2）柴油机由于其压缩比大，最大功率点的单位功率的油耗低。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以下缺点。

（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，在不增压的情况下可达汽油机的1.5 倍左右。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汽缸，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、采用四气门技术、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世纪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。

20世纪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。其后的20多年间，增压技术得到了迅速发展和广泛应用。

20世纪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，使高增压（>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20世纪50年代初期刚采用增压技术的发动机技术水平有了惊人的发展。

进入20世纪80年代，仍保持了这种发展势头。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。本书后续章节将重点介绍往复活塞式内燃机。