内燃机及其发展史

内燃机

　　内燃机是将燃料引入汽缸内，利用燃料和空气在汽缸里燃烧，产生高温高压气体急剧膨胀对外做功，推动活塞运动的机器叫内燃机．

　　内燃机是应用最广泛的一种热机．内燃机工作时，燃料在气缸内燃烧，这也就是为什么叫做内燃机的缘故．内燃机用液体燃料（汽油、柴油）或气体燃料，燃料在气缸内燃烧产生的燃气直接推动活塞做功，将内能转变为机械能．

　　内燃机主要分为奥托内燃机和狄塞耳内燃机两种．奥托内燃机通常用汽油作燃料，而狄塞耳内燃机通常用柴油为燃料．

　　利用液体为燃料的内燃机又分为汽油机和柴油机．


内燃机发展史
内燃机是将燃料燃烧释放出来的热能转变成有用机械能的一种能量装置．内燃机中的燃料与空气混合、燃烧，产生高温、高压的工作气体，它作为热能的载体推动活塞，通过连杆、曲轴箱外输出机械功．由于这一能量转变过程完全是在发动机的内部完成的，所以称为内燃机．广义的说，内燃机包括往复活塞式内燃机、转动式燃气轮机、复合式发动机和喷气推进机，这些热机可以统称为内燃动力装置．我们将在这里主要向大家介绍往复活塞式内燃机和转动式燃气机，另外还会介绍一种比较特殊的斯特林机，以此向大家展示内燃机的百年发展史．
内燃机以其热效率高、结构紧凑，机动性强，运行维护简便的优点著称于世．一百多年以来，内燃机的巨大生命力经久不衰．目前世界上内燃机的拥有量大大超过了任何其他的热力发动机，在国民经济中占有相当重要的地位．现代内燃机更是成为了当今用量最大、用途最广、无一与之匹敌的的最重要的热能机械．
当然内燃机同样也存在着不少的缺点，主要是：对燃料的要求高，不能直接燃用劣质燃料和固体燃料；由于间歇换气以及制造的困难，单机功率的提高受到限制，现代内燃机的最大功率一般小于4万千瓦，而蒸汽机的单机功率可以高达数十万千瓦；内燃机不能反转；内燃机的噪声和废气中有害成分对环境的污染尤其突出．可以说这一百多年来的内燃机的发展史就是人类不断革新，不断挑战克服这些缺点的历史．
内燃机发展至今，约有一个半世纪的历史了．同其他科学一样，内燃机的每一个进步都是人类生产实践经验的概括和总结．内燃机的发明始于对活塞式蒸汽机的研究和改进．在它的发展史中应当特别提到的是德国人奥托和狄塞尔，正是他们在总结了前人无数实践经验的基础上，对内燃机的工作循环提出了较为完善的奥托循环和狄塞尔循环，得到了一个科学地总结，并有了质的飞跃，他们将前人粗浅的、纯经验的、零乱无序的的经验，加以继承、发展、总结、提高，找出了规律性，为现代汽油机和柴油机热力循环奠定了热力学基础，为内燃机的发展做出了伟大的贡献．
往复活塞式内燃机
往复活塞式内燃机的种类很多，主要的分类方法有这样一些：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；按每个工作循环的行程数不同，分为四冲程和二冲程；按着火方式不同，分为点燃式和压燃式；按冷却方式不同，分为水冷式和风冷式；按气缸排列形式不同，分为直列式、V型、对置式、星型等；按气缸数不同，分为单缸内燃机和多缸内燃机等；按内燃机的用途不同，分为汽车用、农用、机车用、船用以及固定用等等．本文将会主要针对煤气机、汽油机、柴油机这样一个发展脉络来向大家介绍．
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．