本篇文章信途科技給大家談?wù)剝?nèi)燃機(jī)產(chǎn)品推廣,以及內(nèi)燃機(jī)銷售對(duì)應(yīng)的知識(shí)點(diǎn),希望對(duì)各位有所幫助,不要忘了收藏本站。
內(nèi)燃機(jī)是誰(shuí)發(fā)明的???是第幾次工業(yè)革命出來(lái)的?
活塞式內(nèi)燃機(jī)起源于荷蘭物理學(xué)家惠更斯用火藥爆炸獲取動(dòng)力的研究,但因火藥燃燒難以控制而未獲成功。1794年,英國(guó)人斯特里特提出從燃料的燃燒中獲取動(dòng)力,并且第一次提出了燃料與空氣混合的概念。1833年,英國(guó)人賴特提出了直接利用燃燒壓力推動(dòng)活塞作功的設(shè)計(jì)。19世紀(jì)中期,科學(xué)家完善了通過(guò)燃燒煤氣,汽油和柴油等產(chǎn)生的熱轉(zhuǎn)化機(jī)械動(dòng)力的理論。這為內(nèi)燃機(jī)的發(fā)明奠定了基礎(chǔ)。活塞式內(nèi)燃機(jī)自19世紀(jì)60年代問(wèn)世以來(lái),經(jīng)過(guò)不斷改進(jìn)和發(fā)展,已是比較完善的機(jī)械。它熱效率高、功率和轉(zhuǎn)速范圍寬、配套方便、機(jī)動(dòng)性好,所以獲得了廣泛的應(yīng)用。全世界各種類型的汽車、拖拉機(jī)、農(nóng)業(yè)機(jī)械、工程機(jī)械、小型移動(dòng)電站和戰(zhàn)車等都以內(nèi)燃機(jī)為動(dòng)力。海上商船、內(nèi)河船舶和常規(guī)艦艇,以及某些小型飛機(jī)也都由內(nèi)燃機(jī)來(lái)推進(jìn)。世界上內(nèi)燃機(jī)的保有量在動(dòng)力機(jī)械中居首位,它在人類活動(dòng)中占有非常重要的地位?!≈笕藗冇痔岢鲞^(guò)各種各樣的內(nèi)燃機(jī)方案,但在十九世紀(jì)中葉以前均未付諸實(shí)用。直到1860年,法國(guó)的勒努瓦模仿蒸汽機(jī)的結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)制造出第一臺(tái)實(shí)用的煤氣機(jī)。這是一種無(wú)壓縮、電點(diǎn)火、使用照明煤氣的內(nèi)燃機(jī)。勒努瓦首先在內(nèi)燃機(jī)中采用了彈力活塞環(huán)。這臺(tái)煤氣機(jī)的熱效率為4%左右。英國(guó)的巴尼特曾提倡將可燃混合氣在點(diǎn)火之前進(jìn)行壓縮,隨后又有人著文論述對(duì)可燃混合氣進(jìn)行壓縮的重要作用,并且指出壓縮可以大大提高勒努瓦內(nèi)燃機(jī)的效率。1862年,法國(guó)科學(xué)家羅沙對(duì)內(nèi)燃機(jī)熱力過(guò)程進(jìn)行理論分析之后,提出提高內(nèi)燃機(jī)效率的要求,這就是最早的四沖程工作循環(huán)。1876年,德國(guó)發(fā)明家奧托(Otto)運(yùn)用羅沙的原理,創(chuàng)制成功第一臺(tái)往復(fù)活塞式、單缸、臥式、3.2千瓦(4.4馬力)的四沖程內(nèi)燃機(jī),仍以煤氣為燃料,采用火焰點(diǎn)火,轉(zhuǎn)速為156.7轉(zhuǎn)/分,壓縮比為2.66,熱效率達(dá)到14%,運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)。在當(dāng)時(shí),無(wú)論是功率還是熱效率,它都是最高的。奧托內(nèi)燃機(jī)獲得推廣,性能也在提高。1880年單機(jī)功率達(dá)到11~15千瓦(15~20馬力),到1893年又提高到150千瓦。由于壓縮比的提高,熱效率也隨之增高,1886年熱效率為15.5%,1897年已高達(dá)20~26%。1881年,英國(guó)工程師克拉克研制成功第一臺(tái)二沖程的煤氣機(jī),并在巴黎博覽會(huì)上展出。隨著石油的開發(fā),比煤氣易于運(yùn)輸攜帶的汽油和柴油引起了人們的注意,首先獲得試用的是易于揮發(fā)的汽油。1883年,德國(guó)的戴姆勒(Daimler)創(chuàng)制成功第一臺(tái)立式汽油機(jī),它的特點(diǎn)是輕型和高速。當(dāng)時(shí)其他內(nèi)燃機(jī)的轉(zhuǎn)速不超過(guò)200轉(zhuǎn)/分,它卻一躍而達(dá)到800轉(zhuǎn)/分,特別適應(yīng)交通動(dòng)輸機(jī)械的要求。1885~1886年,汽油機(jī)作為汽車動(dòng)力運(yùn)行成功,大大推動(dòng)了汽車的發(fā)展。同時(shí),汽車的發(fā)展又促進(jìn)了汽油機(jī)的改進(jìn)和提高。不久汽油機(jī)又用作了小船的動(dòng)力。1892年,德國(guó)工程師狄塞爾(Diesel)受面粉廠粉塵爆炸的啟發(fā),設(shè)想將吸入氣缸的空氣高度壓縮,使其溫度超過(guò)燃料的自燃溫度,再用高壓空氣將燃料吹入氣缸,使之著火燃燒。他首創(chuàng)的壓縮點(diǎn)火式內(nèi)燃機(jī)(柴油機(jī))于1897年研制成功,為內(nèi)燃機(jī)的發(fā)展開拓了新途徑。狄塞爾開始力圖使內(nèi)燃機(jī)實(shí)現(xiàn)卡諾循環(huán),以求獲得最高的熱效率,但實(shí)際上做到的是近似的等壓燃燒,其熱效率達(dá)26%。壓縮點(diǎn)火式內(nèi)燃機(jī)的問(wèn)世,引起了世界機(jī)械業(yè)的極大興趣,壓縮點(diǎn)火式內(nèi)燃機(jī)也以發(fā)明者而命名為狄塞爾引擎。這種內(nèi)燃機(jī)以后大多用柴油為燃料,故又稱為柴油機(jī)。1898年,柴油機(jī)首先用于固定式發(fā)電機(jī)組,1903年用作商船動(dòng)力,1904年裝于艦艇,1913年第一臺(tái)以柴油機(jī)為動(dòng)力的內(nèi)燃機(jī)車制成,1920年左右開始用于汽車和農(nóng)業(yè)機(jī)械。早在往復(fù)活塞式內(nèi)燃機(jī)誕生以前,人們就曾致力于創(chuàng)造旋轉(zhuǎn)活塞式的內(nèi)燃機(jī),但均未獲成功。直到1954年,聯(lián)邦德國(guó)工程師汪克爾(Wankel)解決了密封問(wèn)題后,才于1957年研制出旋轉(zhuǎn)活塞式發(fā)動(dòng)機(jī),被稱為汪克爾發(fā)動(dòng)機(jī)。它具有近似三角形的旋轉(zhuǎn)活塞,在特定型面的氣缸內(nèi)作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),按奧托循環(huán)工作。這種發(fā)動(dòng)機(jī)功率高、體積小、振動(dòng)小、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維修方便,但由于它燃料經(jīng)濟(jì)性較差、低速扭矩低、排氣性能不理想,所以還只是在個(gè)別型號(hào)的轎車上得到采用。[
氫燃料內(nèi)燃機(jī)的優(yōu)點(diǎn)及發(fā)展前景?
一、氫氣發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn):
1、氫的資源豐富,并可采用多種方式制取。如可從天然氣中提取。可由再生物質(zhì)制取,可點(diǎn)解水制氫。
2、其理論循環(huán)接近奧托循環(huán)。氫氣發(fā)動(dòng)機(jī)集柴油機(jī)的高熱效率和汽油機(jī)的高轉(zhuǎn)速于一體,是個(gè)非常理想的系統(tǒng)。
3、氫氣發(fā)動(dòng)機(jī)可以靠空氣燃料混合比的濃度調(diào)節(jié)動(dòng)力輸出,不需要節(jié)流閥。提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的整體效率,因?yàn)椴淮嬖谌剂媳弥辛髁康膿p失,稀薄燃料的效率較高也起到了一定的作用。
二、氫燃料內(nèi)燃機(jī)發(fā)展前景;
氫氣發(fā)動(dòng)機(jī)是未來(lái)取代傳統(tǒng)汽油、柴油等發(fā)動(dòng)機(jī)的替代產(chǎn)品,也是發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的最新趨勢(shì)!!!
氫氣發(fā)動(dòng)機(jī)原理:氫氣可從電解水、煤的氣化、天然氣中制取。氫氣是一種最清潔的燃料,燃燒產(chǎn)物主要是水,
其次是在空氣燃燒中形成的微量NOX,對(duì)空氣沒(méi)有什么污染。以氫氣為燃料的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的研究經(jīng)歷了一個(gè)曲折發(fā)展的過(guò)程,研究工作從30年代就已開始,但進(jìn)展不大。70年代的石油危機(jī)給各國(guó)重新敲響了警鐘,氫氣再次被人們所關(guān)注。
目前,世界一些知名的大汽車公司都研制出了自己的氫氣發(fā)動(dòng)機(jī)。雖然推廣應(yīng)用氫氣燃料發(fā)動(dòng)機(jī)還要解決一系列技術(shù)問(wèn)題,如需要找到氫氣在汽車上安全有效的貯運(yùn)方法;需要找到大量生產(chǎn)廉價(jià)氫的方法;需要解決氫燃料的供給系統(tǒng)等。但從長(zhǎng)遠(yuǎn)和發(fā)展的觀點(diǎn)來(lái)看,氫氣發(fā)動(dòng)機(jī)最有前途。
電動(dòng)車淘汰內(nèi)燃機(jī)是大勢(shì)所趨,你也是這么認(rèn)為的嗎?
我也是這么認(rèn)為的,因?yàn)樵趦?nèi)燃機(jī)存在的情況下,電動(dòng)車永遠(yuǎn)是沒(méi)有辦法進(jìn)行更新?lián)Q代的,只有將內(nèi)燃機(jī)淘汰,而采用更加高科技的產(chǎn)品來(lái)代替,才可以做到真正的新能源車以及去提高汽車行業(yè)的改革更新。
電動(dòng)車推廣進(jìn)入高峰 內(nèi)燃機(jī)會(huì)消亡嗎?
內(nèi)燃機(jī)將走向消亡? 這個(gè)命題似乎有些聳人聽聞!的確如此,從19世紀(jì)80年代以汽油為燃料的汽車誕生至今,內(nèi)燃機(jī)一直被認(rèn)為是汽車的心臟,不可替代,沒(méi)有人認(rèn)為,汽車內(nèi)燃機(jī)會(huì)在21世紀(jì)下一個(gè)百年走向消亡。 實(shí)際上,從20世紀(jì)初開始,電動(dòng)車和內(nèi)燃機(jī)技術(shù)幾乎是并行的關(guān)系,直到進(jìn)入21世紀(jì),全球范圍內(nèi)節(jié)能減排的壓力讓電動(dòng)車再次被提上日程,在汽車業(yè)走向零排放的道路上,不管是一直堅(jiān)持內(nèi)燃機(jī)技術(shù)進(jìn)步有多大,混合動(dòng)力技術(shù)多完美,燃料電池汽車多先進(jìn),電動(dòng)車最終替代內(nèi)燃機(jī)似乎已經(jīng)成為公認(rèn)的終極解決方案。 從全球范圍來(lái)看,電動(dòng)車的研發(fā)與推廣已經(jīng)進(jìn)入一個(gè)高峰期。以歐美日為代表的電動(dòng)車推廣計(jì)劃已經(jīng)開始如火如荼地進(jìn)行當(dāng)中,在日本,豐田、日產(chǎn)已經(jīng)計(jì)劃推出有別于傳統(tǒng)汽車的電動(dòng)汽車;歐洲也在積極地研發(fā)最新型的大電動(dòng)車;美國(guó)政府部分已經(jīng)列出了電動(dòng)車發(fā)展計(jì)劃,并期望和中國(guó)建立電動(dòng)車合作項(xiàng)目。在中國(guó),除了傳統(tǒng)的汽車領(lǐng)域,一些電動(dòng)自行車汽車、電池企業(yè)也開始參與其中,設(shè)計(jì)適合中低端市場(chǎng)使用的低速電動(dòng)車。 一個(gè)明顯的變化是,傳統(tǒng)汽車企業(yè)開始參與礦業(yè)經(jīng)營(yíng),電池的研發(fā)也列入傳統(tǒng)汽車企業(yè)的發(fā)展規(guī)劃,這些在汽車發(fā)展的上一個(gè)百年里是不可想象的,正像大多數(shù)電動(dòng)車開發(fā)企業(yè)技術(shù)人員的感受:我們確實(shí)需要重新發(fā)明汽車。雖然有些言過(guò)其實(shí),但是電動(dòng)車所引發(fā)的傳統(tǒng)汽車業(yè)的變革確實(shí)在發(fā)生。 從汽車構(gòu)造上比較,比較內(nèi)燃機(jī)汽車和電動(dòng)汽車,最明顯的是汽車越來(lái)越簡(jiǎn)單,內(nèi)燃機(jī)汽車必須有的變速箱、發(fā)動(dòng)機(jī)以及傳動(dòng)系統(tǒng),在電動(dòng)汽車上已經(jīng)不再需要,電池、電動(dòng)系統(tǒng)和電機(jī)成為未來(lái)汽車的核心。技術(shù)專家預(yù)測(cè):今后,電動(dòng)車發(fā)展所帶來(lái)的技術(shù)的分散讓許多非汽車企業(yè)參與其中,這也是新世紀(jì)(002280,股吧)給企業(yè)帶來(lái)的最大變化。 還在幾年前,很多人還在辯論汽車業(yè)是否是夕陽(yáng)產(chǎn)業(yè),而如今亞太市場(chǎng)的崛起已經(jīng)開始讓汽車業(yè)重生,對(duì)于許多發(fā)展中國(guó)家而言,21世紀(jì)很可能是第二個(gè)汽車時(shí)代的來(lái)臨,在第二個(gè)汽車時(shí)代,圍繞電動(dòng)車技術(shù)開發(fā)與推廣將成為最大的一個(gè)熱點(diǎn)。就像歷次新媒體的出現(xiàn)給傳統(tǒng)媒體帶來(lái)的影響一樣,互相并不是完全替代的關(guān)系,電動(dòng)車和內(nèi)燃機(jī)關(guān)系在未來(lái)的一段時(shí)間內(nèi)仍將并行,但是顯然發(fā)展電動(dòng)車在這個(gè)世紀(jì)將更加迫切,也是傳統(tǒng)汽車業(yè)需要直面的課題。 目前,全球有近9億輛汽車,幾乎全部是以石油為燃料的內(nèi)燃機(jī)汽車,而到2030年汽車數(shù)量將達(dá)到18億輛,2050年汽車總量將達(dá)到30億輛,保有量劇增給地球環(huán)境帶來(lái)的壓力將使汽車業(yè)尋找零排放之路。也許百年之后,電動(dòng)車替代內(nèi)燃機(jī)不再聳人聽聞。
為什么要推廣甲醇燃料
為什么要推廣甲醇燃料?
破解資源環(huán)境瓶頸
當(dāng)前我國(guó)正處于工業(yè)化、城鎮(zhèn)化、信息化和農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化加快發(fā)展時(shí)期,國(guó)民經(jīng)濟(jì)處于增長(zhǎng)速度換擋期、結(jié)構(gòu)調(diào)整陣痛期、前期刺激政策消化期三期疊加的新階段,破解資源與環(huán)境約束已經(jīng)成為我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展亟待解決的重大現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。
據(jù)悉,在能源資源消耗方面,目前我國(guó)已成為全球最大能源消費(fèi)國(guó)。2013年中國(guó)能源消費(fèi)37.5億噸標(biāo)煤,占全球能源消費(fèi)的22%左右。全球石油消費(fèi)40.6億噸,我國(guó)消費(fèi)占11.4%;原油進(jìn)口2.82億噸,對(duì)外依存度近60%,天然氣進(jìn)口依存度已上升到32%,石油節(jié)約與替代已成為保障國(guó)家能源安全的重中之重。
在交通消耗燃油方面,內(nèi)燃機(jī)產(chǎn)品是石油消費(fèi)的最大領(lǐng)域。2013年我國(guó)生產(chǎn)制造各類內(nèi)燃機(jī)產(chǎn)品8000萬(wàn)臺(tái),消耗各類商品燃油和潤(rùn)滑油總量超過(guò)2.8億噸,相當(dāng)于我國(guó)全年進(jìn)口的石油總量。特別是近年來(lái),我國(guó)汽車工業(yè)發(fā)展迅速,搭載內(nèi)燃機(jī)的機(jī)動(dòng)車排放已成為城市大氣污染的重要來(lái)源,是城市空氣中霧霾的重要組成成分。
因此,提高內(nèi)燃機(jī)技術(shù)水平,推動(dòng)內(nèi)燃機(jī)用燃料多元化發(fā)展,控制燃油消耗,減少二氧化碳等污染物排放是當(dāng)前亟待解決的重要問(wèn)題,這對(duì)于將我國(guó)石油對(duì)外依存度控制在合理水平、實(shí)現(xiàn)能源生產(chǎn)與消費(fèi)革命、保證經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展都具有重要意義。
單位里程燃料費(fèi)降48%
為探索我國(guó)車用燃料多元化發(fā)展的新途徑,工信部從2009年啟動(dòng)了甲醇汽車試點(diǎn)工作。試點(diǎn)工作啟動(dòng)以來(lái)取得了積極進(jìn)展,建立健全了甲醇汽車產(chǎn)品技術(shù)要求規(guī)范和技術(shù)數(shù)據(jù)采集管理辦法,培育和建立了甲醇內(nèi)燃機(jī)及整車專用零部件制造體系,研發(fā)了7款甲醇汽車產(chǎn)品并獲得公告,累計(jì)有281輛甲醇汽車投入試點(diǎn)運(yùn)行。
“但要大面積推廣目前還有一系列問(wèn)題亟待解決,尤其是社會(huì)認(rèn)識(shí)方面,要主要解決三大社會(huì)誤解。”專家表示,誤解一,甲醇多產(chǎn)自煤炭,不能算新能源;誤解二,甲醇有毒,不適合大規(guī)模推廣;誤解三,甲醇的腐蝕性對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)有害。
全國(guó)醇醚燃料專委會(huì)名譽(yù)會(huì)長(zhǎng)、山西省新能源汽車領(lǐng)導(dǎo)組副組長(zhǎng)彭致圭認(rèn)為,我國(guó)能源結(jié)構(gòu)為“富煤貧油少氣”,制作甲醇的原料多是高硫高灰的劣質(zhì)煤,這類煤占全國(guó)總儲(chǔ)量的40%~50%,以前不能作為一次能源使用,白白浪費(fèi)掉。而煤制甲醇工藝流程簡(jiǎn)單易行、成本低,適合中國(guó)國(guó)情,可以維持甲醇使用250年以上。因而,大力發(fā)展煤制甲醇的能源意義,不亞于開發(fā)了一種新能源。
同時(shí),試點(diǎn)階段性檢測(cè)數(shù)據(jù)表明,車輛運(yùn)行平穩(wěn)正常,氮氧化合物等排放數(shù)據(jù)比國(guó)四標(biāo)準(zhǔn)限額值低40%~50%,部分指標(biāo)達(dá)到國(guó)五標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,非常規(guī)污染物甲醛排放僅為規(guī)定限額值的6%,甲醇汽車相關(guān)作業(yè)環(huán)境質(zhì)量符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求,涉醇人員體檢未發(fā)現(xiàn)異常,單位里程燃料費(fèi)用比同排量汽油車降低48%。
試點(diǎn)完成階段性工作
甲醇汽車試點(diǎn)是一項(xiàng)系統(tǒng)工作,對(duì)我國(guó)汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展和能源發(fā)展戰(zhàn)略具有重要的工程實(shí)踐意義。甲醇汽車試點(diǎn)工作要緊緊圍繞汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展政策,全面系統(tǒng)地驗(yàn)證高比例甲醇汽車適應(yīng)性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性、安全性、環(huán)保性,積累甲醇汽車運(yùn)行管理經(jīng)驗(yàn)。
目前試點(diǎn)工作已初步完成了階段性工作,接下來(lái)將是深入推進(jìn)甲醇汽車試點(diǎn)工作。一是要堅(jiān)持安全第一、積極穩(wěn)妥的原則,將安全管理及保障方案落到實(shí)處,切實(shí)加強(qiáng)安全監(jiān)督檢查;二是要加強(qiáng)工作協(xié)調(diào),確保試點(diǎn)工作按照制定的方案全面實(shí)施,確保既定數(shù)量的甲醇汽車投入運(yùn)行,確保既定的甲醇燃料加注設(shè)施盡早投入使用;三是要加強(qiáng)技術(shù)創(chuàng)新,提升甲醇汽車及相關(guān)技術(shù)產(chǎn)品水平,充分發(fā)揮市場(chǎng)作用,形成以整車企業(yè)為龍頭、關(guān)鍵零部件企業(yè)積極參與的產(chǎn)業(yè)發(fā)展格局;四是要認(rèn)真組織做好技術(shù)數(shù)據(jù)采集、分析和評(píng)估工作,為完成甲醇汽車試點(diǎn)評(píng)價(jià)提供數(shù)據(jù)支撐;五是要加強(qiáng)甲醇汽車標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)和政策研究,完善甲醇汽車生產(chǎn)及運(yùn)行管理制度。
據(jù)悉,從2009年起,工信部啟動(dòng)了甲醇汽車相關(guān)研究工作,重點(diǎn)開展了高比例甲醇燃料替代汽油、柴油的研究,組織專題組對(duì)甲醇汽車所涉及的能源、環(huán)保、安全、技術(shù)、經(jīng)濟(jì)等問(wèn)題進(jìn)行了綜合研究,委托有關(guān)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了甲醇燃料與汽油、柴油、乙醇汽油的排放檢測(cè)對(duì)比實(shí)驗(yàn),開展了甲醇汽車安全性評(píng)價(jià)。
全國(guó)首臺(tái)商業(yè)化氫內(nèi)燃機(jī)重卡發(fā)布,相較傳統(tǒng)重卡都有哪些不同?
不同于新興的氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī),以氫氣為燃料的內(nèi)燃機(jī),大部分零部件與現(xiàn)有內(nèi)燃機(jī)生產(chǎn)鏈通用。比氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)更具成本優(yōu)勢(shì)。
內(nèi)燃機(jī)的發(fā)明推動(dòng)了什么
1860年,法國(guó)的勒努瓦模仿蒸汽機(jī)的結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)制造出第一臺(tái)實(shí)用的煤氣機(jī)。這是一種無(wú)壓縮、電點(diǎn)火、使用照明煤氣的內(nèi)燃機(jī)。勒努瓦首先在內(nèi)燃機(jī)中采用了彈力活塞環(huán)。這臺(tái)煤氣機(jī)的熱效率為4%左右。 英國(guó)的巴尼特曾提倡將可燃混合氣在點(diǎn)火之前進(jìn)行壓縮,隨后又有人著文論述對(duì)可燃混合氣進(jìn)行壓縮的重要作用,并且指出壓縮可以大大提高勒努瓦內(nèi)燃機(jī)的效率。1862年,法國(guó)科學(xué)家羅沙對(duì)內(nèi)燃機(jī)熱力過(guò)程進(jìn)行理論分析之后,提出提高內(nèi)燃機(jī)效率的要求,這就是最早的四沖程工作循環(huán)。 1876年,德國(guó)發(fā)明家奧托運(yùn)用羅沙的原理,創(chuàng)制成功第一臺(tái)往復(fù)活塞式、單缸、臥式、3.2千瓦(4.4馬力)的四沖程內(nèi)燃機(jī),仍以煤氣為燃料,采用火焰點(diǎn)火,轉(zhuǎn)速為156.7轉(zhuǎn)/分,壓縮比為2.66,熱效率達(dá)到14%,運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)。在當(dāng)時(shí),無(wú)論是功率還是熱效率,它都是最高的。 奧托內(nèi)燃機(jī)獲得推廣,性能也在提高。1880年單機(jī)功率達(dá)到11~15千瓦(15~20馬力),到1893年又提高到150千瓦。由于壓縮比的提高,熱效率也隨之增高,1886年熱效率為15.5%,1897年已高達(dá)20~26%。1881年,英國(guó)工程師克拉克研制成功第一臺(tái)二沖程的煤氣機(jī),并在巴黎博覽會(huì)上展出。 隨著石油的開發(fā),比煤氣易于運(yùn)輸攜帶的汽油和柴油引起了人們的注意,首先獲得試用的是易于揮發(fā)的汽油。1883年,德國(guó)的戴姆勒創(chuàng)制成功第一臺(tái)立式汽油機(jī),它的特點(diǎn)是輕型和高速。當(dāng)時(shí)其他內(nèi)燃機(jī)的轉(zhuǎn)速不超過(guò)200轉(zhuǎn)/分,它卻一躍而達(dá)到800轉(zhuǎn)/分,特別適應(yīng)交通動(dòng)輸機(jī)械的要求。1885~1886年,汽油機(jī)作為汽車動(dòng)力運(yùn)行成功,大大推動(dòng)了汽車的發(fā)展。同時(shí),汽車的發(fā)展又促進(jìn)了汽油機(jī)的改進(jìn)和提高。不久汽油機(jī)又用作了小船的動(dòng)力。 1892年,德國(guó)工程師狄塞爾受面粉廠粉塵爆炸的啟發(fā),設(shè)想將吸入氣缸的空氣高度壓縮,使其溫度超過(guò)燃料的自燃溫度,再用高壓空氣將燃料吹入氣缸,使之著火燃燒。他首創(chuàng)的壓縮點(diǎn)火式內(nèi)燃機(jī)(柴油機(jī))于1897年研制成功,為內(nèi)燃機(jī)的發(fā)展開拓了新途徑。 狄塞爾開始力圖使內(nèi)燃機(jī)實(shí)現(xiàn)卡諾循環(huán),以求獲得最高的熱效率,但實(shí)際上做到的是近似的等壓燃燒,其熱效率達(dá)26%。壓縮點(diǎn)火式內(nèi)燃機(jī)的問(wèn)世,引起了世界機(jī)械業(yè)的極大興趣,壓縮點(diǎn)火式內(nèi)燃機(jī)也以發(fā)明者而命名為狄塞爾引擎。 這種內(nèi)燃機(jī)以后大多用柴油為燃料,故又稱為柴油機(jī)。1898年,柴油機(jī)首先用于固定式發(fā)電機(jī)組,1903年用作商船動(dòng)力,1904年裝于艦艇,1913年第一臺(tái)以柴油機(jī)為動(dòng)力的內(nèi)燃機(jī)車制成,1920年左右開始用于汽車和農(nóng)業(yè)機(jī)械。 早在往復(fù)活塞式內(nèi)燃機(jī)誕生以前,人們就曾致力于創(chuàng)造旋轉(zhuǎn)活塞式的內(nèi)燃機(jī),但均未獲成功。直到1954年,聯(lián)邦德國(guó)工程師汪克爾解決了密封問(wèn)題后,才于1957年研制出旋轉(zhuǎn)活塞式發(fā)動(dòng)機(jī),被稱為汪克爾發(fā)動(dòng)機(jī)。它具有近似三角形的旋轉(zhuǎn)活塞,在特定型面的氣缸內(nèi)作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),按奧托循環(huán)工作。這種發(fā)動(dòng)機(jī)功率高、體積小、振動(dòng)小、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維修方便,但由于它燃料經(jīng)濟(jì)性較差、低速扭矩低、排氣性能不理想,所以還只是在個(gè)別型號(hào)的轎車上得到采用。
內(nèi)燃機(jī)發(fā)展史
內(nèi)燃機(jī)以其熱效率高、結(jié)構(gòu)緊湊,機(jī)動(dòng)性強(qiáng),運(yùn)行維護(hù)簡(jiǎn)便的優(yōu)點(diǎn)著稱于世。一百多年以來(lái),內(nèi)燃機(jī)的巨大生命力經(jīng)久不衰。目前世界上內(nèi)燃機(jī)的擁有量大大超過(guò)了任何其它的熱力發(fā)動(dòng)機(jī),在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有相當(dāng)重要的地位?,F(xiàn)代內(nèi)燃機(jī)更是成為了當(dāng)今用量最大、用途最廣、無(wú)一與之匹敵的的最重要的熱能機(jī)械。
當(dāng)然內(nèi)燃機(jī)同樣也存在著不少的缺點(diǎn),主要是:對(duì)燃料的要求高,不能直接燃用劣質(zhì)燃料和固體燃料;由于間歇換氣以及制造的困難,單機(jī)功率的提高受到限制,現(xiàn)代內(nèi)燃機(jī)的最大功率一般小于4萬(wàn)千瓦,而蒸汽機(jī)的單機(jī)功率可以高達(dá)數(shù)十萬(wàn)千瓦;內(nèi)燃機(jī)不能反轉(zhuǎn);內(nèi)燃機(jī)的噪聲和廢氣中有害成分對(duì)環(huán)境的污染尤其突出??梢哉f(shuō)這一百多年來(lái)的內(nèi)燃機(jī)的發(fā)展史就是人類不斷革新,不斷挑戰(zhàn)克服這些缺點(diǎn)的歷史。
內(nèi)燃機(jī)發(fā)展至今,約有一個(gè)半世紀(jì)的歷史了。同其他科學(xué)一樣,內(nèi)燃機(jī)的每一個(gè)進(jìn)步都是人類生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的概括和總結(jié)。內(nèi)燃機(jī)的發(fā)明始于對(duì)活塞式蒸汽機(jī)的研究和改進(jìn)。在它的發(fā)展史中應(yīng)當(dāng)特別提到的是德國(guó)人奧托和狄塞爾,正是他們?cè)诳偨Y(jié)了前人無(wú)數(shù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,對(duì)內(nèi)燃機(jī)的工作循環(huán)提出了較為完善的奧托循環(huán)和狄塞爾循環(huán),才使得到他們?yōu)橹箮资觊g無(wú)數(shù)人的實(shí)踐和創(chuàng)造活動(dòng)得到了一個(gè)科學(xué)地總結(jié),并有了質(zhì)的飛躍,他們將前任粗淺的、純經(jīng)驗(yàn)的、零亂無(wú)序的的經(jīng)驗(yàn),加以繼承、發(fā)展、總結(jié)、提高,找出了規(guī)律性,為現(xiàn)代汽油機(jī)和柴油機(jī)熱力循環(huán)奠定了熱力學(xué)基礎(chǔ),為內(nèi)燃機(jī)的發(fā)展做出了偉大的貢獻(xiàn)。
往復(fù)活塞式內(nèi)燃機(jī)
往復(fù)活塞式內(nèi)燃機(jī)的種類很多,主要的分類方法有這樣一些:按所用的燃料的不同,分為汽油機(jī),柴油機(jī)、煤油機(jī)、煤氣機(jī)(包括各種氣體燃料內(nèi)燃機(jī))等;按每個(gè)工作循環(huán)的行程數(shù)不同,分為四沖程和二沖程;按著火方式不同,分為點(diǎn)燃式和壓燃式;按冷卻方式不同,分為水冷式和風(fēng)冷式;按氣缸排列形式不同,分為直列式、V型、對(duì)置式、星型等;按氣缸數(shù)不同,分為單缸內(nèi)燃機(jī)和多缸內(nèi)燃機(jī)等;按內(nèi)燃機(jī)的用途不同,分為汽車用、農(nóng)用、機(jī)車用、船用以及固定用等等。本文將會(huì)主要針對(duì)煤氣機(jī)、汽油機(jī)、柴油機(jī)這樣一個(gè)發(fā)展脈絡(luò)來(lái)向大家介紹。
最早的內(nèi)燃機(jī)——煤氣機(jī)
最早出現(xiàn)的內(nèi)燃機(jī)是以煤氣為燃料的煤氣機(jī)。1860年,法國(guó)發(fā)明家萊諾制成了第一臺(tái)實(shí)用內(nèi)燃機(jī)(單缸、二沖程、無(wú)壓縮和電點(diǎn)火的煤氣機(jī),輸出功率為0.74—1.47KW,轉(zhuǎn)速為100r/min,熱效率為4%)。法國(guó)工程師德羅沙認(rèn)識(shí)到,要想盡可能提高內(nèi)燃機(jī)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(shí)活塞的速率盡量快,膨脹的范圍(沖程)盡量長(zhǎng)。在此基礎(chǔ)上,他在1862年提出了著名的等容燃燒四沖程循環(huán):進(jìn)氣、壓縮、燃燒和膨脹、排氣。
1876年,德國(guó)人奧托制成了第一臺(tái)四沖程往復(fù)活塞式內(nèi)燃機(jī)(單缸、臥式、以煤氣為燃料、功率大約為2.21KW、180r/min)。在這部發(fā)動(dòng)機(jī)上,奧托增加了飛輪,使運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn),把進(jìn)氣道加長(zhǎng),又改進(jìn)了氣缸蓋,使混合氣充分形成。這是一部非常成功的發(fā)動(dòng)機(jī),其熱效率相當(dāng)于當(dāng)時(shí)蒸汽機(jī)的兩倍。奧托把三個(gè)關(guān)鍵的技術(shù)思想:內(nèi)燃、壓縮燃?xì)?、四沖程融為一體,使這種內(nèi)燃機(jī)具有效率高、體積小、質(zhì)量輕和功率大等一系列優(yōu)點(diǎn)。在1878年巴黎萬(wàn)國(guó)博覽會(huì)上,被譽(yù)為“瓦特以來(lái)動(dòng)力機(jī)方面最大的成就”。等容燃燒四沖程循環(huán)由奧托實(shí)現(xiàn),也被稱為奧托循環(huán)。
煤氣機(jī)雖然比蒸汽機(jī)具有很大的優(yōu)越性,但在社會(huì)化大生產(chǎn)情況下,仍不能滿足交通運(yùn)輸業(yè)所要求的高速、輕便等性能。因?yàn)樗悦簹鉃槿剂?需要龐大的煤氣發(fā)生爐和管道系統(tǒng)。而且煤氣的熱值低(約1.75×107~2.09×107J/m3),故煤氣機(jī)轉(zhuǎn)速慢,比功率小。到19世紀(jì)下半葉,隨著石油工業(yè)的興起,用石油產(chǎn)品取代煤氣作燃料已成為必然趨勢(shì)。
汽油機(jī)的出現(xiàn)
1883年,戴姆勒和邁巴赫制成了第一臺(tái)四沖程往復(fù)式汽油機(jī),此發(fā)動(dòng)機(jī)上安裝了邁巴赫設(shè)計(jì)的化油器,還用白熾燈管解決了點(diǎn)火問(wèn)題。以前內(nèi)燃機(jī)的轉(zhuǎn)速都不超過(guò)200r/min,而戴姆勒的汽油機(jī)轉(zhuǎn)速一躍為800—1000r/min。它的特點(diǎn)是功率大,質(zhì)量輕、體積小、轉(zhuǎn)速快和效率高,特別適用于交通工具。與此同時(shí),本茨研制成功了現(xiàn)在仍在使用的點(diǎn)火裝置和水冷式冷卻器。
到十九世紀(jì)末,主要的集中活塞式內(nèi)燃機(jī)大體上進(jìn)入了實(shí)用階段,并且很快顯示出巨大的生命力。內(nèi)燃機(jī)在廣泛應(yīng)用中不斷地得到改善和革新,迄今已達(dá)到一個(gè)較高的技術(shù)水平。在這樣一個(gè)漫長(zhǎng)的發(fā)展歷史中,有兩個(gè)重要的發(fā)展階段是具有劃時(shí)代意義的:一是50年代興起的增壓技術(shù)在發(fā)動(dòng)機(jī)上的廣泛應(yīng)用;再就是70年代開始的電子技術(shù)及計(jì)算機(jī)在發(fā)動(dòng)機(jī)研制中的應(yīng)用,這兩個(gè)發(fā)展趨勢(shì)至今都方興未艾
首先我們來(lái)看一下汽油機(jī)在本世紀(jì)的發(fā)展歷程。在汽車和飛機(jī)工業(yè)的推動(dòng)下汽油機(jī)取得了長(zhǎng)足的發(fā)展。按提高汽油機(jī)的功率、熱效率、比功率和降低油耗等主要性能指標(biāo)的過(guò)程,可以把汽油機(jī)的發(fā)展分為四個(gè)階段。
第一階段是本世紀(jì)最初二十年,為適應(yīng)交通運(yùn)輸?shù)囊螅蕴岣吖β屎捅裙β蕿橹?。采取的主要技術(shù)措施是提高轉(zhuǎn)速、增加缸數(shù)和改進(jìn)相應(yīng)輔助裝置。這個(gè)時(shí)期內(nèi),轉(zhuǎn)速?gòu)纳鲜兰o(jì)的500—800r/min提高到1000—1500r/min,比功率從3.68W/Kg提高到441.3—735.5W/Kg,對(duì)提高飛機(jī)的飛行性能和汽車的負(fù)載能力具有重大的意義。
第二階段時(shí)間在20年代,主要解決汽油機(jī)的爆震燃燒問(wèn)題。當(dāng)時(shí)汽油機(jī)的壓縮比達(dá)到4時(shí),汽油機(jī)就發(fā)生爆震。美國(guó)通用汽車公司研究室的米格雷和鮑義德通過(guò)在汽油中加入少量的四乙基鋁,干擾氧和汽油分子化合的正常過(guò)程,解決了爆震的問(wèn)題,使壓縮比從4提高到了8,大大提高了汽油機(jī)的功率和熱效率。當(dāng)時(shí)另一嚴(yán)重影響汽油機(jī)功率和熱效率的因素是燃燒室的形狀和結(jié)構(gòu),英國(guó)的里卡多及其合作者通過(guò)對(duì)多種燃燒室及燃燒原理的研究,改進(jìn)了燃燒室,使汽油機(jī)的功率提高了20%。
第三階段是從20年代后期到40年代早期,主要是在汽油機(jī)上裝備增壓器。廢氣渦輪增壓可使氣壓增至1.4—1.6大氣壓,他的應(yīng)用為提高汽油機(jī)的功率和熱效率開辟了一個(gè)新的途徑。但是其真正的廣泛應(yīng)用,卻是在50年代后期才普及的。
第四階段從50年代至今,汽油機(jī)技術(shù)在原理重大變革之前發(fā)展已近極致。它的結(jié)構(gòu)越來(lái)越緊湊,轉(zhuǎn)速越來(lái)越高。其技術(shù)現(xiàn)狀為:缸內(nèi)噴射;多氣門技術(shù);進(jìn)氣滾流,稀薄分層燃燒;電子控制點(diǎn)火正時(shí)、汽油噴射及空燃比隨工況精確控制等全面電子發(fā)動(dòng)機(jī)管理;廢氣在循環(huán)及三元催化等排氣凈化技術(shù)等。其集中體現(xiàn)在近年來(lái)研制成功并投產(chǎn)的缸內(nèi)直噴分層充氣稀燃汽油機(jī)(GDI)。
但是隨著70年代開始的電子技術(shù)在發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用,為內(nèi)燃機(jī)技術(shù)的改進(jìn)提供了條件,使內(nèi)燃機(jī)基本上滿足了目前世界各國(guó)有關(guān)排放、節(jié)能、可靠性和舒適性等方面的要求。內(nèi)燃機(jī)電子控制現(xiàn)已包括電控燃油噴射、電控點(diǎn)火、怠速控制、排放控制、進(jìn)氣控制、增壓控制、警告提示、自我診斷、失效保護(hù)等諸多方面。
同樣內(nèi)燃機(jī)電子控制技術(shù)的發(fā)展也大致可分為四個(gè)階段:
1、內(nèi)燃機(jī)零部件或局部系統(tǒng)的單獨(dú)控制,如電子油泵、電子點(diǎn)火裝置等。
2、內(nèi)燃機(jī)單一系統(tǒng)或幾個(gè)相關(guān)系統(tǒng)的獨(dú)立控制,如燃油供給系統(tǒng)控制、最佳空燃比控制等。
3、整臺(tái)內(nèi)燃機(jī)的統(tǒng)一智能化控制,如內(nèi)燃機(jī)電子控制系統(tǒng)。
4、裝置與內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力的集中電子控制,如汽車、船舶、發(fā)電機(jī)組的集中電子控制系統(tǒng)。
電子控制系統(tǒng)一般由傳感器、執(zhí)行器和控制器三部分組成。由此構(gòu)成各種不同功能、不同用途的控制系統(tǒng)。。其主要目標(biāo)是保持發(fā)動(dòng)機(jī)各運(yùn)行參數(shù)的最佳值,以求得發(fā)動(dòng)機(jī)功率、燃油耗和排放性能的最佳平衡,并監(jiān)視運(yùn)行工況。如Caterpillar公司的3406PEPC系統(tǒng)是在3406柴油機(jī)上采用可變程序的發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng),具有電子調(diào)速功能,采用電子控制空燃比,可將噴有提前角始終保持在最佳值。美國(guó)Stanaclyne公司將其生產(chǎn)的DB型分配泵改為電子控制噴油泵,稱為PFP系統(tǒng),采用步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行元件來(lái)控制噴油量和噴油定時(shí)
柴油機(jī)——內(nèi)燃機(jī)家族的另一個(gè)明星
柴油機(jī)幾乎是與汽油機(jī)同時(shí)發(fā)展起來(lái)的,它們具有許多相同點(diǎn)。所以柴油機(jī)的發(fā)展也與汽油機(jī)有許多相似之處,可以說(shuō)在整個(gè)內(nèi)燃機(jī)的發(fā)展史上,它們是相互推動(dòng)的。
德國(guó)狄塞爾博士于1892年獲得壓縮點(diǎn)火壓縮機(jī)的技術(shù)專利,1897年制成了第一臺(tái)壓縮點(diǎn)火的“狄塞爾”內(nèi)燃機(jī),即柴油機(jī)。
柴油機(jī)的高壓縮比帶來(lái)眾多的優(yōu)點(diǎn):
1、不但可以省去化油器和點(diǎn)火裝置,提高了熱效率,而且可以使用比汽油便宜得多的柴油作燃料。
2、柴油機(jī)由于其壓縮比大,最大功率點(diǎn)、單位功率的油耗低。在現(xiàn)代優(yōu)秀的發(fā)動(dòng)機(jī)中,柴油機(jī)的油耗約為汽油機(jī)的70%。特別像汽車,通常在部分負(fù)荷工況下行駛,其油耗約為汽油機(jī)的60%。柴油機(jī)是目前熱效率最高的內(nèi)燃機(jī)。
3、柴油機(jī)因?yàn)閴嚎s比高,發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)實(shí),故經(jīng)久耐用、壽命長(zhǎng)。
同時(shí)高壓縮比也帶來(lái)了缺點(diǎn):
1、柴油機(jī)的結(jié)構(gòu)笨重。通常柴油的單位功率質(zhì)量約為汽油機(jī)的1.5~3倍。柴油機(jī)壓縮比高,爆發(fā)壓力也高,可達(dá)汽油機(jī)的1.5倍左右(不增壓的情況下)。為承受高溫高壓,就要求結(jié)實(shí)的結(jié)構(gòu)。所以柴油機(jī)最初只是作為一種固定式發(fā)動(dòng)機(jī)使用。
2、在同一排量下,柴油機(jī)的輸出功率約為汽油機(jī)的1/3。因?yàn)椴裼蜋C(jī)把燃料直接噴入氣缸,不能充分利用空氣,相應(yīng)功率輸出低。假設(shè)汽油機(jī)的空氣利用率為100%,那么柴油機(jī)僅有80%~90%。柴油機(jī)功率輸出小的另一原因是壓縮比大,發(fā)動(dòng)機(jī)的摩擦損失比汽油機(jī)大。這種摩擦損失與轉(zhuǎn)速成正比,不能期望通過(guò)增加轉(zhuǎn)速來(lái)提高功率。轉(zhuǎn)速最高的汽油機(jī)每分鐘可運(yùn)轉(zhuǎn)10000次以上(如賽車發(fā)動(dòng)機(jī)),而柴油機(jī)的最高轉(zhuǎn)速卻只有5000r/min。
近百年來(lái),柴油機(jī)的熱效率提高近80%,比功率提高幾十倍,空氣利用率達(dá)90%。當(dāng)今柴油機(jī)的技術(shù)水平表現(xiàn)為:優(yōu)良的燃燒系統(tǒng);采用4氣門技術(shù);超高壓噴射;增壓和增壓中冷;可控廢氣再循環(huán)和氧化催化器;降低噪聲的雙彈簧噴油器;全電子發(fā)動(dòng)機(jī)管理等,集中體現(xiàn)在以采用電控共軌式燃油噴射系統(tǒng)為特征的新一代柴油機(jī)上。目前,日本的Nippondeno公司(ECDU2),德國(guó)Bosch(ZECCEL)和美國(guó)Caterpilla公司(HELII)是研究和生產(chǎn)共軌式電控噴油系統(tǒng)的主要公司。
增壓技術(shù)在柴油機(jī)上的應(yīng)用要比汽油機(jī)晚一些。早在20年代就有人提出壓縮空氣提高進(jìn)氣密度的設(shè)想,直到1926年瑞士人A.J.伯玉希才第一次設(shè)計(jì)了一臺(tái)帶廢氣渦輪增壓器的增壓發(fā)動(dòng)機(jī)。由于當(dāng)時(shí)的技術(shù)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(zhàn)的影響,增壓技術(shù)為能迅速普及,直到大戰(zhàn)結(jié)束后,增壓技術(shù)的研究和應(yīng)用才受到重視。1950年增壓技術(shù)才開始在柴油機(jī)上使用并作為產(chǎn)品提供市場(chǎng)。
50年代,增壓度約為50%,四沖程機(jī)的平均有效壓力約為0.7—0.8MPa,無(wú)中冷,處于一個(gè)技術(shù)水平較低的發(fā)展階段。其后20多年間,增壓技術(shù)得到了迅速的發(fā)展和廣泛地采用。
70年代,增壓度達(dá)200%以上,正式作為商品提供的柴油機(jī)的平均有效壓力,四沖程機(jī)已達(dá)2.0MPa以上,二沖程機(jī)已超過(guò)1.3MPa,普遍采用中冷,使高增亞(2.0MPa)四沖程機(jī)實(shí)用化。單級(jí)增壓比接近5,并發(fā)展了兩級(jí)增壓和超高增壓系統(tǒng),相對(duì)于50年代初期剛采用增壓技術(shù)的發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)水平,30年來(lái)有了驚人的發(fā)展。
進(jìn)入80年代,仍保持這種發(fā)展勢(shì)頭。進(jìn)排氣系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì),提高充氣效率,充分利用廢氣能量,出現(xiàn)諧振進(jìn)氣系統(tǒng)和MPC增壓系統(tǒng)??勺兘孛鏈u輪增壓器,使得單級(jí)渦輪增壓比可達(dá)到5甚至更高。采用超高增壓系統(tǒng),壓力比可達(dá)10以上,而發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比可降至6以下,發(fā)動(dòng)機(jī)的功率輸出可提高2—3倍。進(jìn)一步發(fā)展到與動(dòng)力渦輪復(fù)合式二級(jí)渦輪增壓系統(tǒng)。由此可見,高增壓、超高增壓的效果是可觀的,將發(fā)動(dòng)機(jī)的性能提高到了一個(gè)嶄新的水平。
轉(zhuǎn)動(dòng)式內(nèi)燃機(jī)
在蒸汽機(jī)的發(fā)展歷史中有從往復(fù)活塞式蒸汽機(jī)到蒸汽輪機(jī)的演化。這一點(diǎn),對(duì)內(nèi)燃機(jī)的發(fā)展大有啟發(fā)的。往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)運(yùn)動(dòng)要通過(guò)曲軸連桿機(jī)構(gòu)或凸輪機(jī)構(gòu)、擺盤機(jī)構(gòu)、搖臂機(jī)構(gòu)等,轉(zhuǎn)換為功率輸出軸的轉(zhuǎn)動(dòng),這樣不僅使機(jī)構(gòu)復(fù)雜,而且由于轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的摩擦損耗,還會(huì)降低機(jī)械效率。另外由于活塞組的往復(fù)運(yùn)動(dòng)造成曲柄連桿機(jī)構(gòu)的往復(fù)慣性力,這個(gè)慣性力與轉(zhuǎn)速的平方成正比。隨轉(zhuǎn)速的提高,軸承上的慣性負(fù)荷顯著增加,并由于慣性力的不平衡而產(chǎn)生強(qiáng)烈的振動(dòng)。此外,往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)還有一套復(fù)雜的氣門控制機(jī)構(gòu)。于是人們?cè)O(shè)想:既然工具機(jī)的運(yùn)動(dòng)形式大部分都是軸的轉(zhuǎn)動(dòng),能否效法從往復(fù)活塞式蒸汽機(jī)到蒸汽輪機(jī)的路子,使熱能直接轉(zhuǎn)化為軸的轉(zhuǎn)動(dòng)呢?于是人們開始了在這一領(lǐng)域的探索。
燃?xì)廨啓C(jī)
1873年布拉頓(GeorgeBrayton)制造了一種定壓燃燒的發(fā)動(dòng)機(jī)。該機(jī)能提供使燃?xì)馔耆蛎浀酱髿鈮核l(fā)出的功率。20世紀(jì)初法國(guó)的阿曼卡(BeneArmangaud)等成功地應(yīng)用布拉頓循環(huán)原理制成燃?xì)廨啓C(jī)。但是,因當(dāng)時(shí)條件限制,熱效率很低未能得到發(fā)展。
到30年代,由于空氣動(dòng)力學(xué)及耐高溫合金材料和冷卻系統(tǒng)的進(jìn)展,為燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)入實(shí)用創(chuàng)造了條件。燃?xì)廨啓C(jī)雖然是內(nèi)燃機(jī),但它沒(méi)有像往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)那樣必須在封閉的空間里和限定的時(shí)間內(nèi)燃燒的限制,所以不會(huì)發(fā)生像汽油機(jī)那樣令人擔(dān)心的爆震,也很少像柴油機(jī)那樣受摩擦損失的限制;且燃料燃燒所產(chǎn)生的氣體直接推動(dòng)葉輪轉(zhuǎn)動(dòng),故它的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單(與活塞式內(nèi)燃機(jī)相比,其部件僅為它的1/6左右)、質(zhì)量輕、體積小、運(yùn)行費(fèi)用省,且易于采用多種燃料,也較少發(fā)生故障。雖然燃?xì)廨啓C(jī)目前尚存在一些缺點(diǎn):壽命短、需要高級(jí)耐熱鋼材和成本高及排污(主要是NOx)較嚴(yán)重等,致使至今燃?xì)廨啓C(jī)的應(yīng)用仍局限于飛機(jī)、船舶、發(fā)電廠和機(jī)車,但是由于布拉頓循環(huán)的優(yōu)越性和燃?xì)廨啓C(jī)對(duì)燃油的限制少及上述的其它優(yōu)點(diǎn),使得它仍為現(xiàn)在和將來(lái)人們致力研究的動(dòng)力技術(shù)之一。若突破渦輪入口溫度,大大提高熱效率,且克服其它缺點(diǎn),燃?xì)廨啓C(jī)有望取代汽、柴油機(jī)。
旋轉(zhuǎn)活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)
一直以來(lái)人們都在致力于建造旋轉(zhuǎn)式發(fā)動(dòng)機(jī),其目標(biāo)是避免往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)固有的復(fù)雜性。在1910年以前,人們?cè)岢鲞^(guò)2000多個(gè)旋轉(zhuǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)的方案。20世紀(jì)初,又有許多人提出不同的方案,但大多因結(jié)構(gòu)復(fù)雜或無(wú)法解決氣缸密封問(wèn)題而不能實(shí)現(xiàn)。直到1954年,德國(guó)人汪克爾(FelixWankel)經(jīng)長(zhǎng)期研究,突破了氣缸密封這一關(guān)鍵技術(shù),才使具有長(zhǎng)短幅圓外旋輪線缸體的三角旋轉(zhuǎn)活塞發(fā)動(dòng)機(jī)首次運(yùn)轉(zhuǎn)成功。轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)一圈可以實(shí)現(xiàn)進(jìn)氣、壓縮、燃燒膨脹和排氣過(guò)程,按奧托循環(huán)運(yùn)轉(zhuǎn)。1962年三角轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)作為船用動(dòng)力,到80年代日本東洋工業(yè)公司把它用于汽車引擎。
轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)有一系列的優(yōu)點(diǎn):
1、它取消了曲柄連桿機(jī)構(gòu)、氣門機(jī)構(gòu)等,得以實(shí)現(xiàn)高速化。
2、質(zhì)量輕(比往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)質(zhì)量下降1/2到1/3)、結(jié)構(gòu)和操作簡(jiǎn)單(零件數(shù)量比往復(fù)式少40%,體積減少50%)。
3、在排氣污染方面也有所改善,如NOx產(chǎn)生較少。
但轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)也存在著嚴(yán)重的不足之處:
1、.這種結(jié)構(gòu)的密封性能較差,至今只能作為壓縮比低的汽油機(jī)使用。
2、由于高速帶來(lái)了扭矩低,組織經(jīng)濟(jì)的燃燒過(guò)程困難。
3、壽命短、可靠性低以及加工長(zhǎng)短軸旋輪線的專用機(jī)床構(gòu)造復(fù)雜等。
內(nèi)燃機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)
內(nèi)燃機(jī)的發(fā)明,至今已有100多年的歷史。如果把蒸汽機(jī)的發(fā)明認(rèn)為是第一次動(dòng)力革命,那么內(nèi)燃機(jī)的問(wèn)世當(dāng)之無(wú)愧是第二次動(dòng)力革命。因?yàn)樗粌H是動(dòng)力史上的一次大飛躍,而且其應(yīng)用范圍之廣、數(shù)量之多也是當(dāng)今任何一種別的動(dòng)力機(jī)械無(wú)與倫比的。隨著科技的發(fā)展,內(nèi)燃機(jī)在經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性、可靠性等諸多方面取得了驚人的進(jìn)步,為人類做出了巨大貢獻(xiàn)。蒸汽機(jī)從初創(chuàng)到完成花去了一個(gè)世紀(jì)的時(shí)間,從完成到極盛又走了一個(gè)世紀(jì),從極盛到衰落大約也是一個(gè)世紀(jì)。內(nèi)燃機(jī)的發(fā)明也經(jīng)歷了一個(gè)世紀(jì)的歷程,從那時(shí)起,人類又前進(jìn)了一個(gè)世紀(jì),可以說(shuō)如今內(nèi)燃機(jī)已進(jìn)入了極盛時(shí)期。在世紀(jì)之交的今天,我們關(guān)注內(nèi)燃機(jī)的未來(lái),人們?cè)谑媚恳源耐瑫r(shí),更希望內(nèi)燃機(jī)能在新的世紀(jì)再創(chuàng)輝煌的業(yè)績(jī)。這里我將向大家展示新世紀(jì)里內(nèi)燃機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)。
內(nèi)燃機(jī)增壓技術(shù)
從內(nèi)燃機(jī)重要參數(shù)(壓力、溫度、轉(zhuǎn)速)的發(fā)展規(guī)律來(lái)看,可以發(fā)現(xiàn)這三個(gè)參數(shù)在1900年以前隨著年代的推移提高得很快。而在1900年以后,尤其是1950年以后,溫度、轉(zhuǎn)速提高變慢,而平均有效壓力隨著年代的增加仍直線上升。實(shí)踐證明:提高平均有效壓力可以大幅度地提高效率,減輕質(zhì)量。而提高平均有效壓力的技術(shù)就是提高增壓度。如柴油機(jī)增壓可大幅度地縮小柴油機(jī)進(jìn)氣管尺寸,并使氣缸有足夠大的充氣效率用于提高柴油機(jī)的功率,使之能在一個(gè)寬廣的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)既提高功率又有大的扭矩。一臺(tái)增壓中冷柴油機(jī)可以使功率成倍提高,而造價(jià)僅提高15%~30%,即每馬力造價(jià)可平均降低40%。所以增壓、高增壓、超高增壓是當(dāng)前內(nèi)燃機(jī)重要的發(fā)展方向之一。但是這只是問(wèn)題的一個(gè)方面,另一個(gè)方面發(fā)動(dòng)機(jī)強(qiáng)化和超強(qiáng)化會(huì)給零部件帶來(lái)過(guò)大的機(jī)械負(fù)荷和熱負(fù)荷,特別是熱負(fù)荷問(wèn)題已成為發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)一步強(qiáng)化的限制;再就是單級(jí)高效率、高壓比壓氣機(jī)也限制了增壓技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展,因此,不是增壓度越高越好的。
內(nèi)燃機(jī)電子控制技術(shù)
內(nèi)燃機(jī)電子控制技術(shù)產(chǎn)生于20世紀(jì)60年代后期,通過(guò)70年代的發(fā)展,80年代趨于成熟。隨著電子技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展,內(nèi)燃機(jī)電子控制技術(shù)將會(huì)承擔(dān)更加重要的任務(wù),其控制面會(huì)更寬,控制精度會(huì)更高,智能化水平也會(huì)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(tài)的機(jī)械磨損檢測(cè)控制等較大難度的內(nèi)燃機(jī)控制將成為現(xiàn)實(shí)并得到廣泛應(yīng)用。內(nèi)燃機(jī)電子控制是由單獨(dú)控制向綜合、集中控制方向發(fā)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(fā)展的。隨著人類進(jìn)入電子時(shí)代,21世紀(jì)的內(nèi)燃機(jī)也將步入“內(nèi)燃機(jī)電子時(shí)代”,其發(fā)展情況將與高速發(fā)展的電子技術(shù)相適應(yīng)。內(nèi)燃機(jī)電子控制技術(shù)是內(nèi)燃機(jī)適應(yīng)社會(huì)發(fā)展需求的主要技術(shù)依托,也是內(nèi)燃機(jī)保持21世紀(jì)輝煌的重要影響因素。
內(nèi)燃機(jī)材料技術(shù)
內(nèi)燃機(jī)使用的傳統(tǒng)材料是鋼、鑄鐵和有色金屬及其合金。在內(nèi)燃機(jī)發(fā)展過(guò)程中,人們不斷對(duì)其經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性、排放等提出了更高的要求,從而對(duì)內(nèi)燃機(jī)材料的要求相應(yīng)提高。根據(jù)內(nèi)燃機(jī)今后的發(fā)展目標(biāo),對(duì)內(nèi)燃機(jī)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(zhì)量輕等方面。要促進(jìn)內(nèi)燃機(jī)材料的發(fā)展,除采用改變材料化學(xué)成分與含量來(lái)達(dá)到零部件所要求的物理、機(jī)械性能這一常規(guī)方法外,也可采用表面強(qiáng)化工藝來(lái)使材料達(dá)到所需的要求,但內(nèi)燃機(jī)材料的發(fā)展更需要我們?nèi)ラ_發(fā)適應(yīng)不同工作狀態(tài)的新材料。與內(nèi)燃機(jī)傳統(tǒng)材料相比,陶瓷材料具有無(wú)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(qiáng)塑料)具有比傳統(tǒng)材料優(yōu)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(yōu)良的綜合性能,可用在許多內(nèi)燃機(jī)零件上,如噴油點(diǎn)火零件、燃燒室、活塞頂?shù)?,若能克服脆性、成本等方面的弱點(diǎn),在新世紀(jì)里將會(huì)得到廣泛應(yīng)用。工程塑料也可用于許多內(nèi)燃機(jī)零件,如內(nèi)燃機(jī)上的各種罩蓋、活塞裙部、正時(shí)齒輪、推桿等,隨著工藝水平的提高及價(jià)格的降低,未來(lái)工程塑料在內(nèi)燃機(jī)上的應(yīng)用將會(huì)與日俱增。綜合內(nèi)燃機(jī)的各種材料,為揚(yáng)長(zhǎng)避短,在新材料的基礎(chǔ)上又開發(fā)出了以金屬、塑料或陶瓷為基材的各種復(fù)合材料,并開始在內(nèi)燃機(jī)上逐漸推廣使用。
展望新世紀(jì),在今后一段時(shí)期內(nèi),鋼、鑄鐵和有色金屬及其合金,仍將是內(nèi)燃機(jī)的主要材料。各種表面強(qiáng)化工藝將更加先進(jìn),并得到廣泛應(yīng)用。以金屬、塑料、陶瓷為基材的各種復(fù)合材料將在10年之后進(jìn)入驚人的高速推廣時(shí)期,新材料在內(nèi)燃機(jī)上的使用也將同時(shí)加速。
內(nèi)燃機(jī)制造技術(shù)
內(nèi)燃機(jī)的發(fā)展水平取決于其零部件的發(fā)展水平,而內(nèi)燃機(jī)零部件的發(fā)展水平,是由生產(chǎn)制造技術(shù)等因素來(lái)決定的。也就是說(shuō),內(nèi)燃機(jī)零部件的制造技術(shù)水平,對(duì)主機(jī)的性能、壽命及可靠性有決定性的影響。同樣制造技術(shù)與設(shè)備的關(guān)系也是密不可分的,每當(dāng)新一代設(shè)備或工藝材料研制成功,都會(huì)給制造技術(shù)的革新帶來(lái)突破性的進(jìn)展。進(jìn)入新世紀(jì)后,科學(xué)技術(shù)的發(fā)展會(huì)異常迅猛,新設(shè)備的研制周期將越來(lái)越短,因此新世紀(jì)內(nèi)燃機(jī)制造技術(shù)必將形成迅速發(fā)展的局面。
由于鑄造技術(shù)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(nèi)燃機(jī)鑄造的主要零件如機(jī)體、缸蓋可以制成形狀復(fù)雜曲面及箱型結(jié)構(gòu)的薄壁鑄件。這不僅在很大程度上提高了機(jī)體剛度,降低了噪聲輻射,而且使內(nèi)燃機(jī)達(dá)到輕量化。由于象噴涂、重熔、燒結(jié)、堆焊、電化學(xué)加工、激光加工等局部表面強(qiáng)化技術(shù)的進(jìn)步,使材料功能得到完善的發(fā)揮;由于設(shè)備水平提高,加工制造技術(shù)向高精度、高效率、自動(dòng)化方向發(fā)展,帶動(dòng)了內(nèi)燃機(jī)零部件生產(chǎn)向高集中化程度發(fā)展。另一方面,柔性制造技術(shù)的推廣,使內(nèi)燃機(jī)產(chǎn)品更新?lián)Q代具有更大的靈活性和適應(yīng)性。多品種小批量生產(chǎn)的柔性制造系統(tǒng)引起了內(nèi)燃機(jī)制造商們的廣泛認(rèn)同,也順應(yīng)了生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展及市場(chǎng)形勢(shì)的變化。電子技術(shù)及計(jì)算機(jī)在設(shè)計(jì)、制造、試驗(yàn)、檢測(cè)、工藝過(guò)程控制上的應(yīng)用,推動(dòng)了行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步,提高了內(nèi)燃機(jī)的產(chǎn)品質(zhì)量。新材料的發(fā)展也推動(dòng)了內(nèi)燃機(jī)零部件生產(chǎn)工藝的變革,特別是工程塑料、陶瓷材料及復(fù)合材料在內(nèi)燃機(jī)上的運(yùn)用,有力地促進(jìn)了內(nèi)燃機(jī)制造技術(shù)的發(fā)展。隨著內(nèi)燃機(jī)電控技術(shù)的發(fā)展,電控系統(tǒng)三大組成部分(傳感器、執(zhí)行器、控制單元)將成為內(nèi)燃機(jī)零部件行業(yè)的重要分支,同時(shí)向傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)制造業(yè)提出了新的課題。
由此我們可以推斷:在21世紀(jì),內(nèi)燃機(jī)制造技術(shù)將向高精度、多元化方面飛速發(fā)展。它的發(fā)展速度和方向不僅關(guān)系到內(nèi)燃機(jī)的質(zhì)量,還直接對(duì)內(nèi)燃機(jī)的未來(lái)產(chǎn)生重大影響。就其產(chǎn)品技術(shù)進(jìn)步快慢而言,汽車內(nèi)燃機(jī)發(fā)展最快,其次是機(jī)車、船舶、發(fā)電機(jī)組、工程機(jī)械、農(nóng)業(yè)機(jī)械等。
內(nèi)燃機(jī)代用燃料
由于世界石油危機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣對(duì)環(huán)境的污染日益嚴(yán)重,內(nèi)燃機(jī)技術(shù)的研究轉(zhuǎn)向高效節(jié)能及開發(fā)利用潔凈的代用燃料。以汽油機(jī)和柴油機(jī)為基礎(chǔ)進(jìn)行改造或重新設(shè)計(jì),開發(fā)以天然氣、液化石油氣和氫氣等為燃料的氣體發(fā)動(dòng)機(jī)為目前和今后一段時(shí)間內(nèi)內(nèi)燃機(jī)技術(shù)的重點(diǎn)之一。其中氣體發(fā)動(dòng)機(jī)的功率恢復(fù)技術(shù)和氫氣發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒控制等是其中的重中之重。
綜述
內(nèi)燃機(jī)在應(yīng)用中不斷發(fā)展,各種內(nèi)燃機(jī)彼此相互競(jìng)爭(zhēng),相互滲透,相互綜合,從中演化出各種新的混合式發(fā)動(dòng)機(jī)。如燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)明和發(fā)展一方面對(duì)柴油機(jī)形成競(jìng)爭(zhēng),另一方面也補(bǔ)充了柴油機(jī),使柴油機(jī)廢氣渦輪增壓得到完善,反過(guò)來(lái)增強(qiáng)了柴油機(jī)的競(jìng)爭(zhēng)能力。燃?xì)廨啓C(jī)本來(lái)也是蒸汽輪機(jī)的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手,但人們把燃?xì)廨啓C(jī)和蒸汽輪機(jī)這兩種按不同熱力循環(huán)工作的熱機(jī)聯(lián)合在一起,構(gòu)成一種嶄新的高效循環(huán):燃?xì)狻羝啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)。熱力學(xué)第二定律告訴我們,要提高熱效率,應(yīng)盡可能提高熱機(jī)的加熱溫度和降低排熱溫度。蒸汽機(jī)的排熱溫度較低(約300K),但由于水蒸氣本身特性和設(shè)備條件的限制,其加熱溫度不可能太高,目前穩(wěn)定在800~900K以下。隨著冶金和冷卻技術(shù)的發(fā)展,燃?xì)廨啓C(jī)的加熱溫度一直在上升,目前已達(dá)1300~1500K左右;但其排熱溫度卻不能太低,一般為700~800K,甚至更高。所以這兩種熱機(jī)目前的實(shí)際熱效率都未超過(guò)40%。燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán),將燃?xì)廨啓C(jī)的排氣送進(jìn)余熱鍋爐生產(chǎn)蒸氣,供蒸汽輪機(jī)利用。聯(lián)合循環(huán)可以同時(shí)取得燃?xì)廨啓C(jī)加熱溫度高和蒸汽輪機(jī)排熱溫度低的雙重優(yōu)點(diǎn)。目前此聯(lián)合循環(huán)機(jī)組最高熱效率已達(dá)47%以上。如果把它作為熱電并供機(jī)組使用,其燃料利用率可達(dá)80%左右。
混合動(dòng)力的意義越來(lái)越廣,如電動(dòng)馬達(dá)加汽油機(jī)或柴油機(jī),以應(yīng)用各自的優(yōu)點(diǎn),屏蔽各自的缺點(diǎn)。而日產(chǎn)汽車工業(yè)公司則把高性能的發(fā)電機(jī)兼電動(dòng)機(jī)裝入柴油機(jī)飛輪的位置,成功地研制出名符其實(shí)的混合式發(fā)動(dòng)機(jī),即成功地開發(fā)了使兩種原理同時(shí)作用的原動(dòng)機(jī)(HIMR發(fā)動(dòng)機(jī))。混合式發(fā)動(dòng)機(jī)是未來(lái)動(dòng)力技術(shù)的熱點(diǎn)之一,它極有望成為既不損害人類已獲得的方便,又能保持美好環(huán)境的機(jī)械。
內(nèi)燃機(jī)的發(fā)展史表明,具有本質(zhì)上優(yōu)越性的新技術(shù),是富有生命力的新生事物,必有廣闊的發(fā)展前途。第一臺(tái)實(shí)用內(nèi)燃機(jī)熱效率只有4%,而當(dāng)時(shí)蒸汽機(jī)的熱效率已達(dá)8%~10%;但內(nèi)燃機(jī)“內(nèi)燃”本質(zhì)上的優(yōu)越性決定了它很快地就超過(guò)了蒸汽機(jī)。
綜上所述,21世紀(jì)的內(nèi)燃機(jī)將面臨來(lái)自各方面的挑戰(zhàn),它將義無(wú)返顧地朝著節(jié)約能源、燃料多樣化、提高功率、延長(zhǎng)壽命、提高可靠性、降低排放和噪聲、減輕質(zhì)量、縮小體積、降低成本、簡(jiǎn)化維護(hù)保養(yǎng)等方向迅猛發(fā)展。在21世紀(jì),天然氣、醇類、植物油及氫等代用燃料將為內(nèi)燃機(jī)增添新的活力,而內(nèi)燃機(jī)電子控制技術(shù)在提高品質(zhì)的同時(shí)也延長(zhǎng)了內(nèi)燃機(jī)行業(yè)的“生命”。新材料、新工藝的技術(shù)革命,為21世紀(jì)內(nèi)燃機(jī)的發(fā)展產(chǎn)生了新的推動(dòng)力。21世紀(jì)的內(nèi)燃機(jī),將在造福人類的同時(shí)不斷彌補(bǔ)自身缺陷,以盡可能完美的形象為人類作出新的貢獻(xiàn)
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