柴油发动机发展历程

1、柴油发动机的发展历程柴油发动机的发展历程广州渔业船舶检验分局广州渔业船舶检验分局 梁梁 燕燕 内燃机以其热效率高、结构凑，内燃机以其热效率高、结构凑，机动性强，运行维护简便的优点著称机动性强，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它的热力的拥有量大大超过了任何其它的热力发动机，在国民经济中占有相当重要发动机，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、无一与之匹敌用量最大、用途最广、无一与之匹敌的

2、的最重要的热能机械。现代内燃机的的最重要的热能机械。现代内燃机的最大功率为的最大功率为8万千瓦。万千瓦。 l1860年，法国发明家莱诺制成了第一台实用年，法国发明家莱诺制成了第一台实用内燃机（单缸、二冲程、无压缩和电点火的内燃机（单缸、二冲程、无压缩和电点火的煤气机，输出功率为煤气机，输出功率为0.741.47KW，转速为，转速为100r/min，热效率为，热效率为4%）。）。l1862年法国工程师德罗沙认识到，要想尽可年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，膨胀时活塞的速容积的冷却面积尽量减小，膨胀

3、时活塞的速率尽量快，膨胀的范围（冲程）尽量长。在率尽量快，膨胀的范围（冲程）尽量长。在此基础上，他在提出了著名的等容燃烧四冲此基础上，他在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。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年，德国人奥托制成了第一台四冲程往复活塞式内燃机台四冲程往复活塞式内燃机（单缸、卧式、以煤气为燃料、（单缸、卧式、以煤气为燃料、功率大约为功率大约为2.21KW、180r/min）。在这部发动机上，）。在这部发动机上，奥托增加了飞轮，使运转平稳，奥托增加了飞轮，使运转平稳，把进气道加长，又改进了气缸把进气道加长，又改进了气缸盖

4、，使混合气充分形成。这是盖，使混合气充分形成。这是一部非常成功的机，奥托把三一部非常成功的机，奥托把三个关键的技术思想：内燃、压个关键的技术思想：内燃、压缩燃气、四冲程融为一体，使缩燃气、四冲程融为一体，使这种内燃机具有效率高、体积这种内燃机具有效率高、体积小、质量轻和功率大等一系列小、质量轻和功率大等一系列优点。在优点。在1878年巴黎万国博览年巴黎万国博览会上会上,被誉为被誉为“瓦特以来动力机瓦特以来动力机方面最大的成就方面最大的成就”。等容燃烧。等容燃烧四冲程循环由奥托实现四冲程循环由奥托实现,也被称也被称为奥托循环。为奥托循环。 煤气机虽然比蒸汽机具有很大的优越性煤气机虽然比蒸汽机具有

5、很大的优越性,但在社会化大生产情况下但在社会化大生产情况下,仍不能满足交通运仍不能满足交通运输业所要求的高速、轻便等性能。因为它以输业所要求的高速、轻便等性能。因为它以煤气为燃料煤气为燃料,需要庞大的煤气发生炉和管道系需要庞大的煤气发生炉和管道系统。而且煤气的热值低统。而且煤气的热值低(约约1.751072.09107J/m3),故煤气机转速慢故煤气机转速慢,比功率小。比功率小。到到19世纪下半叶世纪下半叶,随着石油工业的兴起随着石油工业的兴起,用石油用石油产品取代煤气作燃料已成为必然趋势。产品取代煤气作燃料已成为必然趋势。 1883年，戴姆勒和迈巴赫制成了第一台四冲程往复式汽油机汽油机，此发

6、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8001000r/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。 柴油机几乎是与汽油机同时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。德国狄塞尔博士于互推动的。德国

7、狄塞尔博士于1892年获得压缩点火压缩机的技年获得压缩点火压缩机的技术专利术专利1897年制成了第一台压缩年制成了第一台压缩点火的点火的“狄塞尔狄塞尔”内燃机，即柴内燃机，即柴油机，从此揭开了柴油机发展的油机，从此揭开了柴油机发展的新编章。新编章。 柴油机的高压缩比带来众多的优点：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。、不但可以省去化油器和点火装置，提高了热效率。2、柴油机由于其压缩比大、柴油机由于其压缩比大,最大功率点、单位功率最大功率点、单位功率的油耗低。在现代优秀的发动机中的油耗低。在现代优秀的发动机中,柴油机的油耗约柴油机的油耗约为汽油机的为汽

8、油机的70%，柴油机是目前热效率最高的内燃，柴油机是目前热效率最高的内燃机。机。3、柴油机因为压缩比高、柴油机因为压缩比高,发动机结实发动机结实,故经久耐用、故经久耐用、寿命长。寿命长。同时高压缩比也带来了缺点同时高压缩比也带来了缺点:1、柴油机的结构笨重。通常柴油的单位功率质量约、柴油机的结构笨重。通常柴油的单位功率质量约为汽油为汽油 机的机的1.53倍。倍。2、在同一排量下、在同一排量下,柴油机的输出功率约为汽油机的柴油机的输出功率约为汽油机的1/3。 当今柴油机的技术水平表现为:优良的燃烧系统；采用4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

9、；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。 内燃机的发展趋势内燃机的发展趋势内燃机增压技术内燃机增压技术 增压技术在柴油机上的增压技术在柴油机上的应用。早在应用。早在20年代就有人提年代就有人提出压缩空气提高进气密度的出压缩空气提高进气密度的设想，直到设想，直到1926年瑞士人年瑞士人A.J.伯玉希才第一次设计了伯玉希才第一次设计了一台带废气涡轮增压器的增一台带废气涡轮增压器的增压发动机。由于当时的技术压发动机。由于当时的技术水平和工艺、材料的限制，水平和工艺、材料的限制，还难以制造出性能良好的涡还难以制造出性能良好的涡轮增压器，加上二次大战的轮增压器

10、，加上二次大战的影响，增压技术未能迅速普影响，增压技术未能迅速普及，直到大战结后，增压技及，直到大战结后，增压技术的研究和应用才受到重视。术的研究和应用才受到重视。1950年增压技术才开始在柴年增压技术才开始在柴油机上使用并作为产品提供油机上使用并作为产品提供市场。市场。50年代，增压度约为年代，增压度约为50%，四冲程机的平均有效，四冲程机的平均有效压力约为压力约为0.70.8MPa。 发动机发动机发动机进气发动机进气 发动机排发动机排气气涡轮增压器涡轮增压器 70年代，增压度达年代，增压度达200%以上，四冲程机已达以上，四冲程机已达2.0MPa以上，二冲程机已以上，二冲程机已1.3MPa

11、，普遍采用中冷，使高增压普遍采用中冷，使高增压（2.0MPa）四冲程机实用）四冲程机实用化。单级增压比接近化。单级增压比接近5，并发，并发展了两级增压和超高增压系展了两级增压和超高增压系统。统。 80年代，仍保持这种发展年代，仍保持这种发展势头。进排气系统的优化设势头。进排气系统的优化设计，提高充气效率，充分利计，提高充气效率，充分利用废气能量，出现谐振进气用废气能量，出现谐振进气系统和系统和MPC增压系统。可变增压系统。可变截面涡轮增压器，使得单级截面涡轮增压器，使得单级涡轮增压比可达到涡轮增压比可达到5甚至更高。甚至更高。采用超高增压系统，压力比采用超高增压系统，压力比可达可达10以上，而

12、发动机的压以上，而发动机的压缩比可降至缩比可降至6以下发动机的功以下发动机的功率输出可提高率输出可提高23倍。进一倍。进一步发展到与动力涡轮复合式步发展到与动力涡轮复合式二级涡轮增压系统。提高平二级涡轮增压系统。提高平均有效压力可以大幅度地提均有效压力可以大幅度地提高效率，减轻量。一台增压高效率，减轻量。一台增压中冷柴油机可以使功率成倍中冷柴油机可以使功率成倍提高，而造价仅提高提高，而造价仅提高15%30%，即每马力造价可平均，即每马力造价可平均降低降低40%。 内燃机电子控制技术内燃机电子控制技术 内燃机电子控制技术产生内燃机电子控制技术产生于于20世纪世纪60年代后期年代后期,通过通过70

13、年代的发展年代的发展,80年代趋于成熟。年代趋于成熟。随着电子技术的进一步发展随着电子技术的进一步发展,内燃机电子控制技术内燃机电子控制技术,其控制其控制面会更宽面会更宽,控制精度会更高控制精度会更高,智能化水平也会更高。诸如智能化水平也会更高。诸如燃烧室容积和形状变化的控燃烧室容积和形状变化的控制、压缩比变化控制、工作制、压缩比变化控制、工作状态的机械磨损检测控制等状态的机械磨损检测控制等较大难度的内燃机控制将成较大难度的内燃机控制将成为现实并得到广泛用。内燃为现实并得到广泛用。内燃机电子控制是由单独控制向机电子控制是由单独控制向综合、集中控制方向发展综合、集中控制方向发展,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发展控制的高效率及高精度发展的。内燃机电子控制技术是的。内燃机电子控制技术是内燃机适应社会发展需求的内燃机适应社会发展需求的主要技术依托主要技术依托,也是内燃机保也是内燃机保持持21世纪辉煌的重要影响因世纪辉煌的重要影响因素。素。内燃机材料技术内燃机材料技术 内燃机使用的传统材料是钢、铸铁和有色金属及其合金。内燃机使用的传统材料是钢、铸铁和有色金属及其合金。在内燃机发展过程中，人们不断对其经济性、动力性、排在内燃机发展过程中，人们不断对其经济性、动力性、排放等提出了更高的要求，从而对内燃机材料的要求相应提放等提出了更高的要求，从而对内燃机

15、材料的要求相应提高。对内燃机材料的要求主要集中在绝热性、耐热性、耐高。对内燃机材料的要求主要集中在绝热性、耐热性、耐磨性、减摩性、耐腐蚀性及热膨胀小、质量轻等方面。现磨性、减摩性、耐腐蚀性及热膨胀小、质量轻等方面。现代的陶瓷材料具有无可比拟的绝热性和耐热性，陶瓷材料代的陶瓷材料具有无可比拟的绝热性和耐热性，陶瓷材料和工程塑料和工程塑料(如纤维增强塑料如纤维增强塑料)具有比传统材料优越的减摩性、具有比传统材料优越的减摩性、耐磨性和耐腐蚀性耐磨性和耐腐蚀性,其比重与铝合金不相上下而比钢和铸铁其比重与铝合金不相上下而比钢和铸铁轻得多。因此轻得多。因此,陶瓷材料陶瓷材料(高性能陶瓷高性能陶瓷)凭借其优

16、良的综合性凭借其优良的综合性能，可用在许多内燃机零件上，如喷油点火零件、燃烧室、能，可用在许多内燃机零件上，如喷油点火零件、燃烧室、活塞顶等应用。若能克服脆性、成本等方面的弱点，在新活塞顶等应用。若能克服脆性、成本等方面的弱点，在新世纪里将会得到广泛应用。工程塑料也可用于许多内燃机世纪里将会得到广泛应用。工程塑料也可用于许多内燃机零件，如内燃机上的各种罩盖、活塞裙部、正时齿轮、推零件，如内燃机上的各种罩盖、活塞裙部、正时齿轮、推杆等，随着工艺水平的提高及价格的降低杆等，随着工艺水平的提高及价格的降低,未来工程塑料在未来工程塑料在内燃机上的应用将会与日俱增。内燃机上的应用将会与日俱增。l精细陶瓷

17、又称高性能陶瓷、高技术陶瓷。按其用途可分成工程陶瓷和功能陶瓷两大类。前者主要利用它们的高硬度、高熔点、耐磨损、耐腐蚀性能；后者主要利用它们的光、声、电、热、磁等物理特性。按化学组成可分成氧化物类和非氧化物类。前者包括各种氧化物和含氧酸盐；后者包括氮化物、碳化物、硼化物等。前一类一般作功能陶瓷用，后一类作工程陶瓷用。精细陶瓷主要用于制造发动机部件、汽车部件、电视机、吹风机、火灾警报器、高温挤型模具等，还可用于制造耐高温喷嘴。l纳米级的材料称为纳米材料,纳米（）是长纳米（）是长度单位，度单位，1纳米是纳米是10 米米 （一纳米为10亿分之一米）人的头发丝的直径一般为人的头发丝的直径一般为70008

18、000，红细胞的直径一般为，红细胞的直径一般为3000-5000，l纳米材料主要特性：l高抗菌、防污、耐磨、强度大（钢的100倍）、材料轻（钢的1/10）l纳米碳化硅是高温纳米碳化硅是高温,高频和高压等苛刻环境下理高频和高压等苛刻环境下理想的结构和功能材料，在航空航天、国防和原子想的结构和功能材料，在航空航天、国防和原子能等领域有重要的应用。碳化硅纳米线具有良好能等领域有重要的应用。碳化硅纳米线具有良好的弹性和柔韧性，是一种比碳化硅微米晶须性能的弹性和柔韧性，是一种比碳化硅微米晶须性能更好的金属、陶瓷和树脂复合材料增强剂。更好的金属、陶瓷和树脂复合材料增强剂。 内燃机代用燃料内燃机代用燃料由于世界石油危机和发动机尾气对环境的污染日由于世界