柴油发动机发展历程

柴油发动机的发展历程广州渔业船舶检验分局梁燕

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它的热力发动机，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。现代内燃机的最大功率为8万千瓦。

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%）。1862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机，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。

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。

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，从此揭开了柴油机发展的新编章。

1898年B&W公司从狄塞尔那里获得了柴油机在丹麦的生产特许权并于1903年制造出第一台柴油机DM8150X型柴油机（8缸4冲程、缸径530毫米、行程750毫米1912年，瑞士苏尔寿公司为了展示柴油机的潜力，投资建造了一台缸径为1000毫米，冲程1100毫米的1S100型单缸巨型柴油机。这台柴油机在150转时可发出1470千瓦（2000马力）的功率。在二战前，双动式的二冲程柴油机比较流行。这种柴油机在活塞的上下两边都设有燃烧室，可以推动活塞在两个方向都做功，因此称为双动。双动比单动能输出更大的功率，双动柴油机的设计与蒸汽机的结构颇为相似。不过双动柴油机的结构比较复杂，而且活塞杆穿透气缸，因此对气密要求很高，现代柴油机已经不再采用这种双动的方式了。

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。

2、柴油机由于其压缩比大,最大功率点、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%，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。

2、在同一排量下,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；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。14RT-flex96C船用柴油机代表了当今低速船用柴油机的水平，这是世界上首台14缸柴油机，采用了完善的RT-flex共轨技术，通过增大行程/缸径比，提高了推进效率；该机持续输出最大功率80080千瓦，转速102转/分，缸径960毫米，冲程2.5米，燃油消耗为160克/千瓦小时。该机长27.3米，高13.5米，重达2300吨，仅曲轴就重达300吨。其中最大最豪华的是“海上绿洲”（MSOasisoftheSea）级游轮。她们船长361.8米，水线宽度47米，最大宽度60.5米，型深22.55米，吃水9.3米，总吨位225282吨，拥有16层甲板。船的内部设有电影院、餐厅、健身俱乐部、溜冰场，生活和娱乐设施一应俱全，是一座海上的超五星级酒店。“海上绿洲”采用了瓦锡兰公司的V46D系列柴油机作为主机，缸径460毫米，行程580毫米，转速为500转/分。其中三台为12V46D12缸机型（单台功率13860千瓦/18590马力），另三台为16V46D16缸机型（单台功率18480千瓦/24780马力）。这些柴油机带动发电机发电，产生的电流用于驱动3台ABB公司生产20000千瓦吊舱式电力全向推进置。三台为12V46D12缸机型（单台功率13860千瓦/18590马力），另三台为16V46D16缸机型（单台功率18480千瓦/24780马力）。这些柴油机带动发电机，产生的电流用于驱动3台ABB公司生产20000千瓦吊舱式电力向推置。

内燃机的发展趋势

内燃机增压技术

增压技术在柴油机上的应用。早在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，增压技术未能迅速普及，直到大战结后，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。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。

发动机发动机进气

发动机排气涡轮增压器

70年代，增压度达200%以上，四冲程机已达2.0MPa以上，二冲程机已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。

80年代，仍保持这种发展势头。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。提高平均有效压力可以大幅度地提高效率，减轻量。一台增压中冷柴油机可以使功率成倍提高，而造价仅提高15%～30%，即每马力造价可平均降低40%。

内燃机电子控制技术

内燃机电子控制技术产生于20世纪60年代后期,通过70年代的发展,80年代趋于成熟。随着电子技术的进一步发展,内燃机电子控制技术,其控制面会更宽,控制精度会更高,智能化水平也会更高。诸如燃烧室容积和形状变化的控制、压缩比变化控制、工作状态的机械磨损检测控制等较大难度的内燃机控制将成为现实并得到广泛用。内燃机电子控制是由单独控制向综合、集中控制方向发展,是由控制的低效率及低精度向控制的高效率及高精度发展的。内燃机电子控制技术是内燃机适应社会发展需求的主要技术依托,也是内燃机保持21世纪辉煌的重要影响因素。

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。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(如纤维增强塑料)具有比传统材料优越的减摩性、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轻得多。因此,陶瓷材料(高性能陶瓷)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、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,未来工程塑料在内燃机上的应用将会与日俱增。精细陶瓷又称高性能陶瓷、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。纳米级的材料称为纳米材料,纳米（ｎｍ）是长度单位，1纳米是10

－９米

（一纳米为10亿分之一米）人的头发丝的直径一般为7000—8000ｎｍ，红细胞的直径一般为3000-5000ｎｍ，纳米材料主要特性：高抗菌、防污、耐磨、强度大（钢的100倍）、材料轻（钢的1/10）纳米碳化硅是高温,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更好的金属、陶瓷和树脂复合材料增强剂。

内燃机制造技术

内燃机的发展水平取决于其零部件的发展水平，而内燃机零部件的发展水平，是由生产制造技术等因素来决定的。也就是说，内燃机零部件的制造技术水平，对主机的性能、寿命及可靠性有决定性的影响。由于铸造技术水平的提高，气冲造型、静压造型、树脂自硬砂造型制芯、消失模铸造，使内燃机铸造的主要零件如机体、缸盖可以制成形状复杂曲面及箱型结构的薄壁铸件。这不仅在很大程度上提高了机体刚度,降低了噪声辐射，而且使内燃机达到轻量化。由于设备水平提高，加工制造技术向高精度、高效率、自动化方向发展，带动了内燃机零部件生产向高集中化程度发展。电子技术及计算机在设计、制造、试验、检测、工艺过程控制上的应用,推动了行业的技术进步，提高了