第一臺(tái)汽油機(jī)的出現(xiàn)

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電梯直達(dá)

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發(fā)表于 2007-11-20 20:53:37 | 只看該作者 |倒序?yàn)g覽 |閱讀模式

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)火問題。以前內(nèi)燃機(jī)的轉(zhuǎn)速都不超過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蕿橹鳌２扇〉闹饕夹g(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程，解決了爆震的問題，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)越來越緊湊，轉(zhuǎn)速越來越高。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,不能期望通過增加轉(zhuǎn)速來提高功率。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,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)。可變截面渦輪增壓器，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。