[科普中国]-内燃机

基本参数发展历史

活塞式内燃机起源于荷兰物理学家惠更斯用火药爆炸获取动力的研究，但因火药燃烧难以控制而未获成功。1794年，英国人斯特里特提出从燃料的燃烧中获取动力，并且第一次提出了燃料与空气混合的概念。1833年，英国人赖特提出了直接利用燃烧压力推动活塞作功的设计。2

19世纪中期，科学家完善了通过燃烧煤气，汽油和柴油等产生的热转化机械动力的理论。这为内燃机的发明奠定了基础。活塞式内燃机自19世纪60年代问世以来，经过不断改进和发展，已是比较完善的机械。它热效率高、功率和转速范围宽、配套方便、机动性好，所以获得了广泛的应用。全世界各种类型的汽车、拖拉机、农业机械、工程机械、小型移动电站和战车等都以内燃机为动力。海上商船、内河船舶和常规舰艇，以及某些小型飞机也都由内燃机来推进。世界上内燃机的保有量在动力机械中居首位，它在人类活动中占有非常重要的地位。

之后人们又提出过各种各样的内燃机方案，但在十九世纪中叶以前均未付诸实用。直到1860年，法国的勒努瓦模仿蒸汽机的结构，设计制造出第一台实用的煤气机。这是一种无压缩、电点火、使用照明煤气的内燃机。勒努瓦首先在内燃机中采用了弹力活塞环。这台煤气机的热效率为4%左右。

英国的巴尼特曾提倡将可燃混合气在点火之前进行压缩，随后又有人著文论述对可燃混合气进行压缩的重要作用，并且指出压缩可以大大提高勒努瓦内燃机的效率。1862年，法国科学家罗沙对内燃机热力过程进行理论分析之后，提出提高内燃机效率的要求，这就是最早的四冲程工作循环。

1876年，德国发明家奥托（Otto）运用罗沙的原理，创制成功第一台往复活塞式、单缸、卧式、3.2千瓦(4.4马力)的四冲程内燃机，仍以煤气为燃料，采用火焰点火，转速为156.7转/分，压缩比为2.66，热效率达到14%，运转平稳。在当时，无论是功率还是热效率，它都是最高的。

奥托内燃机获得推广，性能也在提高。1880年单机功率达到11～15千瓦(15～20马力)，到1893年又提高到150千瓦。由于压缩比的提高，热效率也随之增高，1886年热效率为15.5%，1897年已高达20～26%。1881年，英国工程师克拉克研制成功第一台二冲程的煤气机，并在巴黎博览会上展出。

随着石油的开发，比煤气易于运输携带的汽油和柴油引起了人们的注意，首先获得试用的是易于挥发的汽油。1883年，德国的戴姆勒（Daimler）创制成功第一台立式汽油机，它的特点是轻型和高速。当时其他内燃机的转速不超过200转/分，它却一跃而达到800转/分，特别适应交通动输机械的要求。1885～1886年，汽油机作为汽车动力运行成功，大大推动了汽车的发展。同时，汽车的发展又促进了汽油机的改进和提高。不久汽油机又用作了小船的动力。

1892年，德国工程师狄塞尔（Diesel）受面粉厂粉尘爆炸的启发，设想将吸入气缸的空气高度压缩，使其温度超过燃料的自燃温度，再用高压空气将燃料吹入气缸，使之着火燃烧。他首创的压缩点火式内燃机(柴油机)于1897年研制成功，为内燃机的发展开拓了新途径。

狄塞尔开始力图使内燃机实现卡诺循环，以求获得最高的热效率，但实际上做到的是近似的等压燃烧，其热效率达26%。压缩点火式内燃机的问世，引起了世界机械业的极大兴趣，压缩点火式内燃机也以发明者而命名为狄塞尔引擎。

这种内燃机以后大多用柴油为燃料，故又称为柴油机。1898年，柴油机首先用于固定式发电机组，1903年用作商船动力，1904年装于舰艇，1913年第一台以柴油机为动力的内燃机车制成，1920年左右开始用于汽车和农业机械。

早在往复活塞式内燃机诞生以前，人们就曾致力于创造旋转活塞式的内燃机，但均未获成功。直到1954年，联邦德国工程师汪克尔（Wankel）解决了密封问题后，才于1957年研制出旋转活塞式发动机，被称为汪克尔发动机。它具有近似三角形的旋转活塞，在特定型面的气缸内作旋转运动，按奥托循环工作。这种发动机功率高、体积小、振动小、运转平稳、结构简单、维修方便，但由于它燃料经济性较差、低速扭矩低、排气性能不理想，所以还只是在个别型号的轿车上得到采用。

发展趋势从2013年2月下旬我国机械工业行业市场交易情况可以看出，节后出现采购旺季。其中，内燃机以及配附件市场景气度回暖，以18%的市场交易份额位列第二位。3

分析认为，内燃机及配件制造是汽车、摩托车、船舶制造、工业机械以及农机等行业的配套产品，其产品性能必须满足下游行业的需要，同时这些行业的运行状况及景气程度将直接影响内燃机及配件产品的市场需求，具体分析如下：

1、汽车用内燃机前景预测

内燃机产品产量按配套使用用途预计，“十二五”期间，预计车用内燃机年产量达到3000万台。

2、摩托车及船舶用内燃机前景预测

内燃机产品产量按配套使用用途预计，“十二五”期间，年摩托车用汽油机达到2600万台。

3、工程机械用内燃机前景预测

“十二五”期间，产品产量按配套使用用途预计，年工程机械用内燃机达100万台。

系统机构发动机是一种由许多机构和系统组成的复杂机器。无论是汽油机，还是柴油机；无论是四行程发动机，还是二行程发动机；无论是单缸发动机，还是多缸发动机。要完成能量转换，实现工作循环，保证长时间连续正常工作，都必须具备以下一些机构和系统。4

（1） 曲柄连杆机构

曲柄连杆机构是发动机实现工作循环，完成能量转换的主要运动零件。它由机体组、活塞连杆组和曲轴飞轮组等组成。在作功行程中，活塞承受燃气压力在气缸内作直线运动，通过连杆转换成曲轴的旋转运动，并从曲轴对外输出动力。而在进气、压缩和排气行程中，飞轮释放能量又把曲轴的旋转运动转化成活塞的直线运动。

（2） 配气机构

配气机构的功用是根据发动机的工作顺序和工作过程，定时开启和关闭进气门和排气门，使可燃混合气或空气进入气缸，并使废气从气缸内排出，实现换气过程。配气机构大多采用顶置气门式配气机构，一般由气门组、气门传动组和气门驱动组组成。

（3）燃料供给系统

汽油机燃料供给系统的功用是根据发动机的要求，配制出一定数量和浓度的混合气，供入气缸，并将燃烧后的废气从气缸内排出到大气中去；柴油机燃料供给系的功用是把柴油和空气分别供入气缸，在燃烧室内形成混合气并燃烧，最后将燃烧后的废气排出。

（4） 润滑系统

润滑系统的功用是向作相对运动的零件表面输送定量的清洁润滑油，以实现液体摩擦，减小摩擦阻力，减轻机件的磨损。并对零件表面进行清洗和冷却。润滑系通常由润滑油道、机油泵、机油滤清器和一些阀门等组成。

（5） 冷却系统

冷却系统的功用是将受热零件吸收的部分热量及时散发出去，保证发动机在最适宜的温度状态下工作。水冷发动机的冷却系通常由冷却水套、水泵、风扇、水箱、节温器等组成。

（6） 点火系统

在汽油机中，气缸内的可燃混合气是靠电火花点燃的，为此在汽油机的气缸盖上装有火花塞，火花塞头部伸入燃烧室内。能够按时在火花塞电极间产生电火花的全部设备称为点火系，点火系通常由蓄电池、发电机、分电器、点火线圈和火花塞等组成。

（7） 起动系统

要使发动机由静止状态过渡到工作状态，必须先用外力转动发动机的曲轴，使活塞作往复运动，气缸内的可燃混合气燃烧膨胀作功，推动活塞向下运动使曲轴旋转。发动机才能自行运转，工作循环才能自动进行。因此，曲轴在外力作用下开始转动到发动机开始自动地怠速运转的全过程，称为发动机的起动。完成起动过程所需的装置，称为发动机的起动系。汽油机由以上两大机构和五大系统组成，即由曲柄连杆机构，配气机构、燃料供给系、润滑系、冷却系、点火系和起动系组成；柴油机由以上两大机构和四大系统组成，即由曲柄连杆机构、配气机构、燃料供给系、润滑系、冷却系和起动系组成，柴油机是压燃的，不需要点火系。

往复活塞式内燃机的组成部分主要有曲柄连杆机构、机体和气缸盖、配气机构、供油系统、润滑系统、冷却系统、起动装置等。

气缸是一个圆筒形金属机件。密封的气缸是实现工作循环、产生动力的源地。各个装有气缸套的气缸安装在机体里，它的顶端用气缸盖封闭着。活塞可在气缸套内往复运动，并从气缸下部封闭气缸，从而形成容积作规律变化的密封空间。燃料在此空间内燃烧，产生的燃气动力推动活塞运动。活塞的往复运动经过连杆推动曲轴作旋转运动，曲轴再从飞轮端将动力输出。由活塞组、连杆组、曲轴和飞轮组成的曲柄连杆机构是内燃机传递动力的主要部分。

活塞组由活塞、活塞环、活塞销等组成。活塞呈圆柱形，上面装有活塞环，借以在活塞往复运动时密闭气缸。上面的几道活塞环称为气环，用来封闭气缸，防止气缸内的气体漏泄，下面的环称为油环，用来将气缸壁上的多余的润滑油刮下，防止润滑油窜入气缸。活塞销呈圆筒形，它穿入活塞上的销孔和连杆小头中，将活塞和连杆联接起来。连杆大头端分成两半，由连杆螺钉联接起来，它与曲轴的曲柄销相连。连杆工作时，连杆小头端随活塞作往复运动，连杆大头端随曲柄销绕曲轴轴线作旋转运动，连杆大小头间的杆身作复杂的摇摆运动。

曲轴的作用是将活塞的往复运动转换为旋转运动，并将膨胀行程所作的功，通过安装在曲轴后端上的飞轮传递出去。飞轮能储存能量，使活塞的其他行程能正常工作，并使曲轴旋转均匀。为了平衡惯性力和减轻内燃机的振动，在曲轴的曲柄上还适当装置平衡质量。

常有术语工作循环：内燃机热能和机械能的转换，通过活塞在气缸中的，连续的进气，压缩，动力和排气过程。每台机器的过程称为一个工作循环。2

活塞冲程：上、下止点之间的最小直线距离，称为活塞的行程（或活塞冲程），曲轴与连杆大端的连接中心到曲轴的旋转中心之间的最小直线距离称为曲柄的旋转半径。

上止点和下止点：活塞在气缸中移动时，最高的点叫上止点（或叫上死点），最低的叫下止点。

工作容积：活塞从上止点运动到下一个点，称为气缸容积（活塞排量移）。

压缩比：就是发动机混合气体被压缩的程度，用压缩前的

气缸总容积与压缩后的气缸容积（即燃烧室容积）之比来表示空气充满气缸，气压缩比越大，表明活塞运动时，在一定的范围内气体被压缩得越厉害，其气体的温度和压力就越高，内燃机的效率也越高。

结构分类1. 根据所用燃料分： 汽油机、柴油机、天然气（CNG）、LPG发动机、乙醇发动机等，另有双燃料发动机（dual fuel engine）和灵活燃料发动机（Bi-fuel engine）。

2. 根据缸内着火方式分： 点燃式、压燃式

3. 根据冲程数分：二冲程、四冲程

4. 根据活塞运动方式分 ： 往复式、旋转式

5. 根据气缸冷却方式分 ： 水冷式、风冷式

6. 根据气缸数目分 ：单缸机、多缸机

7. 根据内燃机转速分：低速(1000 r/min)；

8. 根据进气充量压力分：自然吸气式、增压式

9. 根据汽缸排列方式，内燃机可以分为直列、斜置、对置、V形和w形。

内燃机的分类方法很多，按照不同的分类方法可以把内燃机分成不同的类型，下面让我们来看看内燃机

主要是怎样分类的。4

着火方式内燃机根据缸内着火方式的不同可以分为点燃式发动机和压燃式发动机。

点燃式发动机具有三大结构和五大系统。三大结构分别为曲柄连杆、配气机构和机体， 五大系统分别为供油、冷却、润滑、起动和点火。

压燃式发动机具有三大结构和四大系统。 三大机构分别为曲柄连杆、配气机构和机体，四大系统分别为供油、冷却、润滑、起动。

内燃机按照所使用燃料的不同可以分为汽油机和柴油机。使用汽油为燃料的内燃机称为汽油机；使用柴油为燃料的内燃机称为柴油机。汽油机与柴油机比较各有特点；汽油机转速高，质量小，噪音小，起动容易，制造成本低；柴油机压缩比大，热效率高，经济性能和排放性能都比汽油机好。

按照行程内燃机按照完成一个工作循环所需的行程数可分为四冲程内燃机和二冲程内燃机。把曲轴转两圈(720°)，活塞在气缸内上下往复运动四个行程，完成一个工作循环的内燃机称为四冲程内燃机；而把曲轴转一圈(360°)，活塞在气缸内上下往复运动两个行程，完成一个工作循环的内燃机称为二冲程内燃机。汽车发动机广泛使用四冲程内燃机。

冷却方式内燃机按照冷却方式不同可以分为水冷发动机和风冷发动机。水冷发动机是利用在气缸体和气缸盖冷却水套中进行循环的冷却液作为冷却介质进行冷却的；而风冷发动机是利用流动于气缸体与气缸盖外表面散热片之间的空气作为冷却介质进行冷却的。水冷发动机冷却均匀，工作可靠，冷却效果好，被广泛地应用于现代车用发动机。

气缸数目内燃机按照气缸数目不同可以分为单缸发动机和多缸发动机。仅有一个气缸的发动机称为单缸发动机；有两个以上气缸的发动机称为多缸发动机。如双缸、三缸、四缸、五缸、六缸、八缸、十二缸等都是多缸发动机。现代车用发动机多采用四缸、六缸、八缸发动机。

气缸排列内燃机按照气缸排列方式不同可以分为单列式和双列式)。单列式发动机的各个气缸排成一列，一般是垂直布置的，但为了降低高度，有时也把气缸布置成倾斜的甚至水平的；双列式发动机把气缸排成两列，两列之间的夹角0．15MPa），除示功图外，尚无其他适用的方法可取代。

注意问题使用误区1、循环加注润滑油或不同品质的油掺兑使用1

2、选用的润滑油粘度较高

3、单向流量控制阀或通风软管损坏后随意拆除

4、大容量的蓄电池寿命长

5、随意加添电解液

6、随便调高发电机的端电压

7、空气滤清器长期短路或随便更换不同规格的滤

8、经常在大功率、高温状态下熄火

9、高压油泵内的润滑油加注或更换不合理

10、喷油器喷油压力调整过高

11、随意拆除散热器上的空气蒸气阀

12、随意更换火花塞

燃料使用燃油是发动机的动力源，也是造成发动机故障的主要因素，洁净的燃油不含水份和杂质是极重要的，否则会造成喷油泵和油嘴严重磨损甚至损坏。4

在我国燃油质量问题一直是造成发动机寿命降低和故障的主要原因，所以在使用进口发动机尽量使用优质低含硫燃油，在无法达到要求的情况下可改造输油管路，在油水分离器前加一级粗滤或油水分离器，以不影响发动机输出功率为准选择滤芯等级。

在使用劣质燃油的情况下必须定期清洗燃油箱，否则容易在油箱中因劣质燃油含有水份和杂质多，会在油箱壁和箱底结积，长期没清洗的情况下造成结积泥皮脱落，工作中进入燃油管路，致使管路或燃油滤芯等堵塞，在日常维护中要做到良好的保养习惯，排放油箱沉积水杂质和油水分离器中沉积水。

污染空气污染内燃机（例如往复式内燃机）在工作时会由于含碳燃料的不完全燃烧而排放大气污染物。内燃机的最重要排放物是二氧化碳、水汽和一些碳黑颗粒物。取决于工作状况和油气比例，内燃机还会排放一氧化碳、氮氧化物、硫化物（主要是二氧化硫）和一些未燃烧的碳氢化合物。

噪音污染内燃机工作时会产生显著的噪音污染。比如公路上的汽车会产生噪音，飞机飞行时也会产生喷气噪音（尤其是超音速飞机）。火箭发动机产生的噪音最大。