柴油發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展歷程

柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展歷程廣州漁業(yè)船舶檢驗(yàn)分局梁燕

內(nèi)燃機(jī)以其熱效率高、結(jié)構(gòu)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，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、無一與之匹敵的的最重要的熱能機(jī)械?，F(xiàn)代內(nèi)燃機(jī)的最大功率為8萬千瓦。

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%）。1862年法國(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機(jī)，奧托把三個(gè)關(guān)鍵的技術(shù)思想：內(nèi)燃、壓縮燃?xì)狻⑺臎_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年巴黎萬國(guó)博覽會(huì)上,被譽(yù)為“瓦特以來動(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)。

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。

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)，從此揭開了柴油機(jī)發(fā)展的新編章。

1898年B&W公司從狄塞爾那里獲得了柴油機(jī)在丹麥的生產(chǎn)特許權(quán)并于1903年制造出第一臺(tái)柴油機(jī)DM8150X型柴油機(jī)（8缸4沖程、缸徑530毫米、行程750毫米1912年，瑞士蘇爾壽公司為了展示柴油機(jī)的潛力，投資建造了一臺(tái)缸徑為1000毫米，沖程1100毫米的1S100型單缸巨型柴油機(jī)。這臺(tái)柴油機(jī)在150轉(zhuǎn)時(shí)可發(fā)出1470千瓦（2000馬力）的功率。在二戰(zhàn)前，雙動(dòng)式的二沖程柴油機(jī)比較流行。這種柴油機(jī)在活塞的上下兩邊都設(shè)有燃燒室，可以推動(dòng)活塞在兩個(gè)方向都做功，因此稱為雙動(dòng)。雙動(dòng)比單動(dòng)能輸出更大的功率，雙動(dòng)柴油機(jī)的設(shè)計(jì)與蒸汽機(jī)的結(jié)構(gòu)頗為相似。不過雙動(dòng)柴油機(jī)的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，而且活塞桿穿透氣缸，因此對(duì)氣密要求很高，現(xiàn)代柴油機(jī)已經(jīng)不再采用這種雙動(dòng)的方式了。

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。

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%，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。

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。

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。14RT-flex96C船用柴油機(jī)代表了當(dāng)今低速船用柴油機(jī)的水平，這是世界上首臺(tái)14缸柴油機(jī)，采用了完善的RT-flex共軌技術(shù)，通過增大行程/缸徑比，提高了推進(jìn)效率；該機(jī)持續(xù)輸出最大功率80080千瓦，轉(zhuǎn)速102轉(zhuǎn)/分，缸徑960毫米，沖程2.5米，燃油消耗為160克/千瓦小時(shí)。該機(jī)長(zhǎng)27.3米，高13.5米，重達(dá)2300噸，僅曲軸就重達(dá)300噸。其中最大最豪華的是“海上綠洲”（MSOasisoftheSea）級(jí)游輪。她們船長(zhǎng)361.8米，水線寬度47米，最大寬度60.5米，型深22.55米，吃水9.3米，總噸位225282噸，擁有16層甲板。船的內(nèi)部設(shè)有電影院、餐廳、健身俱樂部、溜冰場(chǎng)，生活和娛樂設(shè)施一應(yīng)俱全，是一座海上的超五星級(jí)酒店。“海上綠洲”采用了瓦錫蘭公司的V46D系列柴油機(jī)作為主機(jī)，缸徑460毫米，行程580毫米，轉(zhuǎn)速為500轉(zhuǎn)/分。其中三臺(tái)為12V46D12缸機(jī)型（單臺(tái)功率13860千瓦/18590馬力），另三臺(tái)為16V46D16缸機(jī)型（單臺(tái)功率18480千瓦/24780馬力）。這些柴油機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，產(chǎn)生的電流用于驅(qū)動(dòng)3臺(tái)ABB公司生產(chǎn)20000千瓦吊艙式電力全向推進(jìn)置。三臺(tái)為12V46D12缸機(jī)型（單臺(tái)功率13860千瓦/18590馬力），另三臺(tái)為16V46D16缸機(jī)型（單臺(tái)功率18480千瓦/24780馬力）。這些柴油機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)，產(chǎn)生的電流用于驅(qū)動(dòng)3臺(tái)ABB公司生產(chǎn)20000千瓦吊艙式電力向推置。

內(nèi)燃機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)

內(nèi)燃機(jī)增壓技術(shù)

增壓技術(shù)在柴油機(jī)上的應(yīng)用。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)未能迅速普及，直到大戰(zhàn)結(jié)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。

發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣

發(fā)動(dòng)機(jī)排氣渦輪增壓器

70年代，增壓度達(dá)200%以上，四沖程機(jī)已達(dá)2.0MPa以上，二沖程機(jī)已1.3MPa，普遍采用中冷，使高增壓（>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)。

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)。提高平均有效壓力可以大幅度地提高效率，減輕量。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%。

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),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。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。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?，F(xiàn)代的陶瓷材料具有無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)葢?yīng)用。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,未來工程塑料在內(nèi)燃機(jī)上的應(yīng)用將會(huì)與日俱增。精細(xì)陶瓷又稱高性能陶瓷、高技術(shù)陶瓷。按其用途可分成工程陶瓷和功能陶瓷兩大類。前者主要利用它們的高硬度、高熔點(diǎn)、耐磨損、耐腐蝕性能；后者主要利用它們的光、聲、電、熱、磁等物理特性。按化學(xué)組成可分成氧化物類和非氧化物類。前者包括各種氧化物和含氧酸鹽；后者包括氮化物、碳化物、硼化物等。前一類一般作功能陶瓷用，后一類作工程陶瓷用。精細(xì)陶瓷主要用于制造發(fā)動(dòng)機(jī)部件、汽車部件、電視機(jī)、吹風(fēng)機(jī)、火災(zāi)警報(bào)器、高溫?cái)D型模具等，還可用于制造耐高溫噴嘴。納米級(jí)的材料稱為納米材料,納米（ｎｍ）是長(zhǎng)度單位，1納米是10

－９米

（一納米為10億分之一米）人的頭發(fā)絲的直徑一般為7000—8000ｎｍ，紅細(xì)胞的直徑一般為3000-5000ｎｍ，納米材料主要特性：高抗菌、防污、耐磨、強(qiáng)度大（鋼的100倍）、材料輕（鋼的1/10）納米碳化硅是高溫,高頻和高壓等苛刻環(huán)境下理想的結(jié)構(gòu)和功能材料，在航空航天、國(guó)防和原子能等領(lǐng)域有重要的應(yīng)用。碳化硅納米線具有良好的彈性和柔韌性，是一種比碳化硅微米晶須性能更好的金屬、陶瓷和樹脂復(fù)合材料增強(qiáng)劑。

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)等因素來決定的。也就是說，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。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。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