什么是内燃机?

什么是内燃机?

[拼音]：neiranji

[外文]：internal combustion engine

燃料在机器内部燃烧，使放出的热能直接转换为动力的热力发动机，是一种动力机械。广义上的内燃机不仅包括往复活塞式内燃机、旋转活塞式发动机和自由活塞式发动机，也包括旋转叶轮式的燃气轮机、喷气式发动机等，但通常所说的内燃机是指活塞式内燃机。活塞式内燃机以往复活塞式最为普遍。活塞式内燃机将燃料和空气混合，在其气缸内燃烧，释放出的热能使气缸内产生高温高压的燃气。燃气膨胀推动活塞作功，再通过曲柄连杆机构（见曲柄滑块机构）或其他机构将机械功输出，驱动从动机械工作。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均以内燃机为动力。海上商船、内河船舶和常规舰艇（见船舶动力装置），以及某些小型飞机都由内燃机来推进。内燃机车约占各类机车的 2/3。拖拉机、农业机械、工程机械、小型移动电站和战车等也都是用内燃机作为动力。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。

简史

活塞式内燃机起源于用火药爆炸获取动力，但因火药燃烧难以控制而未获成功。1794年，英国人R.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W.L.赖特提出了直接利用燃烧压力推动活塞作功的设计。

煤气机问世

人们提出过各种各样的内燃机方案，但在19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d力活塞环。这台煤气机的热效率为 4％左右。 英国的 W.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A.E.B.de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N.A.奥托运用罗沙的原理，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，运转平稳。在当时，无论是功率还是热效率，它都是最高的。压缩比最初为2.66，热效率达到14％。奥托内燃机获得推广，性能也在不断提高。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（200马力）。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D.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。

汽油机诞生

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G.戴姆勒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。轻型和高速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。不久汽油机又用作小船的动力。

柴油机的发明

1892年，德国工程师R.狄塞尔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 (Diesel engine)。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年左右始用于汽车和农业机械。

旋转活塞式发动机的产生

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 F.汪克尔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、体种小、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。

分类

内燃机的类型繁多，它可以按多种方式分类，最主要的是按它所用的燃料（如柴油、汽油等）和工作循环的行程数（四冲程、二冲程）分类，也有按冷却介质、气缸排列分类的，还可按点火方式、进气是否增压来分类。其详细分类见表1。

基本组成

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(见彩图)。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。活塞在气缸套内可往复运动，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，一般是曲轴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。

活塞位于距曲轴轴线最远的位置称为上止点；位于距曲轴轴线最近的位置称为下止点。上、下止点之间的距离称为活塞行程。上、下止点之间的气缸容积称为气缸工作容积。

气缸盖中有进气道和排气道，内装进、排气门。新鲜充量（即空气或空气与燃料的可燃混合气）经空气滤清器、进气管、进气道和进气门充入气缸。膨胀后的燃气经排气门、排气道和排气管，最后经排气消声器排入大气。进、排气门的开启和关闭是由凸轮轴上的进、排气凸轮，通过挺柱、推杆、摇臂和气门d簧等传动件分别加以控制的，这一套机件称为内燃机配气机构。通常由空气滤清器、进气管、排气管和排气消声器组成进排气系统。

为了向气缸内供入燃料，内燃机均设有供油系统。汽油机通过安装在进气管入口端的化油器将空气与汽油按一定比例（空燃比）混合，然后经进气管供入气缸，由汽油机点火系统控制的电火花定时点燃。柴油机的燃油则通过柴油机喷油系统喷入燃烧室，在高温高压下自行着火燃烧。

内燃机气缸内的燃料燃烧使活塞、气缸套、气缸盖和气门等零件受热，温度升高。为了保证内燃机正常运转，上述零件必须在许可的温度下工作，不致因过热而损坏，所以必须备有冷却系统（见内燃机冷却系统）。

在曲柄连杆机构、配气机构、活塞与气缸套和传动齿轮等相互摩擦的零件之间均供入润滑油进行润滑，以便减小摩擦，降低磨损，冷却净化和防腐，从而保证内燃机正常工作并延长其使用寿命。为此，内燃机设有润滑系统（见内燃机润滑系统）。

内燃机不能从停车状态自行转入运转状态，必须由外力转动曲轴，使之起动。这种产生外力的装置称为起动装置。常用的有电起动、压缩空气起动、汽油机起动和人力起动等方式（见内燃机起动装置）。

工作循环

内燃机的工作循环由进气、压缩、燃烧和膨胀、排气等过程组成。这些过程中只有膨胀过程是对外作功的过程，其他过程都是为更好地实现作功过程而需要的过程。按实现一个工作循环的行程数，工作循环可分为四冲程和二冲程两类。（见彩图）

四冲程工作循环

在进气、压缩、膨胀和排气四个行程内，即在曲轴旋转两圈内完成一个工作循环。

（1）进气行程：活塞由上止点下行到下止点。此时进气门开启，排气门关闭。流过空气滤清器的空气，或经化油器与汽油混合形成的可燃混合气，经进气管道、进气门进入气缸。

（2）压缩行程：活塞由下止点上行至上止点，此时进、排气门均关闭，气缸内气体受到压缩，压力增高，温度上升。

（3）膨胀行程：在压缩上止点前即喷油或点火，使混合气燃烧，产生高温、高压的燃气推动活塞下行并作功，此时活塞由上止点下行至下止点。

（4）排气行程：在活塞从下止点向上止点运动时推挤气缸内废气经排气门排出。此后再由进气行程开始，进行下一个工作循环。

二冲程工作循环

在两个行程，即曲轴旋转一圈内完成一个工作循环。当活塞在下止点时，进、排气口都开启，新鲜充量由进气口充入气缸，并扫除气缸内的废气，使之从排气口排出。活塞上行，将进、排气口均关闭，气缸内充量开始受到压缩，直至活塞接近上止点时点火或喷油，使气缸内可燃混合气燃烧。气缸内燃气膨胀，推动活塞下行作功。当活塞下行使排气口开启时，废气即由此排出，进气口再开启时新鲜充量充入气缸并清除废气，活塞继续下行至下止点时即完成一个工作循环。当活塞返回上行时即开始下一个工作循环（见二冲程内燃机）。

示功图

整个工作循环中气缸内气体压力随相应于不同活塞位置时的气缸内容积而变化的关系曲线，其包围的面积可表示整个工作循环中气缸内气体所作的功，故称为示功图。示功图是由示功器测录的。

换气过程和配气相位

内燃机的排气过程和进气过程统称为换气过程。换气的主要作用是尽可能把上一循环的废气排除干净，使本循环供入尽可能多的新鲜充量，以使尽可能多的燃料在气缸内完全燃烧，从而发出更大的功率。换气过程的好坏直接影响内燃机的性能。为此，除了降低进、排气系统的流动阻力外，主要是使进、排气门在最适当的时刻开启和关闭。若用曲轴转角表示进、排气门的开启和关闭的时间，则称之为配气相位，也就是说要选择最合适的配气相位。实际上，四冲程内燃机的进、排气门不是在上、下止点位置时开启和关闭，而是适当地提前开启和延迟关闭。进气门是在上止点前即开启，以保证活塞下行时进气门有较大的开度，这样可在进气过程开始时减小流动阻力，减少吸气所消耗的功，同时也可充入较多的新鲜充量。当活塞在进气行程中运行到下止点时，由于气流惯性，新鲜充量仍可继续充入气缸，故使进气门在下止点后延迟关闭。排气门也在下止点前提前开启，即在膨胀行程后部分即开始排气，这是为了利用气缸内较高的燃气压力使废气自动流出气缸，从而使活塞从下止点向上止点运动时气缸内气体压力低些，以减少活塞将废气排挤出气缸所消耗的功。排气门在上止点后关闭的目的是利用排气流动的惯性，使气缸内的残余废气排除得更为干净。因为排气门延迟关闭而进气门提前开启，在上止点附近就有一段时间进、排气门同时开启，这段时间称为气门重叠期，如用曲轴转角表示这重叠期，则称为气门重叠角。在气门重叠期内会有少量新鲜充量充入气缸后即从排气门流出，这种现象称为扫气。

气缸点火次序

对于两缸以上的多缸内燃机来说，虽然各个气缸都按相同的工作循环顺序工作，但在同一时刻每个气缸所进行的工作过程却不相同。各个气缸的同名行程按照气缸数目和排列方式相互隔开一定的曲轴转角。各个气缸同名行程的顺序称为气缸工作顺序。气缸工作顺序常以各缸点火的先后次序表示，故又称之为气缸点火次序，也称为气缸发火次序。

四冲程内燃机在曲轴转两圈（即720°曲轴转角）中，每个气缸完成一个工作循环。要使内燃机运转平稳，须使每缸作功行程均匀地分布在720°曲轴转角内。i个气缸的四冲程内燃机相邻点火的各缸间隔角度θ＝720°/i。如6缸内燃机的点火次序可为1-5-3-6-2-4。二冲程内燃机在曲轴转一圈（即 360°曲轴转角）中，每个气缸完成一个工作循环，则间隔角度应为θ＝360°/i。

性能参数

内燃机性能主要包括动力性能和经济性能。动力性能是指内燃机发出的功率（扭矩），表示内燃机在能量转换中量的大小。标志动力性能的参数有扭矩和功率等。经济性能是指发出一定功率时燃料消耗的多少，表示能量转换中质的优劣，标志经济性能的参数有热效率和燃料消耗率。

扭矩

从内燃机曲轴输出的扭矩是指：燃料在气缸内燃烧后燃气膨胀所产生的功，除了克服内燃机内各部分摩擦阻力和驱动本机辅助设备外，用于驱动其他工作机械时由曲轴输出的扭矩。它可用测功器测量。

有效功率

内燃机在单位时间内所输出的有效功称为有效功率，又称输出功率。在某工况下，用测功器测得内燃机扭矩 Μe（牛·米）、用转速计测得内燃机转速n（转／分）后，可用下式求出有效功率

内燃机铭牌上标明的功率称为标定功率，或称为额定功率。与标定功率相当的转速称为标定转速，或额定转速。

有效热效率

转换成内燃机有效功的热量与所消耗燃料热量的比值。如果知道所用燃料的低热值Hu(千焦／千克)，并测得内燃机的有效功率P（千瓦）和每小时燃料消耗量Gb（千克／时），则可按下式求得有效热效率

内燃机有效热效率越高，表示燃料的热量利用得越好，内燃机的燃料经济性越好。

燃料消耗率

内燃机为输出每 1千瓦有效功率而在1小时内所消耗的燃料，称为燃料消耗率ge。对外作功相同的内燃机所消耗的燃料越少，即燃料消耗率越低，则表明内燃机的燃料经济性越好。

燃料消耗率用下式计算

或

现代内燃机的有效热效率和燃料消耗率在表2所列范围之内。

平均有效压力

内燃机在一个循环中单位气缸容积所发出的有效功。它反映内燃机单位气缸工作容积输出扭矩的大小。平均有效压力pe是内燃机强化程度的重要标志，并且经常用来表示内燃机的动力性能。其计算公式如下

式中τ为冲程数，四冲程内燃机τ＝4，二冲程内燃机τ＝2；V h 为一个气缸的工作容积（升）；i为内燃机的气缸数目。

现代各类型内燃机的平均有效压力pe一般在表3所列范围内。

升功率(Pe)

相当于每1升气缸工作容积所发出的有效功率，可用下式求算

Pe大，则表明内燃机的强化程度高，所以它也是评价内燃机动力性能时常用的参数。

内燃机特性

内燃机按给定条件稳定运转时，其主要性能参数（功率、燃料消耗率等）与工作状况的主要参数(转速、负荷)之间的变化规律称为内燃机特性。它常用曲线表示，称为内燃机特性曲线（见图）。它可用来评定内燃机在不同运转条件下的动力性能和经济性能。内燃机的主要特性有负荷特性、速度特性、调速特性、推进特性和万有特性。

负荷特性

在转速不变时，主要性能参数（燃料消耗率ge)、燃料消耗量G b和排气温度tr等）随负荷（用平均有效压力pe或有效功率P 表示）而变化的规律。它可用来评定在固定转速下工作的内燃机在不同负荷下运转的经济性。

速度特性

将内燃机的油量调节机构（如汽油机的节气门，柴油机喷油泵的齿条或拉杆）固定在某一位置上时，内燃机扭矩Μe、功率P、燃料消耗率ge等主要性能参数随转速而变化的规律。油量调节机构固定在标定功率位置时测得的速度特性称为全负荷速度特性，或称外特性。

扭矩随转速变化的曲线形状，可以说明内燃机动力性能对外界负荷变化的适应能力，通常用扭矩储备系数μ m表示

μ m值对工程机械、货运汽车和拖拉机用内燃机很有意义。因为这类内燃机工作时经常遇到短期超负荷的情况，要求内燃机在降低转速时发出更大的扭矩，以克服短期过载，避免内燃机熄火或频繁换档。

调速特性

将调速手柄固定在某一位置时，由调速器自动控制油量调节机构的变化情况下，有效功率和扭矩与转速相应变化的规律。它主要用来考核所用调速器的性能是否符合内燃机的使用要求。

推进特性

在船用柴油机按螺旋桨特性P＝An3(A为常数)工作时，各种性能参数随转速变化的规律。它用来评定驱动螺旋桨的船用内燃机的性能，以及匹配螺旋桨和确定船舶的经济航速。

万有特性

表明内燃机各主要性能参数之间相互关系的综合特性。它是以转速 n为横坐标，以平均有效压力pe和功率P为纵坐标，并在坐标场中绘出若干条等燃料消耗率ge曲线和等功率P 曲线所构成的曲线族。它可以表示各种转速、各种负荷状况下的燃料经济性，对全面评定内燃机性能，特别是经常在变转速、变负荷下工作的车用内燃机性能有重要意义。

发展趋势

与其他热力发动机相比，往复活塞式内燃机热效率高（柴油机热效率为0.40～0.46，汽油机为0.30，汽轮机为0.35，蒸汽机为0.09～0.16，燃气轮机为0.30），功率范围大（0.6～40000千瓦），转速范围宽（90～6000转／分，甚至达10000转／分），配套方便，成本较低，已成为现代动力机械中的重要组成部分，并且仍在不断地发展。内燃机的发展趋势是：

（1）改进燃烧过程，提高机械效率，减少散热损失，降低燃料消耗率；

（2）开发和利用非石油制品燃料、扩大燃料资源；

（3）减少排气中有害成分， 降低噪声（见内燃机噪声）和振动，减轻对环境的污染（见内燃机排污）；

（4）采用高增压技术（见内燃机增压），进一步强化内燃机，提高单机功率；

（5）研制复合式发动机、绝热式涡轮复合式发动机；

（6）采用微处理机控制内燃机，使之在最佳工况下运转。加强结构强度的研究，以提高工作可靠性和寿命(见内燃机寿命)，不断创制新型内燃机。

参考书目

西安交通大学内燃机教研室编：《内燃机原理》，中国农业机械出版社，北京，1981。長尾不二夫著，冯中、万欣等译校：《内燃机原理与柴油机设计》，机械工业出版社，北京，1984。（長尾不二夫:《内燃機関講義》第3次改著，養賢堂，東京，1977。）

参考文章

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