内燃机与动力革命

第三节　内燃机与动力革命

内燃机是一种动力机械，它是通过使燃料在机器内部燃烧，并将其放出的热能直接转换为动力的热力发动机。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。

内燃机的发展与第二次工业革命

18世纪后期，随着工业生产的进一步发展，对动力机械要求也越来越高，蒸汽机则越来越暴露出它固有的缺陷。当时的蒸汽机效率很低，一般都在4%—8%之间。

此外，蒸汽机需要高温高压蒸汽，启动之前还需要一段时间的预热，使用起来很不安全，也不方便。于是人们试图研究一种效率更高，不需要燃烧室和锅炉的安全热能机械。莱诺、奥托、狄塞尔等人实现了这一想法，内燃机从此登上了历史舞台。

1860年，法国发明家莱诺制成了历史上的第一台实用内燃机，这是一种无压缩、电点火、使用煤气为燃料的内燃机，故称为煤气机。这台煤气机的热效率为4%左右。

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方法，这就是最早的四冲程工作循环。

1876年，德国发明家奥托运用罗沙的原理，研制成功第一台往复活塞式单缸四冲程内燃机，仍以煤气为燃料，热效率达到14%。奥托内燃机具有效率高、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，它被誉为“瓦特以来动力机方面最大的成就”。奥托内燃机虽然比瓦特蒸汽机具有很大的优越性，但是，煤气机需要庞大的煤气发生炉和管道系统提供，而且煤气的热值低、转速慢、比功率小，另外，这种内燃机无法在车、船这种远程移动性机械上使用。

到19世纪下半叶，随着石油工业的兴起，燃料工业正好发生了一次巨大的变革，用石油产品取代煤气作燃料已成为必然趋势。

1883年，德国的戴姆勒研制成功第一台立式汽油机。在发动机上安装了化油器，还用白炽灯管解决了点火问题。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，并且发明了以汽油内燃机作引擎的三轮和四轮汽车，从而引发了陆路运输的另一场革命。

1903年，美国工程师莱特兄弟制造的飞机上安装的一台8马力的汽油内燃机，使人类进入了航空运输时代。

1892年，另一位德国工程师狄塞尔博士造出了一台用柴油作燃料的高压缩型自动点火内燃机，故又称为柴油机。这种机器由于增加了压缩过程，使热效率进一步提高，效率达到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。

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。从此，柴油机这种马力大、体积小、质量轻、效率高、经久耐用、寿命长的新式动力机逐渐取代了蒸汽机，成为工业上的主要动力机。通过100多年的改造，柴油机的效率已达到60%以上。

内燃机具有热机效率高、结构紧凑、机动性强、运行维护简便等优点，现代内燃机已成为了当今用量最大、用途最广的热能机械。内燃机的发明，不仅是动力史上的一次大飞跃，而且其应用范围之广、数量之多也是当今任何一种别的动力机械无与伦比的。

可以说，内燃机的发明引发了第二次动力革命，正像蒸汽机的发明及其实用化构成了第一次技术革命的主要内容一样，内燃机作为一种新的动力机械与电动机一起掀起第二次技术革命的高潮。

往复活塞式内燃机的工作原理

往复活塞式内燃机的种类很多，按所用的燃料的不同，分为汽油机、柴油机、煤油机、煤气机（包括各种气体燃料内燃机）等；按每个工作循环的行程数不同，分为四冲程和二冲程；按着火方式不同，分为点燃式和压燃式；按冷却方式不同，分为水冷式和风冷式；按汽缸排列形式不同，分为直列式、V形、对置式、星形等；按汽缸数不同，分为单缸内燃机和多缸内燃机等；按内燃机的用途不同，分为汽车用、农用、机车用、船用以及固定用等。

下面以常见的四冲程汽油发动机为例说明往复活塞式内燃机的工作原理。

常用的四冲程汽油发动机中的循环过程是一个奥托循环：一次奥托循环大致由四个分过程组成。对应于活塞的四个冲程如下。

（1）吸气过程

活塞外移，空气和汽油混合气体由吸气孔吸人汽缸，此时缸内压强等于1个大气压（1atm＝1．01325×10⁵Pa），是一个等压过程。

（2）压缩过程

汽缸封闭，活塞内移，缸内混合气体被压缩，由于压缩较快，缸壁来不及传热，这一过程可以看成是绝热过程。

（3）做功过程

用火花塞点燃压缩的混合气体，气体燃烧爆炸，产生热量，气体压强突然增加，此过程非常之快，活塞在这瞬间移动很小距离，可看作是等容过程，接着气体以巨大的压强推动活塞外移做功，这一过程可看成绝热过程。

（4）排气过程

燃烧过的高压气体迅速由排气孔排出，压强骤降至1大气压，同时降温放热，此为一近似的等容过程。而后由于飞轮惯性带动活塞继续运动排出废气，此为等压过程。由此可知，奥托循环由两个等容过程和两个绝热过程组成，称为定容供热循环式。

实际的汽油发动机的循环是非常复杂的，因为发生了化学变化（燃烧和爆炸），系统的组成和性质也发生了变化。为了便于理论分析和计算，做了两个近似处理：一是认为循环由上述的绝热、等容、等压等过程组成，也认为系统主要在等容过程以段吸热，而在等容过程放热；二是认为系统的组成、性质和质量都保持不变，也认为这些气体混合物是理想气体，奥托循环是理想化的循环，实际汽油发动机的效率要比奥托理想循环的效率低很多，只有一半或更小，约25%左右。

燃气轮机

上面提到的内燃机是往复活塞式内燃机。在蒸汽机的发展历史中有从往复活塞式蒸汽机到蒸汽轮机的演化，实现了热能直接转化为轴的转动动能。对内燃机发展也有这一演化过程，燃气轮机和旋转活塞式发动机的发明实现了内燃机发展的这一演化过程。虽然活塞式内燃机诞生以前，人们就曾致力于研制旋转活塞式内燃机，但均未获成功。

直到1954年，联邦德国工程师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。1962年，汪克尔三角转子发动机作为船用动力发动机，到20世纪80年代日本东洋工业公司把它用于汽车引擎。

燃气轮机是一种以空气及燃气为工质的旋转式热力发动机，它的结构与飞机喷气式发动机一致，也类似蒸汽轮机。

燃气轮机的工作原理为：压缩机从外部吸收空气，压缩后送入燃烧室，同时燃料（气体或液体燃料）也喷人燃烧室与高温压缩空气混合，在定压下进行燃烧。生成的高温高压烟气在定压下进行燃烧，生成的高温高压烟气进入燃气轮机膨胀做功，推动动力叶片高速旋转，废气排人大气中或再加以利用。飞机用的燃气轮机的效率大约是20%。

燃气轮机具有效率高、功率大、质量轻、体积小、投资省、运行成本低和寿命周期较长等优点，主要用于发电、飞机、船舶和机车等工业动力。由于“西气东送”工程的逐步开展，我国将在华东地区建设一批大容量的燃气轮机电厂。