第三節(jié)　內(nèi)燃機(jī)與動(dòng)力革命

內(nèi)燃機(jī)是一種動(dòng)力機(jī)械，它是通過(guò)使燃料在機(jī)器內(nèi)部燃燒，并將其放出的熱能直接轉(zhuǎn)換為動(dòng)力的熱力發(fā)動(dòng)機(jī)。廣義上的內(nèi)燃機(jī)不僅包括往復(fù)活塞式內(nèi)燃機(jī)、旋轉(zhuǎn)活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)和自由活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)，也包括旋轉(zhuǎn)葉輪式的燃?xì)廨啓C(jī)、噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)等。但通常所說(shuō)的內(nèi)燃機(jī)是指活塞式內(nèi)燃機(jī)。

內(nèi)燃機(jī)的發(fā)展與第二次工業(yè)革命

18世紀(jì)后期，隨著工業(yè)生產(chǎn)的進(jìn)一步發(fā)展，對(duì)動(dòng)力機(jī)械要求也越來(lái)越高，蒸汽機(jī)則越來(lái)越暴露出它固有的缺陷。當(dāng)時(shí)的蒸汽機(jī)效率很低，一般都在4%—8%之間。

此外，蒸汽機(jī)需要高溫高壓蒸汽，啟動(dòng)之前還需要一段時(shí)間的預(yù)熱，使用起來(lái)很不安全，也不方便。于是人們?cè)噲D研究一種效率更高，不需要燃燒室和鍋爐的安全熱能機(jī)械。萊諾、奧托、狄塞爾等人實(shí)現(xiàn)了這一想法，內(nèi)燃機(jī)從此登上了歷史舞臺(tái)。

1860年，法國(guó)發(fā)明家萊諾制成了歷史上的第一臺(tái)實(shí)用內(nèi)燃機(jī)，這是一種無(wú)壓縮、電點(diǎn)火、使用煤氣為燃料的內(nèi)燃機(jī)，故稱(chēng)為煤氣機(jī)。這臺(tái)煤氣機(jī)的熱效率為4%左右。

1862年，法國(guó)科學(xué)家羅沙對(duì)內(nèi)燃機(jī)熱力過(guò)程進(jìn)行理論分析之后，提出提高內(nèi)燃機(jī)效率的方法，這就是最早的四沖程工作循環(huán)。

1876年，德國(guó)發(fā)明家?jiàn)W托運(yùn)用羅沙的原理，研制成功第一臺(tái)往復(fù)活塞式單缸四沖程內(nèi)燃機(jī)，仍以煤氣為燃料，熱效率達(dá)到14%。奧托內(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(wàn)國(guó)博覽會(huì)上，它被譽(yù)為“瓦特以來(lái)動(dòng)力機(jī)方面最大的成就”。奧托內(nèi)燃機(jī)雖然比瓦特蒸汽機(jī)具有很大的優(yōu)越性，但是，煤氣機(jī)需要龐大的煤氣發(fā)生爐和管道系統(tǒng)提供，而且煤氣的熱值低、轉(zhuǎn)速慢、比功率小，另外，這種內(nèi)燃機(jī)無(wú)法在車(chē)、船這種遠(yuǎn)程移動(dòng)性機(jī)械上使用。

到19世紀(jì)下半葉，隨著石油工業(yè)的興起，燃料工業(yè)正好發(fā)生了一次巨大的變革，用石油產(chǎn)品取代煤氣作燃料已成為必然趨勢(shì)。

1883年，德國(guó)的戴姆勒研制成功第一臺(tái)立式汽油機(jī)。在發(fā)動(dòng)機(jī)上安裝了化油器，還用白熾燈管解決了點(diǎn)火問(wèn)題。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，并且發(fā)明了以汽油內(nèi)燃機(jī)作引擎的三輪和四輪汽車(chē)，從而引發(fā)了陸路運(yùn)輸?shù)牧硪粓?chǎng)革命。

1903年，美國(guó)工程師萊特兄弟制造的飛機(jī)上安裝的一臺(tái)8馬力的汽油內(nèi)燃機(jī)，使人類(lèi)進(jìn)入了航空運(yùn)輸時(shí)代。

1892年，另一位德國(guó)工程師狄塞爾博士造出了一臺(tái)用柴油作燃料的高壓縮型自動(dòng)點(diǎn)火內(nèi)燃機(jī)，故又稱(chēng)為柴油機(jī)。這種機(jī)器由于增加了壓縮過(guò)程，使熱效率進(jìn)一步提高，效率達(dá)到26%。壓縮點(diǎn)火式內(nèi)燃機(jī)的問(wèn)世，引起了世界機(jī)械業(yè)的極大興趣，壓縮點(diǎn)火式內(nèi)燃機(jī)也以發(fā)明者而命名為狄塞爾引擎。

1898年，柴油機(jī)首先用于固定式發(fā)電機(jī)組，1903年用作商船動(dòng)力，1904年裝于艦艇，1913年第一臺(tái)以柴油機(jī)為動(dòng)力的內(nèi)燃機(jī)車(chē)制成，1920年左右開(kāi)始用于汽車(chē)和農(nóng)業(yè)機(jī)械。從此，柴油機(jī)這種馬力大、體積小、質(zhì)量輕、效率高、經(jīng)久耐用、壽命長(zhǎng)的新式動(dòng)力機(jī)逐漸取代了蒸汽機(jī)，成為工業(yè)上的主要?jiǎng)恿C(jī)。通過(guò)100多年的改造，柴油機(jī)的效率已達(dá)到60%以上。

內(nèi)燃機(jī)具有熱機(jī)效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、運(yùn)行維護(hù)簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)代內(nèi)燃機(jī)已成為了當(dāng)今用量最大、用途最廣的熱能機(jī)械。內(nèi)燃機(jī)的發(fā)明，不僅是動(dòng)力史上的一次大飛躍，而且其應(yīng)用范圍之廣、數(shù)量之多也是當(dāng)今任何一種別的動(dòng)力機(jī)械無(wú)與倫比的。

可以說(shuō)，內(nèi)燃機(jī)的發(fā)明引發(fā)了第二次動(dòng)力革命，正像蒸汽機(jī)的發(fā)明及其實(shí)用化構(gòu)成了第一次技術(shù)革命的主要內(nèi)容一樣，內(nèi)燃機(jī)作為一種新的動(dòng)力機(jī)械與電動(dòng)機(jī)一起掀起第二次技術(shù)革命的高潮。

往復(fù)活塞式內(nèi)燃機(jī)的工作原理

往復(fù)活塞式內(nèi)燃機(jī)的種類(lèi)很多，按所用的燃料的不同，分為汽油機(jī)、柴油機(jī)、煤油機(jī)、煤氣機(jī)（包括各種氣體燃料內(nèi)燃機(jī)）等；按每個(gè)工作循環(huán)的行程數(shù)不同，分為四沖程和二沖程；按著火方式不同，分為點(diǎn)燃式和壓燃式；按冷卻方式不同，分為水冷式和風(fēng)冷式；按汽缸排列形式不同，分為直列式、V形、對(duì)置式、星形等；按汽缸數(shù)不同，分為單缸內(nèi)燃機(jī)和多缸內(nèi)燃機(jī)等；按內(nèi)燃機(jī)的用途不同，分為汽車(chē)用、農(nóng)用、機(jī)車(chē)用、船用以及固定用等。

下面以常見(jiàn)的四沖程汽油發(fā)動(dòng)機(jī)為例說(shuō)明往復(fù)活塞式內(nèi)燃機(jī)的工作原理。

常用的四沖程汽油發(fā)動(dòng)機(jī)中的循環(huán)過(guò)程是一個(gè)奧托循環(huán)：一次奧托循環(huán)大致由四個(gè)分過(guò)程組成。對(duì)應(yīng)于活塞的四個(gè)沖程如下。

（1）吸氣過(guò)程

活塞外移，空氣和汽油混合氣體由吸氣孔吸人汽缸，此時(shí)缸內(nèi)壓強(qiáng)等于1個(gè)大氣壓（1atm＝1．01325×10⁵Pa），是一個(gè)等壓過(guò)程。

（2）壓縮過(guò)程

汽缸封閉，活塞內(nèi)移，缸內(nèi)混合氣體被壓縮，由于壓縮較快，缸壁來(lái)不及傳熱，這一過(guò)程可以看成是絕熱過(guò)程。

（3）做功過(guò)程

用火花塞點(diǎn)燃?jí)嚎s的混合氣體，氣體燃燒爆炸，產(chǎn)生熱量，氣體壓強(qiáng)突然增加，此過(guò)程非常之快，活塞在這瞬間移動(dòng)很小距離，可看作是等容過(guò)程，接著氣體以巨大的壓強(qiáng)推動(dòng)活塞外移做功，這一過(guò)程可看成絕熱過(guò)程。

（4）排氣過(guò)程

燃燒過(guò)的高壓氣體迅速由排氣孔排出，壓強(qiáng)驟降至1大氣壓，同時(shí)降溫放熱，此為一近似的等容過(guò)程。而后由于飛輪慣性帶動(dòng)活塞繼續(xù)運(yùn)動(dòng)排出廢氣，此為等壓過(guò)程。由此可知，奧托循環(huán)由兩個(gè)等容過(guò)程和兩個(gè)絕熱過(guò)程組成，稱(chēng)為定容供熱循環(huán)式。

實(shí)際的汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的循環(huán)是非常復(fù)雜的，因?yàn)榘l(fā)生了化學(xué)變化（燃燒和爆炸），系統(tǒng)的組成和性質(zhì)也發(fā)生了變化。為了便于理論分析和計(jì)算，做了兩個(gè)近似處理：一是認(rèn)為循環(huán)由上述的絕熱、等容、等壓等過(guò)程組成，也認(rèn)為系統(tǒng)主要在等容過(guò)程以段吸熱，而在等容過(guò)程放熱；二是認(rèn)為系統(tǒng)的組成、性質(zhì)和質(zhì)量都保持不變，也認(rèn)為這些氣體混合物是理想氣體，奧托循環(huán)是理想化的循環(huán)，實(shí)際汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的效率要比奧托理想循環(huán)的效率低很多，只有一半或更小，約25%左右。

燃?xì)廨啓C(jī)

上面提到的內(nèi)燃機(jī)是往復(fù)活塞式內(nèi)燃機(jī)。在蒸汽機(jī)的發(fā)展歷史中有從往復(fù)活塞式蒸汽機(jī)到蒸汽輪機(jī)的演化，實(shí)現(xiàn)了熱能直接轉(zhuǎn)化為軸的轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能。對(duì)內(nèi)燃機(jī)發(fā)展也有這一演化過(guò)程，燃?xì)廨啓C(jī)和旋轉(zhuǎn)活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)明實(shí)現(xiàn)了內(nèi)燃機(jī)發(fā)展的這一演化過(guò)程。雖然活塞式內(nèi)燃機(jī)誕生以前，人們就曾致力于研制旋轉(zhuǎn)活塞式內(nèi)燃機(jī)，但均未獲成功。

直到1954年，聯(lián)邦德國(guó)工程師汪克爾解決了密封問(wèn)題后，才于1957年研制出旋轉(zhuǎn)活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)，被稱(chēng)為汪克爾發(fā)動(dòng)機(jī)。1962年，汪克爾三角轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)作為船用動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)，到20世紀(jì)80年代日本東洋工業(yè)公司把它用于汽車(chē)引擎。

燃?xì)廨啓C(jī)是一種以空氣及燃?xì)鉃楣べ|(zhì)的旋轉(zhuǎn)式熱力發(fā)動(dòng)機(jī)，它的結(jié)構(gòu)與飛機(jī)噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)一致，也類(lèi)似蒸汽輪機(jī)。

燃?xì)廨啓C(jī)的工作原理為：壓縮機(jī)從外部吸收空氣，壓縮后送入燃燒室，同時(shí)燃料（氣體或液體燃料）也噴人燃燒室與高溫壓縮空氣混合，在定壓下進(jìn)行燃燒。生成的高溫高壓煙氣在定壓下進(jìn)行燃燒，生成的高溫高壓煙氣進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)膨脹做功，推動(dòng)動(dòng)力葉片高速旋轉(zhuǎn)，廢氣排人大氣中或再加以利用。飛機(jī)用的燃?xì)廨啓C(jī)的效率大約是20%。

燃?xì)廨啓C(jī)具有效率高、功率大、質(zhì)量輕、體積小、投資省、運(yùn)行成本低和壽命周期較長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，主要用于發(fā)電、飛機(jī)、船舶和機(jī)車(chē)等工業(yè)動(dòng)力。由于“西氣東送”工程的逐步開(kāi)展，我國(guó)將在華東地區(qū)建設(shè)一批大容量的燃?xì)廨啓C(jī)電廠。