内燃机原理

第一章绪论

内燃机的发展，至今已有一百多年的历史。经过不断改进和提高，现已发展到比较完善的程度。由于它的热效率高、适应性好、功率范围广，已广泛应用于工业、农业、交通运输业和国防建设事业。因此对于它的发展历程、用途以及一些基本知识做个简要的介绍！

第一节内燃机在经济建设中的作用

广义而言，内燃机是指燃料直接在机器内部燃烧的发动机，包括往复活塞式柴油机、汽油机、燃气轮机和喷气式发动机等。燃料在机器外部燃烧的发动机称外燃机，包括蒸汽机、蒸汽轮机以及核动力装置等。蒸汽轮机和核动力装置主要用于大型远洋船舶和大型军用舰艇上。

在航空动力方面，燃气轮机和喷气式发动机几乎是唯一的动力装置。但是，燃气轮机在水、陆方面的应用尚未获得大量推广。虽然燃气轮机具有重量轻、尺寸小、结构简单、扭矩特性好、振动小以及排气中有害气体少等一系列优点。但是，它的热效率低，燃料消耗率高，特别是在部分负荷时更明显。虽在大功率时已有明显改善，在中、小功率时尚不能与柴油机相比．

汽油机由于具有升功率高、噪音低、振动小以及对负荷变化的反应迅速等优点，在小客车上的应用占压倒优势。目前世界上的小客车数量很大，所以汽油机的产量也很高。此外，汽油机也用于中、小型载重汽车、摩托艇、小型农业、林业机械中。但是，由于汽油机所用燃料的价格和燃料的消耗率比柴油机高，因此，在其它经济领域，就不能与柴油机相竞争。

在内河船舶和工程机械力面，柴油机几乎是唯一的原动机。在铁路机车方面，蒸汽机车在国外已被淘汰，在我国已停止生产正逐步被柴油机车和电力机车所代代替，而且机车用柴油机的功率不断增长。目的，单机功率一般已达3000kW左右，最高的可达4600kW。

在远洋海轮方面，柴油机也是主要动力。据1984年统计，全世界当年生产的大型船舶有1007艘，其中99％是用柴油机驱动的。在25万吨以下的船舶中，柴油机是目前最经济的动力装置，其数量更是占压倒多数。

在军用舰艇方面，近年来，各国均在大力发展核能动力及燃气轮机动力装置，但在轻型舰艇上，柴油机仍优势。在水面舰艇中的猎潜艇、导弹快艇、鱼雷快艇、巡逻艇、扫雷艇、登陆艇以及大部分常规潜艇和各种军辅船等仍以柴油机为主要动力，只有少数的水面舰艇则采用柴油机—燃气轮机联合动力装置。

柴油机还广泛用于移动式电站和备用电站。随着大功率中速柴油机的发展，柴油机在固定式电站的应用已逐渐得到推广。现代大功力中速柴油机已能经济地使用于发电量为10万千瓦的电站，而且不久，柴油机电站的发电量将要达到20万千瓦。

由于柴油机的使用范围如此广泛，世界各国柴油机的产量十分巨大，并不断增长。在各经济部门和国防工业中，柴油机都占有极其重要的地位。它对实现我国四个现代化将起十分重要的作用。

第二节内燃机的发展简史

1824年，卡诺(Sadi Carnot)曾发表了热力发动机的经典理论——卡诺原理。过了半个世纪以后，即1876年，德国人奥托(Nicolaus Auguest Otto)才发明了四冲程煤气机。当时该机压缩比约为2.5，其热效率为10～12%，此后的十八年间垄断了市场，承袭了当时处于全盛时期的蒸汽机的宝座。

1883年，法国任达木烈尔(G·Daimler)制成了用热管点火的立式汽油机，在当时内燃机的最高转速也只不过200r/min，而他制作的汽油机竟达到1000r/min，1887年该机装在汽车上使用。与此同时，法国人奔驰(K·Benz)也开始研究高速内燃机。1890年左右，他应用了电火花点火法，使汽油机达到了与现今车用汽油机几乎相同的型式，高速机获得了迅速地发展。现在汽油机的转速为4000～5000r/min是很平常的，最高的已达到12000r/min。

在1897年,法国人鲁道夫·狄赛尔(Rudorf·Diesel)最早制成了柴油机。该机在转速为172r/min时,发出14.7kW，其热效率达26.2％，这在当时已是最高的热效率了。从此以后，柴油机得到迅速发展，1903年首先装在船上，四年后即1907年，用于潜艇的正反转的柴油机试验成功。1912年装在远洋货轮上的柴油机首次远航试验起功。该船载重7000T(吨)，航速11kn(节)，柴油机的缸径D＝530mm，活塞行程S＝780mm，在140r/min时，输出功率Ne ＝1471kW。

在1926年就有人设计出利用排气能量将进气压缩的废气涡轮增压器。但由于当时未能制造出性能良好的增压器而使增压技术多年得不到普及和推广。第二次世界大战后，随着人们对废气涡轮的研究，在耐热材料和压气机方面取得了显著的进展。另一方面，由于生产技术的发展，于是从1950年左右起，才开始在柴油机上采用增压方式。而如今的船用柴油机几乎已达到“无机不增压”的程度，因为增压后，柴油机的功率能提高1～3倍。废气涡轮增压对提高柴油机的性能作出了重大的贡献。

[大事记] 1824年，卡诺（法国工程师）发表了热力发动机的经典理论--卡诺原理。

1866年，奥托（德国工程师）提出了四冲程内燃机的"奥托循环"理论。

1879年，奔驰（德国工程师）首次研制成功火花塞点火内燃机。

1883年，戴姆勒（德国工程师）发明热管点火的立式汽油机。

1897年，狄赛尔（德国著名热机工程师）最早制成了柴油机。

1903年，柴油机首先装在船上，1907年，用于潜艇的正反转的柴油机试验成功，1912年，远洋货轮上的柴油机首次远航试验成功。

1926年，有人设计出用排气能量将进气压缩的废气涡轮增压器。

925年，比希获得了脉冲增压专利并在试验中获得了成功。

1936年,梅塞德斯-奔驰公司制造了第一台装有柴油机的轿车。

1950年起，开始在柴油机上采用增压方式。

第三节船用柴油机的现状和发展趋势

一.国外柴油机的发展概况

近十多年来，船用柴油机朝着提高功率、降低油耗、提高可靠性、降低磨损、延长寿命、减少噪音及振动、降低重量和尺寸、易于维修保养、实行自动监控等方向发展。自1973年世界石油价格飞涨以后，降低油耗已成为目前各柴油机制造厂家相互竞争的焦点。

1.进提高功率方面

由于增压技术的进步和工作过程的改善，单缸和单机功率不断提高．最大单缸功率已由二十多年前的1100kw堤南至3680kw。目前，最大单机功率已达36899kW。功率的提高主要是通过不断提高平均有效压力Pe来实现的，四冲程柴油机的Pe已达2.6MPa，二冲程柴油机的Pe可达1.575MPa。

2.在提高经济性方面

自石油危机以后，燃油价格暴涨，燃料费用大增。燃油费用占总营运费用的百分比已从20～40％上升到40～60％，因而，降低燃油消耗，燃用劣质燃料，寻找代用燃料已成为国外各柴油机制造公司竞争的主要手段。各公司为此进行了大量试验研究工作，并获得了很大进展。称霸世界低速柴油机市场的B＆W和SULZER公司，从1977年至l982年间，使低速二冲程柴油机燃油消耗率下降了27g/kW·h，最低油耗串达到160g/kw·h的水平。船用中速柴油机的油耗率也已大幅度降低。法国的PC2-6EF和PC4-2EF机型的油耗率已达170g／kw·h。他们的有效热效率h e＝0.5～0.53，达到了相当高的水平。

此外，近年来，劣质燃料一一重油(又称渣油)已被船舶主机或辅机作为主要燃料加以采用。低速二冲程柴油机燃用重油的粘度已达3500一6000秒(雷氏一号(100°F))。四冲程中速柴油机可燃用雷氏一号粕度为1500一3500秒的重油。高速柴油机可燃用雷氏一号粘度为200一250秒的重油。造船厂希望主机和辅机采用同一种燃油。

3.提高可靠性，延长寿命，发展监控系统

随着平均有效压力Pe的提高，最高爆发压力已高达15MPa。零部件机械负荷及热负荷增加，为了提高可靠性和使用寿命，降低热应力和机械应力，在加强高温表面的冷却，改进材料、改进结构提高刚度等方面进行了大量工作，并取得了进展。

大力发展电子监控系统。对柴油机性能参数和工况变化的趋向进行瞬时分析，以便选择最佳运转参数并及时发现和排除故障或不可靠因素，了解零部件运行情况，通过测量和故障预兆的分析，确定更换零部件的期限。

此外，目前国内外普遍采用电子计算机进行辅助设计和结构强度试验研究工作。无疑这对柴油机结构方案的优化以及按寿命要求进行最经济的设计那是有效的手段。

现代柴油机的大修期(寿命)大大提高，高速大功率柴油机为5000～6000h(小时)，中速大功率柴油机一般为30000h，个别的机型如TM410中速机可以和低速机相比，寿命为72000～100000h，相当于10～20年。在过去的二十多年中，各类柴油机都获得了很大的发展，单