内燃机其热效率高、结构紧凑机动性强运行维护简便优点著称于世百多年来内燃机巨大生命力经久衰目前世界上内燃机拥有量大大超过了任何其热力发动机国民经济占有相当重要地位现代内燃机更成了当今用量大、用途广、无与之匹敌重要热能机械
当内燃机同样也存着少缺点主要：对燃料要求高能直接燃用劣质燃料和固体燃料；由于间歇换气及制造困难单机功率提高受限制现代内燃机大功率般小于4万千瓦而蒸汽机单机功率高达数十万千瓦；内燃机能反转；内燃机噪声和废气有害成分对环境污染尤其突出说百多年来内燃机发展史人类断革新断挑战克服些缺点历史
内燃机发展至今约有半世纪历史了同其科学样内燃机每进步都人类生产实践经验概括和总结内燃机发明始于对活塞式蒸汽机研究和改进发展史应当特别提德国人奥托和狄塞尔正们总结了前人无数实践经验基础上对内燃机工作循环提出了较完善奥托循环和狄塞尔循环才使得们止几十年间无数人实践和创造活动得了科学地总结并有了质飞跃们前任粗浅、纯经验、零乱无序经验加继承、发展、总结、提高找出了规律性现代汽油机和柴油机热力循环奠定了热力学基础内燃机发展做出了伟大贡献
往复活塞式内燃机
往复活塞式内燃机种类多主要分类方法有样些：按所用燃料同分汽油机柴油机、煤油机、煤气机（包括各种气体燃料内燃机）等；按每工作循环行程数同分四冲程和二冲程；按着火方式同分点燃式和压燃式；按冷却方式同分水冷式和风冷式；按气缸排列形式同分直列式、V型、对置式、星型等；按气缸数同分单缸内燃机和多缸内燃机等；按内燃机用途同分汽车用、农用、机车用、船用及固定用等等本文会主要针对煤气机、汽油机、柴油机样发展脉络来向大家介绍
早内燃机——煤气机
早出现内燃机煤气燃料煤气机1860年法国发明家莱诺制成了第台实用内燃机（单缸、二冲程、无压缩和电点火煤气机输出功率0.74—1.47KW转速100r/min热效率4%）法国工程师德罗沙认识要想尽能提高内燃机热效率必须使单位气缸容积冷却面积尽量减小膨胀时活塞速率尽量快膨胀范围（冲程）尽量长此基础上1862年提出了著名等容燃烧四冲程循环：进气、压缩、燃烧和膨胀、排气
1876年德国人奥托制成了第台四冲程往复活塞式内燃机（单缸、卧式、煤气燃料、功率大约2.21KW、180r/min）部发动机上奥托增加了飞轮使运转平稳把进气道加长又改进了气缸盖使混合气充分形成部非常成功发动机其热效率相当于当时蒸汽机两倍奥托把三关键技术思想：内燃、压缩燃气、四冲程融体使种内燃机具有效率高、体积小、质量轻和功率大等系列优点1878年巴黎万国博览会上,被誉瓦特来动力机方面大成等容燃烧四冲程循环由奥托实现,也被称奥托循环
煤气机虽比蒸汽机具有大优越性,社会化大生产情况下,仍能满足交通运输业所要求高速、轻便等性能因煤气燃料,需要庞大煤气发生炉和管道系统而且煤气热值低(约1.75×107～2.09×107J/m3),故煤气机转速慢,比功率小19世纪下半叶,随着石油工业兴起,用石油产品取代煤气作燃料已成必趋势
汽油机出现
1883年戴姆勒和迈巴赫制成了第台四冲程往复式汽油机此发动机上安装了迈巴赫设计化油器还用白炽灯管解决了点火问题前内燃机转速都超过200r/min而戴姆勒汽油机转速跃800—1000r/min特点功率大质量轻、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仍使用点火装置和水冷式冷却器
十九世纪末主要集活塞式内燃机大体上进入了实用阶段并且快显示出巨大生命力内燃机广泛应用断地得改善和革新迄今已达较高技术水平样漫长发展历史有两重要发展阶段具有划时代意义：50年代兴起增压技术发动机上广泛应用；再 70年代开始电子技术及计算机发动机研制应用两发展趋势至今都方兴未艾
首先我们来看下汽油机本世纪发展历程汽车和飞机工业推动下汽油机取得了长足发展按提高汽油机功率、热效率、比功率和降低油耗等主要性能指标过程把汽油机发展分四阶段
第阶段本世纪初二十年适应交通运输要求提高功率和比功率主采取主要技术措施提高转速、增加缸数和改进相应辅助装置时期内转速从上世纪500—800r/min提高1000—1500r/min比功率从3.68W/Kg提高441.3—735.5W/Kg对提高飞机飞行性能和汽车负载能力具有重大意义
第二阶段时间20年代主要解决汽油机爆震燃烧问题当时汽油机压缩比达4时汽油机发生爆震美国通用汽车公司研究室米格雷和鲍义德通过汽油加入少量四乙基铝干扰氧和汽油分子化合正常过程解决了爆震问题使压缩比从4提高了8大大提高了汽油机功率和热效率当时另严重影响汽油机功率和热效率因素燃烧室形状和结构英国里卡多及其合作者通过对多种燃烧室及燃烧原理研究改进了燃烧室使汽油机功率提高了20%
第三阶段从20年代期40年代早期主要汽油机上装备增压器废气涡轮增压使气压增至1.4—1.6大气压应用提高汽油机功率和热效率开辟了新途径其真正广泛应用却50年代期才普及
第四阶段从50年代至今汽油机技术原理重大变革之前发展已近极致结构越来越紧凑转速越来越高其技术现状：缸内喷射；多气门技术；进气滚流稀薄分层燃烧；电子控制点火正时、汽油喷射及空燃比随工况精确控制等全面电子发动机管理；废气循环及三元催化等排气净化技术等其集体现近年来研制成功并投产缸内直喷分层充气稀燃汽油机（GDI）
随着70年代开始电子技术发动机上应用内燃机技术改进提供了条件,使内燃机基本上满足了目前世界各国有关排放、节能、靠性和舒适性等方面要求内燃机电子控制现已包括电控燃油喷射、电控点火、怠速控制、排放控制、进气控制、增压控制、警告提示、自我诊断、失效保护等诸多方面
同样内燃机电子控制技术发展也大致分四阶段：
1、内燃机零部件或局部系统单独控制,电子油泵、电子点火装置等
2、内燃机单系统或几相关系统独立控制,燃油供给系统控制、佳空燃比控制等
3、整台内燃机统智能化控制,内燃机电子控制系统
4、装置与内燃机动力集电子控制,汽车、船舶、发电机组集电子控制系统
电子控制系统般由传感器、执行器和控制器三部分组成由此构成各种同功能、同用途控制系统其主要目标保持发动机各运行参数佳值求得发动机功率、燃油耗和排放性能佳平衡并监视运行工况Caterpillar公司3406PEPC系统3406柴油机上采用变程序发动机控制系统具有电子调速功能采用电子控制空燃比喷有提前角始终保持佳值美国Stanaclyne公司其生产DB型分配泵改电子控制喷油泵称PFP系统采用步进电机作执行元件来控制喷油量和喷油定时
柴油机——内燃机家族另明星
柴油机几乎与汽油机同时发展起来们具有许多相同点所柴油机发展也与汽油机有许多相似之处说整内燃机发展史上们相互推动
德国狄塞尔博士于1892年获得压缩点火压缩机技术专利1897年制成了第台压缩点火狄塞尔内燃机即柴油机
柴油机高压缩比带来众多优点：
1、省去化油器和点火装置提高了热效率而且使用比汽油便宜得多柴油作燃料
2、柴油机由于其压缩比大,大功率点、单位功率油耗低现代优秀发动机,柴油机油耗约汽油机70%特别像汽车,通常部分负荷工况下行驶,其油耗约汽油机60%柴油机目前热效率高内燃机
3、柴油机因压缩比高,发动机结实,故经久耐用、寿命长
同时高压缩比也带来了缺点:
1、柴油机结构笨重通常柴油单位功率质量约汽油机1.5～3倍柴油机压缩比高,爆发压力也高,达汽油机1.5倍左右(增压情况下)承受高温高压,要求结实结构所柴油机初只作种固定式发动机使用
2、同排量下,柴油机输出功率约汽油机1/3因柴油机把燃料直接喷入气缸,能充分利用空气,相应功率输出低假设汽油机空气利用率100%,柴油机仅有80%～90%柴油机功率输出小另原因压缩比大,发动机摩擦损失比汽油机大种摩擦损失与转速成正比,能期望通过增加转速来提高功率转速高汽油机每分钟运转10000次上(赛车发动机),而柴油机高转速却只有5000r/min
近百年来,柴油机热效率提高近80%,比功率提高几十倍,空气利用率达90%当今柴油机技术水平表现:优良燃烧系统；采用4气门技术；超高压喷射；增压和增压冷；控废气再循环和氧化催化器；降低噪声双弹簧喷油器；全电子发动机管理等,集体现采用电控共轨式燃油喷射系统特征新代柴油机上目前,日本Nippondeno公司(ECDU2),德国Bosch(ZECCEL)和美国Caterpilla公司(HELII) 研究和生产共轨式电控喷油系统主要公司
增压技术柴油机上应用要比汽油机晚些早20年代有人提出压缩空气提高进气密度设想直1926年瑞士人A.J.伯玉希才第次设计了台带废气涡轮增压器增压发动机由于当时技术水平和工艺、材料限制还难制造出性能良好涡轮增压器加上二次大战影响增压技术能迅速普及直大战结束增压技术研究和应用才受重视1950年增压技术才开始柴油机上使用并作产品提供市场
50年代增压度约50%四冲程机平均有效压力约0.7—0.8MPa无冷处于技术水平较低发展阶段其20多年间增压技术得了迅速发展和广泛地采用
70年代增压度达200%上正式作商品提供柴油机平均有效压力四冲程机已达2.0MPa上二冲程机已超过1.3MPa普遍采用冷使高增亚（>2.0MPa）四冲程机实用化单级增压比接近5并发展了两级增压和超高增压系统相对于50年代初期刚采用增压技术发动机技术水平30年来有了惊人发展
进入80年代仍保持种发展势头进排气系统优化设计提高充气效率充分利用废气能量出现谐振进气系统和MPC增压系统变截面涡轮增压器使得单级涡轮增压比达5甚至更高采用超高增压系统压力比达10上而发动机压缩比降至6下发动机功率输出提高2—3倍进步发展与动力涡轮复合式二级涡轮增压系统由此见高增压、超高增压效观发动机性能提高了崭新水平
转动式内燃机
蒸汽机发展历史有从往复活塞式蒸汽机蒸汽轮机演化点,对内燃机发展大有启发往复式内燃机运动要通过曲轴连杆机构或凸轮机构、摆盘机构、摇臂机构等,转换功率输出轴转动样仅使机构复杂而且由于转动机构摩擦损耗,还会降低机械效率另外由于活塞组往复运动造成曲柄连杆机构往复惯性力,惯性力与转速平方成正比随转速提高轴承上惯性负荷显著增加并由于惯性力平衡而产生强烈振动此外往复式内燃机还有套复杂气门控制机构于人们设想:既工具机运动形式大部分都轴转动能否效法从往复活塞式蒸汽机蒸汽轮机路子使热能直接转化轴转动呢于人们开始了领域探索
燃气轮机
1873年布拉顿(GeorgeBrayton)制造了种定压燃烧发动机该机能提供使燃气完全膨胀大气压所发出功率20世纪初法国阿曼卡(BeneArmangaud)等成功地应用布拉顿循环原理制成燃气轮机因当时条件限制,热效率低未能得发展
30年代,由于空气动力学及耐高温合金材料和冷却系统进展,燃气轮机进入实用创造了条件燃气轮机虽内燃机,没有像往复式内燃机样必须封闭空间里和限定时间内燃烧限制所会发生像汽油机样令人担心爆震也少像柴油机样受摩擦损失限制；且燃料燃烧所产生气体直接推动叶轮转动故结构简单(与活塞式内燃机相比其部件仅1/6左右)、质量轻、体积小、运行费用省且易于采用多种燃料也较少发生故障虽燃气轮机目前尚存些缺点：寿命短、需要高级耐热钢材和成本高及排污(主要NOx)较严重等致使至今燃气轮机应用仍局限于飞机、船舶、发电厂和机车由于布拉顿循环优越性和燃气轮机对燃油限制少及上述其优点,使得仍现和来人们致力研究动力技术之若突破涡轮入口温度大大提高热效率且克服其缺点燃气轮机有望取代汽、柴油机
旋转活塞式发动机
直来人们都致力于建造旋转式发动机其目标避免往复式发动机固有复杂性1910年前人们曾提出过2000多旋转发动机方案20世纪初又有许多人提出同方案大多因结构复杂或无法解决气缸密封问题而能实现直1954年德国人汪克尔 (FelixWankel)经长期研究突破了气缸密封关键技术才使具有长短幅圆外旋轮线缸体三角旋转活塞发动机首次运转成功转子每转圈实现进气、压缩、燃烧膨胀和排气过程按奥托循环运转1962年三角转子发动机作船用动力80年代日本东洋工业公司把用于汽车引擎
转子发动机有系列优点：
1、取消了曲柄连杆机构、气门机构等得实现高速化
2、质量轻(比往复式内燃机质量下降1/21/3)、结构和操作简单(零件数量比往复式少40%体积减少50%)
3、排气污染方面也有所改善NOx产生较少
转子发动机也存着严重足之处：
1、.种结构密封性能较差至今只能作压缩比低汽油机使用
2、由于高速带来了扭矩低组织经济燃烧过程困难
3、寿命短、靠性低及加工长短轴旋轮线专用机床构造复杂等
内燃机发展趋势
内燃机发明至今已有100多年历史把蒸汽机发明认第次动力革命,内燃机问世当之无愧第二次动力革命因仅动力史上次大飞跃而且其应用范围之广、数量之多也当今任何种别动力机械无与伦比随着科技发展,内燃机经济性、动力性、靠性等诸多方面取得了惊人进步人类做出了巨大贡献蒸汽机从初创完成花去了世纪时间从完成极盛又走了世纪从极盛衰落大约也世纪内燃机发明也经历了世纪历程从时起人类又前进了世纪说今内燃机已进入了极盛时期世纪之交今天我们关注内燃机未来人们拭目待同时更希望内燃机能新世纪再创辉煌业绩里我向大家展示新世纪里内燃机发展趋势
内燃机增压技术
从内燃机重要参数(压力、温度、转速)发展规律来看发现三参数1900年前随着年代推移提高得快而1900年尤其1950年温度、转速提高变慢而平均有效压力随着年代增加仍直线上升实践证明：提高平均有效压力大幅度地提高效率减轻质量而提高平均有效压力技术提高增压度柴油机增压大幅度地缩小柴油机进气管尺寸并使气缸有足够大充气效率用于提高柴油机功率使之能宽广转速范围内既提高功率又有大扭矩台增压冷柴油机使功率成倍提高而造价仅提高15%～30%即每马力造价平均降低40%所增压、高增压、超高增压当前内燃机重要发展方向之只问题方面另方面发动机强化和超强化会给零部件带来过大机械负荷和热负荷特别热负荷问题已成发动机进步强化限制；再单级高效率、高压比压气机也限制了增压技术进步发展因此增压度越高越好
内燃机电子控制技术
内燃机电子控制技术产生于20世纪60年代期,通过70年代发展,80年代趋于成熟随着电子技术进步发展,内燃机电子控制技术会承担更加重要任务,其控制面会更宽,控制精度会更高,智能化水平也会更高诸燃烧室容积和形状变化控制、压缩比变化控制、工作状态机械磨损检测控制等较大难度内燃机控制成现实并得广泛应用内燃机电子控制由单独控制向综合、集控制方向发展,由控制低效率及低精度向控制高效率及高精度发展随着人类进入电子时代,21世纪内燃机也步入内燃机电子时代,其发展情况与高速发展电子技术相适应内燃机电子控制技术内燃机适应社会发展需求主要技术依托,也内燃机保持21世纪辉煌重要影响因素
内燃机材料技术
内燃机使用传统材料钢、铸铁和有色金属及其合金内燃机发展过程人们断对其经济性、动力性、排放等提出了更高要求从而对内燃机材料要求相应提高根据内燃机今发展目标对内燃机材料要求主要集绝热性、耐热性、耐磨性、减摩性、耐腐蚀性及热膨胀小、质量轻等方面要促进内燃机材料发展,除采用改变材料化学成分与含量来达零部件所要求物理、机械性能常规方法外也采用表面强化工艺来使材料达所需要求内燃机材料发展更需要我们去开发适应同工作状态新材料与内燃机传统材料相比陶瓷材料具有无比拟绝热性和耐热性陶瓷材料和工程塑料(纤维增强塑料)具有比传统材料优越减摩性、耐磨性和耐腐蚀性,其比重与铝合金相上下而比钢和铸铁轻得多因此,陶瓷材料(高性能陶瓷)凭借其优良综合性能用许多内燃机零件上喷油点火零件、燃烧室、活塞顶等若能克服脆性、成本等方面弱点新世纪里会得广泛应用工程塑料也用于许多内燃机零件内燃机上各种罩盖、活塞裙部、正时齿轮、推杆等随着工艺水平提高及价格降低,未来工程塑料内燃机上应用会与日俱增综合内燃机各种材料扬长避短新材料基础上又开发出了金属、塑料或陶瓷基材各种复合材料,并开始内燃机上逐渐推广使用
展望新世纪今段时期内钢、铸铁和有色金属及其合金仍内燃机主要材料各种表面强化工艺更加先进并得广泛应用金属、塑料、陶瓷基材各种复合材料10年之进入惊人高速推广时期新材料内燃机上使用也同时加速
内燃机制造技术
内燃机发展水平取决于其零部件发展水平而内燃机零部件发展水平由生产制造技术等因素来决定也说内燃机零部件制造技术水平对主机性能、寿命及靠性有决定性影响同样制造技术与设备关系也密分每当新代设备或工艺材料研制成功都会给制造技术革新带来突破性进展进入新世纪科学技术发展会异常迅猛,新设备研制周期越来越短因此新世纪内燃机制造技术必形成迅速发展局面
由于铸造技术水平提高气冲造型、静压造型、树脂自硬砂造型制芯、消失模铸造使内燃机铸造主要零件机体、缸盖制成形状复杂曲面及箱型结构薄壁铸件仅大程度上提高了机体刚度,降低了噪声辐射而且使内燃机达轻量化由于象喷涂、重熔、烧结、堆焊、电化学加工、激光加工等局部表面强化技术进步使材料功能得完善发挥；由于设备水平提高加工制造技术向高精度、高效率、自动化方向发展带动了内燃机零部件生产向高集化程度发展另方面柔性制造技术推广使内燃机产品更新换代具有更大灵活性和适应性多品种小批量生产柔性制造系统引起了内燃机制造商们广泛认同也顺应了生产技术发展及市场形势变化电子技术及计算机设计、制造、试验、检测、工艺过程控制上应用,推动了行业技术进步提高了内燃机产品质量新材料发展也推动了内燃机零部件生产工艺变革特别工程塑料、陶瓷材料及复合材料内燃机上运用有力地促进了内燃机制造技术发展随着内燃机电控技术发展电控系统三大组成部分(传感器、执行器、控制单元)成内燃机零部件行业重要分支同时向传统内燃机制造业提出了新课题
由此我们推断:21世纪,内燃机制造技术向高精度、多元化方面飞速发展发展速度和方向仅关系内燃机质量,还直接对内燃机未来产生重大影响其产品技术进步快慢而言,汽车内燃机发展快,其次机车、船舶、发电机组、工程机械、农业机械等
内燃机代用燃料
由于世界石油危机和发动机尾气对环境污染日益严重内燃机技术研究转向高效节能及开发利用洁净代用燃料汽油机和柴油机基础进行改造或重新设计开发天气、液化石油气和氢气等燃料气体发动机目前和今段时间内内燃机技术重点之其气体发动机功率恢复技术和氢气发动机燃烧控制等其重之重
综述
内燃机应用断发展各种内燃机彼此相互竞争相互渗透相互综合从演化出各种新混合式发动机燃气轮机发明和发展方面对柴油机形成竞争另方面也补充了柴油机使柴油机废气涡轮增压得完善反过来增强了柴油机竞争能力燃气轮机本来也蒸汽轮机竞争对手人们把燃气轮机和蒸汽轮机两种按同热力循环工作热机联合起构成种崭新高效循环:燃气——蒸汽轮机联合循环热力学第二定律告诉我们要提高热效率应尽能提高热机加热温度和降低排热温度蒸汽机排热温度较低(约300K)由于水蒸气本身特性和设备条件限制其加热温度能太高目前稳定800～900K下随着冶金和冷却技术发展燃气轮机加热温度直上升目前已达1300～1500K左右；其排热温度却能太低般 700～800K甚至更高所两种热机目前实际热效率都未超过40%燃气——蒸汽联合循环燃气轮机排气送进余热锅炉生产蒸气供蒸汽轮机利用联合循环同时取得燃气轮机加热温度高和蒸汽轮机排热温度低双重优点目前此联合循环机组高热效率已达47%上把作热电并供机组使用其燃料利用率达80%左右
混合动力意义越来越广电动马达加汽油机或柴油机应用各自优点屏蔽各自缺点而日产汽车工业公司则把高性能发电机兼电动机装入柴油机飞轮位置,成功地研制出名符其实混合式发动机即成功地开发了使两种原理同时作用原动机(HIMR发动机)混合式发动机未来动力技术热点之极有望成既损害人类已获得方便又能保持美好环境机械
内燃机发展史表明具有本质上优越性新技术富有生命力新生事物必有广阔发展前途第台实用内燃机热效率只有4%而当时蒸汽机热效率已达8%～10%；内燃机内燃本质上优越性决定了快地超过了蒸汽机
综上所述,21世纪内燃机面临来自各方面挑战,义无返顾地朝着节约能源、燃料多样化、提高功率、延长寿命、提高靠性、降低排放和噪声、减轻质量、缩小体积、降低成本、简化维护保养等方向迅猛发展21世纪,天气、醇类、植物油及氢等代用燃料内燃机增添新活力,而内燃机电子控制技术提高品质同时也延长了内燃机行业生命新材料、新工艺技术革命,21世纪内燃机发展产生了新推动力21世纪内燃机,造福人类同时断弥补自身缺陷,尽能完美形象人类作出新贡献