现代内燃机发展趋势及新技术.pdf

1、 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/第 13 卷 第 3 期 V o l. 13 . 3 渝 州 大 学 学 报 (自 然 科 学 版 )JOU RNAL O F YU ZHOU UN IV ER S IT Y (N at. Scien. Edit. )1996 年 9 月 Sep. 1996 现 代 内 燃 机 发 展 趋 势 及 新 技 术 X潘 小 丽 XX 陈 有 方(西 南 车 辆 厂 职 大 , 重 庆 , 630050) (重 庆 工 业

2、 管 理 学 院 车 辆 工 程 系 , 重 庆 , 630050)摘 要 全 面 介 绍 了 当 代 内 燃 机 发 展 趋 势 , 以 及 目 前 采 用 的 新 技 术 。关 键 词 内 燃 机 ; 新 技 术 ; 发 展 趋 势中 国 图 书 资 料 分 类 法 分 类 号 U 26211自 从 N. A O tto 和 R. D iesel 提 出 了 奥 托 循 环 和 狄 塞 尔 循 环 , 奠 定 了 内 燃 机 的 理 论 基 础 ,内 燃 机 走 进 了 人 们 的 生 活 。 百 余 年 来 , 前 人 付 出 艰 辛 的 劳 动 , 经 过 无 数 次 的 改 进 和

3、提 高 , 现 代内 燃 机 无 论 在 结 构 方 面 , 还 是 在 性 能 方 面 都 已 今 非 昔 比 , 成 为 当 今 用 量 最 大 , 用 途 最 广 , 无 一与 之 匹 敌 的 最 重 要 的 热 能 机 械 , 成 为 人 们 赖 以 生 活 和 生 产 的 重 要 动 力 装 备 。内 燃 机 是 使 用 量 大 、 使 用 范 围 广 、 热 效 率 高 的 动 力 机 械 。 现 代 高 性 能 内 燃 机 的 热 效 率 已达 到 40% 以 上 , 超 长 行 程 二 冲 程 柴 油 机 的 循 环 热 效 率 甚 至 可 达 到 50% 以 上 , 车 用

4、汽 油 机 的有 效 热 效 率 也 已 达 到 33% 左 右 , 这 一 点 是 其 他 热 能 机 械 还 无 法 比 拟 的 。 内 燃 机 的 功 率 复 盖面 宽 , 单 机 功 率 从 小 于 1 kW 到 4 104 kW 以 上 。 其 转 速 范 围 每 从 70 r m in 到 9000 r m in。到 目 前 为 止 , 内 燃 机 和 电 动 机 同 是 铁 路 机 车 的 主 要 动 力 , 在 船 舶 、 舰 艇 中 , 内 燃 机 (柴 油 机 )以起 动 迅 速 、 运 行 安 全 、 维 修 方 便 、 使 用 寿 命 长 、 可 靠 性 好 , 并 能

5、 使 用 劣 质 燃 料 的 优 点 占 据 动 力装 置 的 统 治 地 位 , 约 占 全 部 动 力 装 置 的 98107% 以 上 , 且 这 种 趋 势 仍 在 增 长 。在 现 代 汽 车 和 战 车 (坦 克 、 装 甲 车 、 自 行 火 炮 )中 , 内 燃 机 牢 牢 保 持 了 最 佳 原 动 机 的 地 位 。占 有 99195% 的 绝 对 优 势 。面 对 严 峻 的 挑 战 , 促 使 内 燃 机 技 术 达 到 了 一 个 新 的 水 平 。 由 于 能 源 短 缺 , 要 求 对 人 类 生存 环 境 加 强 保 护 的 呼 声 愈 来 愈 高 , 内 燃

6、机 面 临 严 峻 的 挑 战 。 这 种 挑 战 促 使 内 燃 机 的 各 种 基 础研 究 和 应 用 技 术 在 近 十 年 来 得 到 显 著 的 进 步 , 使 内 燃 机 技 术 达 到 了 一 个 新 的 水 平 , 高 性 能 、低 消 耗 、 少 污 染 的 机 型 不 断 开 发 出 来 , 投 向 市 场 , 稀 燃 技 术 , 快 速 燃 烧 系 统 , 分 层 进 气 系 统 , 隔热 发 动 机 , 新 型 增 压 技 术 的 研 究 步 伐 明 显 加 快 , 新 材 料 、 代 用 燃 料 、 高 性 能 润 滑 油 的 研 究 也 广泛 开 展 , 并 取

7、得 了 引 人 瞩 目 的 成 绩 。 新 的 设 计 思 想 、 新 的 制 造 技 术 、 先 进 的 试 验 手 段 的 产 生 和应 用 , 使 内 燃 机 面 目 一 新 。特 别 是 电 子 技 术 、 电 子 计 算 机 技 术 在 内 燃 机 上 的 应 用 , 使 内 燃 机 进 入 一 个 全 新 的 时 代 ,XXX 女 , 44 岁 , 讲 师收 到 日 期 : 1996205209 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/内 燃 机

8、 电 控 化 使 它 的 运 行 参 数 保 持 最 佳 值 , 使 内 燃 机 功 率 、 油 耗 、 排 废 得 到 了 最 佳 平 衡 。 目前 , 内 燃 机 正 处 在 一 个 新 的 发 展 高 潮 之 中 。我 国 内 燃 机 工 业 的 特 点 是 基 础 薄 弱 、 发 展 迅 速 、 现 有 水 平 和 世 界 先 进 水 平 相 比 , 尚 有 很大 差 距 , 拥 有 巨 大 的 内 燃 机 市 场 , 社 会 保 有 量 以 1740 104 kW a 的 速 度 增 长 , 八 十 年 代 , 内燃 机 保 有 量 增 加 了 5 倍 , 但 燃 油 短 缺 的 矛

9、 盾 十 分 突 出 。改 善 内 燃 机 的 经 济 性 、 控 制 有 害 排 放 , 实 现 工 作 过 程 及 燃 烧 过 程 的 优 化 控 制 , 寻 求 代 用燃 料 和 应 用 劣 质 燃 料 , 减 少 摩 擦 、 磨 损 , 提 高 工 作 可 靠 性 的 使 用 寿 命 , 是 我 国 当 前 急 待 解 决 的热 门 课 题 。目 前 , 我 国 内 燃 机 的 耗 油 水 平 与 国 外 相 比 高 出 8% 15% , 排 放 指 标 CO 含 量 为 日 本 的28 38 倍 , HC 为 16 26 倍 , NO X 为 3 7 倍 。 最 好 的 使 用 寿

10、命 约 为 国 外 平 均 寿 命 的 50%。汽 油 机 性 能 比 较日 本 1983 年 普 及 水 平 中 国 1994 年 最 高 水 平升 功 率 kW L 36. 8 44. 1 37. 1比 质 量 kg kW 1. 36 2. 0 1. 9油 耗 g kW 272 299 286压 缩 比 8. 5 9. 0 8. 5最 大 功 率 时 转 速 r m in 5000 6000 5500最 大 扭 矩 转 速 r m in 3000 4000 3500使 用 寿 命 3. 0 105 km 1. 5 105 km即 使 是 近 年 引 进 的 机 型 如 BN 489、 CA

11、 488、 JVL 4 其 性 能 指 标 和 国 外 相 比 仍 有 较 大 差距 。 仅 富 康 发 动 机 和 最 近 从 大 众 公 司 引 进 的 EA 827N F, 具 有 世 界 先 进 水 平 。 (一 汽 、 上 海 大众 )。总 体 说 来 , 我 国 内 燃 机 水 平 和 国 外 的 差 距 为 15 20 a, 甚 至 更 多 。 相 当 于 美 国 六 十 年 代和 俄 国 七 十 年 代 的 水 平 。1 内 燃 机 基 础 研 究 的 发 展 和 新 型 内 燃 机 的 开 发内 燃 机 的 燃 烧 理 论 , 传 热 、 气 体 流 动 、 混 合 气 形

12、成 机 理 、 摩 擦 学 和 润 滑 理 论 , 在 近 十 年 来 ,取 得 新 的 成 果 , 有 力 地 推 动 了 内 燃 机 技 术 的 发 展 。111 稀 燃 技 术 和 快 速 燃 烧 技 术 的 研 究 和 开 发由 于 节 约 能 源 和 减 少 污 染 的 要 求 , 推 动 了 稀 燃 技 术 和 快 速 燃 烧 技 术 的 研 究 和 开 发 , 各 国投 入 大 量 人 力 、 财 力 , 开 发 稀 燃 系 统 和 快 速 燃 烧 系 统 , 现 在 , 国 外 各 种 新 型 系 统 已 络 续 面 世 。如 : Jaguar (美 洲 虎 )车 上 的 M

13、ay 火 球 高 紊 流 燃 烧 室 、 空 燃 比 22、 节 油 20% ,Bo sh 公 司 的 烯 燃系 统 , 节 油 30% , 里 卡 多 公 司 的 HRCC 系 统 和 福 特 公 司 的 HRCC 系 统 , 本 田 的 CV CC 系 统 ,F iat 公 司 的 M arker 系 统 。 试 验 中 的 新 型 发 动 机 空 燃 比 已 达 到 33, 汽 油 机 压 缩 比 达 到 16, 最高 压 力 与 平 均 有 效 压 力 之 比 , 下 降 到 6, 油 耗 下 降 到 231. 8 g kW h。62 渝 州 大 学 学 报 (自 然 科 学 版 )

14、第 13 卷 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/1. 2 隔 热 发 动 机 的 研 究为 了 减 少 能 量 损 失 , 有 人 提 出 了 “ 有 限 冷 却 ” 和 “ 无 冷 却 ” 发 动 机 的 设 想 , 采 用 陶 瓷 材 料 ,减 少 散 热 损 失 , 利 用 动 力 涡 轮 复 合 技 术 提 高 曲 轴 功 率 输 出 , 但 目 前 存 在 如 下 的 问 题 仍 待 解决 。(1) 进 气 温 度 提 高 , 导 致 充 气

15、 效 率 下 降 , 热 效 率 提 高 不 明 显 ;(2) 零 件 温 度 升 高 , 热 负 荷 增 加 , 强 度 、 刚 度 下 降 ;(3) 高 温 面 (陶 瓷 )和 低 温 面 (金 属 )的 传 热 ;(4) 高 温 下 的 润 滑 ;(5) 成 本 和 可 靠 性 。113 复 合 动 力 装 置 的 研 究 和 开 发内 燃 机 高 速 性 能 好 , 且 有 良 好 的 适 应 性 , 但 存 在 污 染 , 电 动 机 无 污 染 、 低 噪 声 , 但 高 速 性能 差 , 加 速 慢 , 车 辆 类 移 动 性 的 装 置 需 要 昂 贵 的 储 能 装 置 ,

16、有 人 提 出 为 了 用 其 所 长 , 采 用 内 燃机 电 机 复 合 动 力 装 置 (混 合 驱 动 系 统 ) (H yb rid) , 这 种 装 置 有 串 联 和 并 联 二 类 , 目 前 已 在go lf 轿 车 上 使 用 , 这 种 装 置 节 能 率 比 申 动 汽 车 高 14% 15% , 目 前 的 问 题 是 :(1) 内 燃 机 和 电 动 机 的 有 效 和 合 理 的 匹 配 , 切 换 时 机 控 制 ;(2) 能 量 回 收 和 高 效 蓄 能 系 统 ;(3) 机 仑 的 布 置 和 空 间 的 局 限 性 ;(4) 成 本 。114 燃 氢 内

17、 燃 机 的 研 究 和 开 发氢 气 热 值 高 、 燃 后 无 污 染 , 是 一 种 理 想 的 内 燃 机 燃 料 , 具 有 美 好 的 开 发 前 景 , 它 的 关 键 在于 氢 的 制 备 和 储 存 , 特 别 是 后 者 , 目 前 燃 氢 内 燃 机 已 接 近 实 用 水 平 。 使 用 的 氢 储 存 方 法 有 1)液 化 氢 方 案 , 方 案 总 体 上 说 较 合 理 , 但 技 术 难 度 大 , 安 全 性 差 ; 2) 储 氢 合 金 , 将 氢 以 金 属 氢 化物 的 形 式 储 存 。 这 种 方 法 由 美 国 倡 导 , 但 在 实 用 方 面

18、 , 日 本 已 后 来 居 上 , 现 在 主 要 目 标 是 提 高储 存 密 度 , 减 轻 储 氢 装 置 质 量 , 体 积 , 降 低 成 本 。115 其 他 形 式 的 内 燃 机诸 如 米 勒 循 环 内 燃 机 , 液 态 金 属 内 燃 机 , 因 尚 处 于 试 验 阶 段 , 前 景 尚 不 明 朗 , 此 处 不 多 阐述 。2 增 压 技 术 和 中 冷 技 术对 内 燃 机 进 气 进 行 事 先 压 缩 以 提 高 充 气 效 率 的 设 想 早 在 二 十 年 代 就 有 人 提 出 , 1926 年瑞 士 人 A. J. Buch i 制 成 了 废 气

19、涡 轮 增 压 器 , 直 到 五 十 年 代 , 增 压 技 术 才 开 始 在 柴 油 机 上 应用 , 并 作 为 产 品 提 供 市 场 , 40 多 年 来 , 增 压 技 术 迅 猛 发 展 , 目 前 大 型 柴 油 机 已 是 无 机 不 增 压 ,中 型 机 也 超 过 了 60% , 目 前 增 压 技 术 在 汽 油 机 领 域 内 也 开 始 采 用 。由 于 增 压 能 有 效 地 提 高 充 气 效 率 和 平 均 有 效 压 力 , 有 效 地 利 用 废 气 能 量 , 降 低 油 耗 , 增加 输 出 功 率 , 增 压 技 术 对 内 燃 机 性 能 的 提

20、 高 起 到 了 划 时 代 的 作 用 。 中 冷 技 术 的 采 用 , 更 使 增压 技 术 的 作 用 更 加 有 效 , 目 前 , 增 压 四 冲 程 机 的 有 效 压 力 已 超 过 2M Pa, 单 级 增 压 比 超 过 5,并 使 高 增 压 系 统 的 使 用 成 为 现 实 。法 国 Su ralmo 超 高 压 系 统 的 平 均 有 效 压 力 达 到 3. 3M Pa, 增 压 比 达 到 10。72第 3 期 潘 小 丽 等 : 现 代 内 燃 机 发 展 趋 势 及 新 技 术 1994-2010 China Academic Journal Electro

21、nic Publishing House. All rights reserved. http:/目 前 增 压 技 术 的 发 展 方 向 是 :(1) 超 高 压 系 统 和 多 级 增 压 ;(2) 内 燃 机 废 气 涡 轮 增 压 和 动 力 涡 轮 复 合 技 术 。3 汽 油 喷 射 技 术 和 电 控 技 术在 汽 油 机 的 初 创 时 期 , 曾 有 人 尝 试 采 用 汽 油 喷 射 , 压 燃 方 式 制 造 汽 油 机 , 由 于 汽 油 自 燃温 度 高 , 不 易 压 燃 , 工 作 不 稳 定 , 效 果 不 好 而 改 用 点 燃 方 式 。目 前 采 用 汽

22、 油 喷 射 技 术 , 是 受 到 航 空 燃 气 轮 机 的 工 作 方 式 的 启 发 而 在 五 十 年 代 提 出 的 ,首 先 在 Benz300BL 轿 车 上 使 用 , 1967 年 , Bo sen 在 美 国 本 迪 克 斯 (Bendix) 公 司 的 研 究 基 础上 , 推 出 D 2jetron ic 电 控 喷 射 系 统 , 装 在 大 众 1600 轿 车 上 。 自 此 以 后 , 欧 美 、 日 各 国 相 继 采用 。 至 九 十 年 代 初 , 装 用 电 控 喷 射 发 动 机 的 轿 车 美 国 已 达 90% , 德 、 日 也 在 50% 以

23、 上 , 现 在 广泛 使 用 的 是 D 2jetron ic 系 统 基 础 上 改 进 的 L 2jectron ic 系 统 和 电 控 点 火 , 汽 油 喷 射 系 统(o tron ic)。汽 油 喷 射 系 统 的 主 要 优 点 在 于 1) 有 利 于 提 高 充 气 效 率 , 增 加 发 动 机 的 功 率 和 扭 矩 ; 2)混 合 气 分 配 均 匀 , 可 以 精 确 地 使 混 合 气 和 工 况 匹 配 ; 3)允 许 采 用 高 压 缩 比 , 并 抑 制 爆 震 , 有 可能 使 用 辛 烷 值 低 的 燃 料 , 易 实 现 分 层 燃 烧 , 使 混

24、合 气 的 浓 度 分 配 合 理 ; 4) 改 善 冷 起 动 性 和 加速 性 能 ; 5) 提 高 燃 油 经 济 性 和 排 放 ; 6) 有 利 于 采 用 增 压 技 术 ; 7) 控 制 精 度 高 , 响 应 速 度 快 , 控制 自 由 度 大 , 灵 活 性 高 ; 8)结 构 简 单 , 体 积 小 , 不 需 要 特 殊 的 管 理 和 维 修 。电 控 系 统 一 般 由 点 火 子 系 统 喷 油 子 系 统 及 电 控 单 元 组 成 , 实 现 对 混 合 气 成 分 和 点 火 时刻 的 优 化 控 制 , 还 可 设 置 其 他 子 系 统 来 改 善 发

25、动 机 性 能 实 现 多 参 数 程 序 化 控 制 。从 目 前 发 展 态 势 分 析 , 在 轿 车 领 域 , 电 控 喷 射 发 动 机 代 替 化 油 器 式 发 动 机 , 已 不 可 逆 转 。4 新 材 料 、 新 设 计 、 新 工 艺随 着 发 动 机 强 化 程 度 的 提 高 , 发 动 机 零 部 件 的 工 作 条 件 恶 化 , 对 它 们 的 强 度 、 刚 度 、 耐 热性 能 、 抗 疲 劳 性 能 、 减 摩 性 能 及 工 艺 性 能 等 提 出 了 极 为 苛 刻 的 要 求 , 这 就 要 求 我 们 不 断 去 寻找 探 索 新 的 材 料 ,

26、 新 的 制 造 工 艺 去 满 足 要 求 。 由 于 发 动 机 轻 量 化 的 需 要 , 降 低 成 本 需 要 , 也 对材 料 、 工 艺 提 出 了 要 求 。近 期 来 , 国 内 外 内 燃 机 界 在 下 面 几 个 方 面 做 了 不 少 工 作 , 取 得 了 不 少 成 果 。(1) 陶 瓷 材 料 的 开 发 及 喷 涂 技 术(2) 全 铝 发 动 机 的 研 究 及 过 共 晶 硅 铝 合 金 材 料 的 应 用(3) 硼 合 金 气 缸 套 的 研 究 和 应 用(4) 蠕 墨 铸 铁 的 研 究 和 应 用(5) 铅 铝 合 金 高 承 载 能 力 轴 承

27、的 研 究 和 应 用(6) 高 温 润 滑 油 及 密 封 件 的 研 究(7) 少 活 塞 环 , 无 塞 环 活 塞 , 中 凸 变 椭 园 活 塞 的 研 究 和 设 计(8) 可 变 配 气 相 位 机 构 , 可 变 载 面 进 气 系 统 研 究 和 设 计(9) 粉 末 冶 金 零 件 , 如 烧 结 连 杆 的 研 究 和 设 计 制 造82 渝 州 大 学 学 报 (自 然 科 学 版 ) 第 13 卷 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. htt

28、p:/(10) 高 性 能 燃 烧 室 的 研 究 和 设 计 (如 高 紊 流 、 使 用 多 种 燃 料 燃 烧 室 等 )(11) 多 气 门 化 技 术5 试 验 和 新 测 试 技 术内 燃 机 的 研 究 和 设 计 , 离 不 开 测 试 手 段 , 近 年 来 内 燃 机 技 术 的 飞 速 发 展 和 测 试 技 术 的 进步 有 很 大 关 系 , 随 着 电 子 计 算 机 技 术 的 进 步 和 广 泛 普 及 应 用 , 内 燃 机 测 试 技 术 在 观 念 上 产 生了 深 刻 的 变 革 , 在 手 段 上 开 辟 了 新 的 局 面 。目 前 的 趋 势 是

29、由 非 电 量 的 弱 电 测 试 向 光 学 、 磁 学 发 展 , 由 接 触 测 量 向 非 接 触 测 量 发 展 ,由 一 般 测 试 向 智 能 化 方 向 发 展 , 由 稳 态 测 试 向 动 态 测 试 发 展 , 由 普 通 测 量 向 状 态 监 控 发 展 。几 年 来 , 发 展 较 快 , 也 较 被 重 视 的 技 术 有 :(1) 激 光 测 试 技 术 使 内 燃 机 缸 内 现 象 的 研 究 向 微 观 化 、 定 量 化 和 可 视 化 发 展 。(2) 高 速 摄 影 和 摄 象 技 术(3) 振 动 和 噪 声 测 试 技 术 及 其 在 故 障 诊

30、 断 、 减 振 、 降 噪 方 面 的 应 用(4) 智 能 化 测 试 设 备 的 研 究 开 发 。内 燃 机 技 术 是 涉 及 声 、 光 、 热 、 力 、 电 、 磁 等 多 种 学 科 的 综 合 技 术 , 它 的 发 展 是 以 这 些 基 础学 科 发 展 为 基 础 的 , 它 直 接 关 系 到 国 防 、 交 通 、 能 源 、 农 业 , 及 许 多 国 民 经 济 部 门 甚 至 人 民 的日 常 生 活 。 提 高 我 国 的 内 燃 机 技 术 水 平 , 发 展 内 燃 机 工 业 , 具 有 十 分 重 要 的 意 义 。我 们 应 该 尽 一 切 努

31、力 , 缩 短 和 世 界 先 进 水 平 的 差 距 , 迎 头 赶 上 。T he P ro spects of Internal Com bustion Engineand Its N ew T echniquesP an X iaoli(O ccupational Co llege of Sou thw est V eh icle Facto ry, Chongqing, 630050)Chen Y ouf ang(D ep t. of V eh icle E ng ineering , Chong qing Istitu te of T echnology M anag em ent, Chong qing , 630050)Abstract T he p ro spects of in ternal com bu stion engine is discu ssed and its new tech2n iques are p resen ted.Keywords in ternal com bu stion engine; new techen iques; p ro spects92第 3 期 潘 小 丽 等 : 现 代 内 燃 机 发 展 趋 势 及 新 技 术