内燃机的发展历程及未来趋势

内燃机是将热能转化为机械能的一种热机，它是将液体或气体燃料与空气混合后，直接输入气缸内部的高压燃烧室燃烧爆发而产生动力。广义上来讲，内燃机包括往复活塞式内燃机、旋转活塞式发动机、自由活塞式发动机和旋转叶轮式的燃气轮机及喷气式发动机等。作为一种动力机械，内燃机在现代社会中发挥着重要作用，几乎现在所有的汽车都是以内燃机作为动力的。内燃机的发展历史虽然不是很长，但在这百年的历程中，内燃机已越来越趋于完美。即便如此，我们相信，它依然有很大的发展前景。

1.内燃机的发展历史

活塞式内燃机起源于荷兰物理学家惠更斯用火药爆炸获取动力的研究，但因火药燃烧难以控制而未获成功。但这却导致了蒸汽机的诞生，促成了欧洲的工业革命。但蒸汽机存在热效率低、结构笨重、移动不便和操作麻烦等缺陷，因此，人们继续去开发更小、更实用、效率更高的发动机。

1794年，英国人斯特里特提出从燃料的燃烧中获取动力，并且第一次提出了燃料与空气混合的概念。1833年，英国人赖特提出了直接利用燃烧压力推动活塞做功的设计。之后人们又提出过各种各样的内燃机方案，但在19世纪中叶以前均未付诸实用。

1860年，法国的勒努瓦模仿蒸汽机的结构，制造了第一台商用煤气机，他首先在内燃机中使用了弹力活塞环，促使了内燃机的进步。这是一种无压缩、电点火、使用照明煤气的内燃机，但这台煤气机的热效率仅为4%左右。

英国的巴尼特曾将可燃混合气在点火之前进行压缩，随后又有人著文论述对可燃混合气进行压缩的重要作用，并且指出压缩可以大大提高勒努瓦内燃机的效率。1862年，法国科学家罗夏对内燃机热力过程进行理论分析之后，提出四冲程工作循环的理论。1876年，德国发明家奥托创制了第一台往复活塞式、单缸、卧式、3.2千瓦的四冲程内燃机。它以煤气为燃料，采用火焰点火，转速为156.7转/分，压缩比为2.66∶1，热效率达到14%，运转平稳。这是被人们公认的世界上第一台真正意义上的内燃机。因奥托内燃机通常用汽油做燃料，故也称为汽油机。

1881年，英国工程师克拉克研制成功第一台二冲程的煤气机，并在巴黎博览会上展出。

随着石油的开发，比煤气易于运输携带的汽油和柴油引起了人们的注意。首先获得试用的是易于挥发的汽油。1883年，德国的戴姆勒创制成功第一台立式汽油机，它的特点是轻型和高速。1885年，戴姆勒按奥托机原理研制出定容内燃机，利用他发明的表面汽化器形成的汽油雾为燃料，转速可达800转/分，压缩比达3∶1。提高压缩比，意味着发动机将有更大的推动力，同时，定容内燃机的转速也得到相应的提高。这种依据热力学定律制成的内燃机迅速得到了广泛的使用。1886年，德国人本茨发明了混合器和电点火装置，使汽油机更臻完善。本茨对内燃机的改进，不仅在当时已达到非常先进的水平，而且在今天这种混合电火花技术仍不算过时。本茨有着很好的商业头脑，他和戴姆勒发明了以汽油机为动力的汽车，汽车的发展又促进了汽油机的改进和提高。

德国工程师狄塞尔受面粉厂粉尘爆炸的启发，设想将气缸中的空气高度压缩，使其温度超过燃料的自燃温度，再用高压空气将燃料喷入气缸，使之着火燃烧，于1892年获得压缩点火内燃机的技术专利。1897年，他制成了第一台压缩点火的内燃机。压缩点火式内燃机的问世，引起了世界的极大兴趣，也以发明者而命名为狄塞尔发动机。这种内燃机以后大多用柴油为燃料，故又称为柴油机。

提高功率和降低重量功率比的重要措施就是提高转速和增加缸数。这一阶段内燃机的转速已达到1500转/分，由此提出的点火、启动、汽化及冷却等技术问题也逐一得到基本解决。“多缸制”是降低重量功率比的主要技术措施，先后出现的4缸、8缸直线型和V型排列及12缸、16缸V型排列，使重量功率比逐步降低到4千克/马力，达到了飞机实用水平。法国人塞甘设计的星形排列风冷飞机发动机，至1920年其重量功率比达到1千克/马力。(www.xing528.com)

1926年瑞士人A.J.布奇第一次设计了带废气涡轮增压器的增压发动机。20世纪50年代后，市场上才普及生产增压内燃机，此后增压技术得到了迅速发展和广泛应用。

在往复活塞式内燃机发展的同时，人们也在研究制造旋转式活塞的内燃机，提出了各种各样的旋转式内燃机的结构方案，但未获成功。1954年，西德工程师汪克尔解决了密封问题，并于1957年研制出三角旋转活塞发动机。它具有近似三角形的旋转活塞，在特定型面的气缸内做旋转运动，按奥托循环工作，被称为汪克尔发动机。这种发动机功率高、质量小、振动小、运转平稳、结构简单、维修方便，但由于燃料经济性较差、低速扭矩低、排气性能不理想，加上专利原因，因此只在赛车和军用等较少领域有应用。

20世纪60年代后期，内燃机电子控制技术诞生，通过70年代的发展，80年代趋于成熟。随着人类进入电子时代，21世纪的内燃机也步入了“内燃机电子时代”。20世纪50年代发现的汽车排气污染和70年代出现的世界石油危机，促使内燃机技术的研究转向高效节能及开发利用洁净的代用燃料，以汽油机和柴油机为基础，开发了很多以天然气、液化石油气、甲醇、乙醇、合成汽油、合成柴油、二甲醚和氢气等为燃料的代用燃料发动机。

2.内燃机未来发展趋势

21世纪是“电子技术”疯狂应用的时代，随着未来电子技术的进一步发展，内燃机电子控制技术必将会在内燃机工作中取得更大的应用。因为，电子技术控制的面相对更广，精度更高，这样可使内燃机取得更好的工作效率，也促使内燃机走向智能化时代。

未来内燃机的发展不但会趋于智能化，更会趋于低能耗、低污染型。因为在这石油资源日益减少的时代，要想实现可持续发展，就必须要发展新能源和增大能源的利用率。此外，在发动机尾气对环境的污染日益严重的情况下，未来内燃机技术的研究极有可能趋于高效节能型。

内燃机未来的发展可能着重于改进燃烧过程，提高机械效率，减少散热损失，降低燃料消耗率；开发和利用非石油制品燃料、扩大燃料资源；减少排气中有害成分，降低噪声和振动，减轻对环境的污染；采用高增压技术，进一步强化内燃机，提高单机功率；研制复合式发动机、绝热涡轮复合式发动机等；采用微处理机控制内燃机，使之在最佳工况下运转；加强结构强度的研究，以提高工作可靠性和寿命，不断创制新型内燃机变气门，变升程，变相位。

总之，未来的内燃机可能具备的特点是噪音低，耗能低，使用时机体没有振动，可靠性高，对环境污染极少，可使用多种燃料，结构强，寿命长等。

相信随着技术的不断进步和研究人员的不断努力，内燃机的未来肯定愈加精彩。