内燃机的发展与展望
赵胜男
一个国家的能源政策和相关的技术政策，决定着该国的动力机发展方向。当然影响动力机技术发展的因素是很多的，诸如科学技术水平、制造设计技术、材料工程、管理工程以及使用维修等也是制约因素。内燃机是使用最为广泛的动力机械，它的功率覆盖面为1～35 300 kW。在我国，内燃机保有量已达3.3～3.7亿kW，其中汽油机约占40%，其余为柴油机，农用柴油机约占柴油机总功率的50%左右，显然它的耗油量所占的比例也大致相似。
众所周知，石油资源是有限资源，据预测，按现在的开采速度还可维持50年左右，而且在近期内采用新型能源或代用燃料在发动机上得到普遍推广和应用还有困难，因此，柴油机仍然是我国主要农用动力机械，而“节能”则成了内燃机发展的头号问题。
一、内燃机的节能
1.发展节能型内燃机
（1）内燃机的柴油机化。柴油机的热效率比汽油机高，通常可以节油25%以上。随着设计、制造技术、材料技术水平的提高，过去限制柴油机取代汽油机的技术障碍逐步被克服，制造成本不断降低，使用性能不断提高，特别是1973年石油危机以来，世界各国柴油机化迅速发展，不但农用发动机采用柴油机，车用发动机也在采用柴油机，不但载重车采用柴油机，就是传统用汽油机的轿车也有不少采用柴油机。
（2）增压技术在向中小功率内燃机扩展。采用废气涡轮增压通常可提高功率30%～50%，降低耗油率2%～5%，还可以改善内燃机的排放。随着小型涡轮增压器结构的可靠性和效率的不断提高，制造成本不断降低，中小型增压高速柴油机正在迅速发展。
（3）采用多种燃料和代用燃料。石油危机以来各国都加强了非石油发动机燃料的研究，主要是：醇类燃料，它们可以从农产品中、煤中或天然气中制取，可以和汽油或柴油掺混燃烧，也可以燃用纯醇类燃料；天然气、沼气等烃类燃料；氢燃料以及煤粉—油混合浆燃料等均在开发中。
（4）汽油机采用高压缩比。提高压缩比可以提高指示效率，节约燃料，同时也意味着提高了内燃机的指示功率。目前，已经在研制直接向气缸内喷射燃油的汽油机，并配之以微机控制。这样，既改善了燃烧过程，提高了热效率，又改善了使用性能，使整机性能得到了改进。但由于太复杂、成本过高、可靠性欠佳、控制不完善等原因而尚未普遍应用。
2.不断提高内燃机各项性能指标
围绕“节能”和“强化”内燃机而开展的改善各项性能指标的工作也是内燃机发展的重要方面。主要包括：（1）采用直喷式燃烧室。（2）采用局部冷却系统或“绝热”内燃机以减少散热损失，在与高温燃气接触的缸筒上部、活塞顶部、缸盖底部、排气道内镶嵌陶瓷隔热材料，或用镍钼钢承受高温空气做隔热层等办法，减少传热损失是提高热效率的有效措施，与此同时，需采用废气涡轮增压以回收排气能量。（3）减少摩擦损失，提高机械效率，据研究，摩擦损失减少10%，耗油率可降低5%。内燃机的机械损失由泵气损失、附件消耗及零部件摩擦损失组成。充分利用进排气系统气体动力现象，减少阻力增大流量系数是减少泵气损失的根本途径。（4）采用燃烧稀混合气的汽油机。
二、控制排气污染、振动和噪声
振动和噪声对于操作者的劳动条件是一种损害，噪声又是一种环境公害。
内燃机的振动主要是由于未被平衡的惯性力（包括往复运动质量和旋转运动质量）和惯性力矩所引起，发动机工作粗暴、发生爆震时也会引起某些机件的振动。内燃机振动的强度又与不平衡力的作用方向、结构刚度、装配间隙、零部件的振动特性等因素有关。目前，还只能在发动机平衡上采取措施或加装减振器及在驾驶员座位上采取减振措施，在使用上，保持各零部件和整机的技术状态及安装紧度也是很重要的。
一般柴油机的噪声在100 dB（A）左右（低频性，有增压器时呈高频性），允许噪声应该降到80 dB（A）（中低频，如同大声谈话）以下。内燃机的工作噪声来源于结构噪声和气体动力噪声，后者又可分为进排气噪声和燃烧噪声等。结构噪声是由于发动机整体和零部件的振动、冲击、齿轮系的传动等产生的，与不平衡力、结构刚度、装配间隙、周期性的运动性质等因素有关。在外部加上隔声罩壳使噪声降低15～20 dB（A）。进排气噪声是由于进排气过程中高速气流的流动和脉动而产生的，可以加装消声器，并在管道布置和设计上采取措施。冷却风扇也是一个噪声源，所以其结构设计也应从气体动力噪声的消减来考虑。燃烧噪声则与气缸内的压力升高率关系很大，所以它的消减涉及很多问题。总的来看，柴油机上要解决齿轮系的传动噪声和气缸中燃烧噪声还是比较困难的。
一个国家的能源政策和相关的技术政策，决定着该国的动力机发展方向。当然影响动力机技术发展的因素是很多的，诸如科学技术水平、制造设计技术、材料工程、管理工程以及使用维修等也是制约因素。内燃机是使用最为广泛的动力机械，它的功率覆盖面为1～35 300 kW。在我国，内燃机保有量已达3.3～3.7亿kW，其中汽油机约占40%，其余为柴油机，农用柴油机约占柴油机总功率的50%左右，显然它的耗油量所占的比例也大致相似。
众所周知，石油资源是有限资源，据预测，按现在的开采速度还可维持50年左右，而且在近期内采用新型能源或代用燃料在发动机上得到普遍推广和应用还有困难，因此，柴油机仍然是我国主要农用动力机械，而“节能”则成了内燃机发展的头号问题。
一、内燃机的节能
1.发展节能型内燃机
（1）内燃机的柴油机化。柴油机的热效率比汽油机高，通常可以节油25%以上。随着设计、制造技术、材料技术水平的提高，过去限制柴油机取代汽油机的技术障碍逐步被克服，制造成本不断降低，使用性能不断提高，特别是1973年石油危机以来，世界各国柴油机化迅速发展，不但农用发动机采用柴油机，车用发动机也在采用柴油机，不但载重车采用柴油机，就是传统用汽油机的轿车也有不少采用柴油机。
（2）增压技术在向中小功率内燃机扩展。采用废气涡轮增压通常可提高功率30%～50%，降低耗油率2%～5%，还可以改善内燃机的排放。随着小型涡轮增压器结构的可靠性和效率的不断提高，制造成本不断降低，中小型增压高速柴油机正在迅速发展。
（3）采用多种燃料和代用燃料。石油危机以来各国都加强了非石油发动机燃料的研究，主要是：醇类燃料，它们可以从农产品中、煤中或天然气中制取，可以和汽油或柴油掺混燃烧，也可以燃用纯醇类燃料；天然气、沼气等烃类燃料；氢燃料以及煤粉—油混合浆燃料等均在开发中。
（4）汽油机采用高压缩比。提高压缩比可以提高指示效率，节约燃料，同时也意味着提高了内燃机的指示功率。目前，已经在研制直接向气缸内喷射燃油的汽油机，并配之以微机控制。这样，既改善了燃烧过程，提高了热效率，又改善了使用性能，使整机性能得到了改进。但由于太复杂、成本过高、可靠性欠佳、控制不完善等原因而尚未普遍应用。
2.不断提高内燃机各项性能指标
围绕“节能”和“强化”内燃机而开展的改善各项性能指标的工作也是内燃机发展的重要方面。主要包括：（1）采用直喷式燃烧室。（2）采用局部冷却系统或“绝热”内燃机以减少散热损失，在与高温燃气接触的缸筒上部、活塞顶部、缸盖底部、排气道内镶嵌陶瓷隔热材料，或用镍钼钢承受高温空气做隔热层等办法，减少传热损失是提高热效率的有效措施，与此同时，需采用废气涡轮增压以回收排气能量。（3）减少摩擦损失，提高机械效率，据研究，摩擦损失减少10%，耗油率可降低5%。内燃机的机械损失由泵气损失、附件消耗及零部件摩擦损失组成。充分利用进排气系统气体动力现象，减少阻力增大流量系数是减少泵气损失的根本途径。（4）采用燃烧稀混合气的汽油机。
二、控制排气污染、振动和噪声
振动和噪声对于操作者的劳动条件是一种损害，噪声又是一种环境公害。
内燃机的振动主要是由于未被平衡的惯性力（包括往复运动质量和旋转运动质量）和惯性力矩所引起，发动机工作粗暴、发生爆震时也会引起某些机件的振动。内燃机振动的强度又与不平衡力的作用方向、结构刚度、装配间隙、零部件的振动特性等因素有关。目前，还只能在发动机平衡上采取措施或加装减振器及在驾驶员座位上采取减振措施，在使用上，保持各零部件和整机的技术状态及安装紧度也是很重要的。
一般柴油机的噪声在100 dB（A）左右（低频性，有增压器时呈高频性），允许噪声应该降到80 dB（A）（中低频，如同大声谈话）以下。内燃机的工作噪声来源于结构噪声和气体动力噪声，后者又可分为进排气噪声和燃烧噪声等。结构噪声是由于发动机整体和零部件的振动、冲击、齿轮系的传动等产生的，与不平衡力、结构刚度、装配间隙、周期性的运动性质等因素有关。在外部加上隔声罩壳使噪声降低15～20 dB（A）。进排气噪声是由于进排气过程中高速气流的流动和脉动而产生的，可以加装消声器，并在管道布置和设计上采取措施。冷却风扇也是一个噪声源，所以其结构设计也应从气体动力噪声的消减来考虑。燃烧噪声则与气缸内的压力升高率关系很大，所以它的消减涉及很多问题。总的来看，柴油机上要解决齿轮系的传动噪声和气缸中燃烧噪声还是比较困难的。
