漫谈内燃式热机“家族”俩兄弟

汽车的心脏是发动机.发动机有汽油发动机和柴油发动机之分.无论是汽油发动机还是柴油发动机,它们都属于内燃式热机(简称内燃机),都是燃烧燃料后通过推动气缸内活塞做往返运动来将燃料释放的化学能转换成为驱动车辆前进的机械能量,因此二者的工作原理大体是相同的.

内燃机的始祖是蒸汽机.

1695年,法国发明家巴本(D.Papin,1647―约1714)第一个发明了蒸汽机.他用一个铁圆筒中间装上一个塞子,塞子下面盛有少量的水.对筒底加热,筒内的水变成蒸汽,推动塞子向上运动.然后将火移开,铁筒冷却,大气压便将塞子压下来.当然,这样的蒸汽机太原始了,操作不便,也不安全,所以实用价值不大.

那么世界上第一个制造能用蒸汽机的是谁呢?英国发明家纽科门(T.Newcomen,1663―1729)通过不断地改进,将蒸汽机的实用价值提高了一步.1705年纽科门制造了一台蒸汽机,被利用来抽矿内的积水,但因这一机器的汽缸仍是不断地加热和不断地用外加喷射水来冷却的,能量损失很大,无法连续地工作.

64年后,英国一个年轻的技工――瓦特改进了纽科门机,加了冷凝器,使机器运作由断续变连续,从而使蒸汽机的使用价值大大提高,从而引发了欧洲的工业革命.

现在人类制造热机的技术已经十分成熟,轮船、火车和飞机都离不开热机,精致技术甚至能够制造出人大拇指大小的热机来!

正因为汽油机和柴油机是俩兄弟,它们有不少相同之处:基本构造和主要部件的作用相似;每个工作循环都一样,由吸气、压缩、做功、排气四个冲程组成;在这四个冲程中,只有做功冲程对外做功,其余三个冲程靠飞轮的惯性来完成;一个工作循环中,活塞往复两次,曲轴转动两周,飞轮转两圈,做功一次.

生活中的“双胞胎”兄弟虽然有很多相同之处,但差别还是有的!内燃式热机“家族”的俩兄弟也有类似情况.汽油机是以汽油为燃料,柴油机就是以柴油为燃料.除了燃料不同,两者在构造上也有异同:柴油机的构造和汽油机相似,主要的不同是柴油机气缸顶部没有火花塞,而有一个喷油嘴.由此喷油嘴可向气缸内喷入雾状柴油.柴油机与汽油机工作过程也存在异同:柴油机在吸气冲程吸入气缸的是新鲜空气,而汽油机吸入的则是汽油和空气的混合燃料.在压缩冲程末汽油机是靠火花塞产生电火花,使燃料燃烧.而柴油机是在压缩冲程末,从喷油嘴喷出雾状柴油遇到热空气立即燃烧(汽油机的点火方式叫点燃式,柴油机的点火方式叫压燃式).由于柴油机中燃气的温度和压强比汽油机中燃气的温度和压强高,所以做功冲程里柴油机燃气做的功也比较多.下面着重介绍一下柴油机的优缺点.

柴油机的优点:

(1)柴油的密度比汽油大,相同容积的油箱可贮存较多质量的柴油;柴油比汽油容易储存和保管,不易发生火灾.特别是在舰艇上采用柴油机可减少作战中的火灾危险性.

(2)柴油机的压缩比较高,气体膨胀较充分,热量利用程度较好,燃油消耗率比汽油机少30%~40%左右.同时,柴油的价格比汽油便宜.因此,柴油机的使用较为经济.

(3)柴油机功率大,经济性能好,适用于卡车和大型客车.由于柴油较汽油廉价,而且柴油机动力强劲,越来越多的车辆使用柴油机,目前已经出现了柴油轿车.

(4)由于轿车、客车等汽油机车辆经常在市内行驶,因道路拥堵常处于停停开开状态,发动机也经常怠速运转,温度较低,即使在正常运转条件下汽油机的温度和压力都比柴油机低,因此在汽油机的工作条件下,发动机机油容易产生低温油泥,所以要求汽油机油具有良好的低温油泥分散性.

柴油机的缺点:

(1)柴油机燃烧时气体压力较高,为了保证受力零件的强度与刚度,机件比较笨重,同时,由于可燃混合气形成方法与汽油机不同,限制了转速的提高.因而,在功率相同的情况下,柴油机的尺寸和重力比汽油机大.

(2)由于柴油不易蒸发,柴油机低温起动性不如汽油机好.

(3)柴油机工作时,噪音较大.

(4)柴油机每千瓦的金属用量较多,重要零件还要采用较好的材料,制造成本较高.

目前,船舶、内燃机车、重型汽车、拖拉机等从经济性方面考虑,绝大多数采用柴油机,小汽车一般采用汽油机.装有汽油机的汽车具有转速高(轿车用汽油机转速可高达5000~6000转/分,货车用汽油机约4000转/分)、质量轻、工作时噪声小、起动容易、制造和维修费用低等特点,故在轿车和中、小型货车及军用越野车上得到广泛应用.柴油机的弱点是转速较汽油机低(一般最高转速在2500~3000转/分左右)、质量大、制造和维修费用高(因为喷油泵和喷油器加工精度要求高).但目前柴油机一批先进的技术,例如电控直喷、共轨、涡轮增压、中冷等技术得以在小型柴油发动机上应用,使原来柴油发动机存在的缺点得到了较好的解决,这些弱点正在逐渐得到克服,它的应用范围正在向中、轻型货车扩展.国外柴油轿车也有很快的发展,其最高转速可达5000转/分.今后柴油小轿车将是一个发展趋势.目前我国一汽大众已经开发出捷达、宝来等柴油轿车,并已在国内部分城市上市.