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第一章 历史概述最初蒸汽机昂贵而复杂，操作严格，往往大公司才能负担得起。所以，最早的内燃机（汽油动力的固定发动机，用来驱动各种机器）是为了满足无力负担蒸汽机的手艺业者或小商人的动力需求。1876年，Otto根据法国人Beau de Rochas的专利制作出四冲程发动机。英国工程师Dougald Clerk“去掉”四冲程发动机的换气冲程，做出了二冲程发动机。1886年，Karl Benz与Gottlieb Daimler同时（且独立）开发出轻且高速的发动机，从此现代汽油机开始蓬勃发展。之后，飞艇与飞机用的类似发动机也出现了。Rudolf Diesel的“理性热机rational heat engine”在1893-1897年间开始用于固定场合，数十年后柴油机才上路。内燃机的基础设计借鉴自蒸汽机曲轴传动控制了热动力学过程的次序；首先将蒸汽压力转化为摆动，再转化为旋转运动。19世纪末，蒸汽机水平的高度发展，为发动机提供了基础。汽车零部件铸造、锻造以及精加工水平的提高也是蒸汽机发展的结果。John Ramsbottom 在1854年发明的整体式自张紧活塞环的出现，使得内燃机燃烧室内高工作压力得以维持。活塞环，因此同发动机轴承及其润滑一样，是保证发动机工作的重要前提。发动机早期研发的难题之一是central engine functions。早期发动机最难的问题就是点火。火焰点火（Otto）和无控制glow tube点火（Maybach、Daimler）在发动机开发遇到的问题只有电子点火出现后才得以解决。这些点火方法包括，snapper ignition（Otto），vibrator ignition（Benz），带接触断开火花的Bosch磁力低压点火（magnetic low-voltage ignition with breaking-contact spark），最后还有高压磁力点火（Bosch）。其次，混合气形成的的质量与数量必须提高。Wick-surface和brush carburetors只能使汽油中的低沸点成分（最终沸点约100）得到利用。能够利用的燃油粒子不能同时蒸发，引起了另外的问题。在Wilhelm Maybach 的喷嘴式化油器（nozzle carburetor）中，燃油被雾化，不再“蒸发”，更大程度上有效利用汽油（最终沸点约在200）。可用燃料的范围也大大拓宽了。尤其是，任何量的混合物都可以形成（进一步提升性能与功率的前提）。Krebs、Claudel(Zenith)还有Mensson和Goudard（Solex）的带自动辅助空气控制的化油器（carburetor with automatic auxiliary air control）提升了发动机的工作性能，并降低了油耗。随着功率提升，更多的热量分配到冷却液。然而，简单的蒸发冷却被证明是功率限制因素。当时冷却系统的散热能力太低。为了有效工作，车上需要贮备（并输送）大量的水。在自然水循环的条件下，关键部件得不到足够与可靠的冷却，这会引起其他问题。Wilhelm Maybach的蜂窝冷却器（honeycomb cooler）强化对空气的热传导，提供了完全可行的解决方案。一旦这些基本问题解决，并应用到车用发动机上后，汽车工业急速发展。发动机的进步促进了车辆的进步。越来越多的公司同时生产汽车和发动机。为了提高功率和运转平顺性，气缸数增加了，从单缸到双缸，然后四缸，比如Mercedes的Simplex 发动机。将燃烧室分成若干缸，使更高转速，更好利用燃烧室，更高比功specific work（平均有效压力）等等，成为可能。汽车和发动机工业也在其他国家起步了（法国、意大利、英格兰，后来是美国）。发动机最初是德国设计，不久生产商开始创造各自的设计。飞机的发展促进了发动机技术的进步，车用发动机从中获益良多。飞机发动机经验得到共享，所以车用发动机避免了前者开发过程中的许多错误。不管如何，各种动力系统（包括技术成熟的蒸汽机）之间存在着竞争。蒸汽机适宜于做道路交通动力，因为蒸汽机可以自行启动，其弹性工作区性负荷车辆牵引力需求，并且运转平顺。电动系统有更大的优势，但是很快它的缺陷也显现出来。随着发动机功率提高，转速和重量也提高了。接下来的问题是，使发动机的各种功能，如混合气形成，点火正时，润滑和冷却满足道路运行需要。复杂的技术系统必须易于操纵，即便是对于那些未曾训练的人员（即，车主）。燃油耗和机油耗要降低，后者不仅是出于成本原因，还因为燃烧的机油排放后是公害。这些需求、不足、经验还有新发现衍生出相似部件但不同的发动机设计。W型，辐射型（radial-type），单轴往复活塞型和转子发动机（rotary piston engine）都用到了车辆上。标准设计是四缸、六缸和八缸直列发动机，八缸、十二缸甚至十六缸的V型发动机也出现了。当时“典型”的发动机是单缸或双缸，下面固定曲轴箱。气缸体与气缸盖铸成一体，在曲轴箱下部的凸轮轴驱动直立的气门。曲轴位于轴承支架上，但每隔两甚至三个曲拐才有轴承支撑。尽管自动进气气门（automatic intake valve）已被驱动气门（driven valve）取代，但气门正时仍遇到若干问题气门烧坏，气门弹簧断裂，还有噪声变大。因此，工作平顺的Knight slide valve 齿轮在当时显得出类拔萃。Knight sleeve engine在当时的英格兰、美国和德国生产。但是，设计和运行更简单的气门正时系统才是最终的首选。美国在一战之前，就完成了从富人休闲用具到大众日常用品的转变。1909年，Henry Ford开始量产T型车（Tin Lizzie轻快小汽车）。到1927年，这种车生产了1500万辆。在欧洲，一战期间汽车开始普及（主要是商用车）。大批量的生产使得零件的统一和标准化成为必要。极端情况下的使用也暴露了设计缺陷。使用、维护和修理如此多的车辆需要经过培训的且称职的操作人员。20世纪20年代早期，战争推进了飞机发动机的开发，这也给车用发动机进步以巨大推力，这在两者的设计和个别零部件的细节上都得到应用。L型侧置直立气门，T型气缸盖，带悬浮气门（suspended valves）和紧凑燃烧室的发动机制造出来，用来获得更高的压缩比这是更高功率且更低油耗的前提。1921年，德国皇家运输部（Germany Imperial Ministry of Transport）组织了活塞竞赛，德国发动机界迅速发现，与铸铁活塞相比，质量轻的铝合金活塞更有优势。结果，从20世纪20年代，发动机改用轻质铝合金活塞。尽管挫折无数，这仍使得发动机功率和效率显著提高。受控的活塞（controlled piston）使得敲缸现象减少，并最终消除。20世纪20年代早期，飞机发动机的连杆轴承曾是大难题，他们已达到负荷能力的极限。Norman Gilimann在Allison（美国）开发出铅青铜轴承（steel lead bronze bearing）提供了补救措施。这种轴承最先用在商用柴油机上，而后是高性能轿车发动机。以后，美国Clevite开发出三元轴承（three-material bearing），包括钢背（steel supporting Shell），铅青铜中间层（lead bronze intermediate layer）和巴氏合金工作层（babbit metal running layer）。对发动机转速和可靠性的需求日益提高，这就需要更好的发动机润滑。这源自油绳油壶润滑（wick and pot lubrication）（润滑油在贮存罐）和手油泵润滑。消费者可以买到润滑油，通过发动机部件没入润滑油或者特殊的铲油机构来润滑各种部件。这后来又发展成强制循环润滑（forced circulation lubrication），这在飞机发动机中是常用的。二冲程发动机利用混合润滑油，例如，把机油加到燃油中。热虹吸管冷却法（thermal siphon cooling）不能给受高热负荷的零件足够的冷却。因此，强制循环冷却法（forced circulation cooling）被引入了。在一战时，活塞敲缸就成为汽油机功率限制的因素。1921年，美国的Thomas Midgley，Jr和T.A Boyd发现了（scooptetraethyl leadTEL）的抗暴剂作用。TEL加到汽油里，减少敲缸，允许更高的压缩比，因而效率更高。20世纪20年代，大量小轿车的生产需要质量轻、简单并且便宜的发动机。显然，功率密度高的二冲程发动机是选择之一。有两大理由（mutually exclusive arguments互斥的参数）支持这种方案功率密度高和设计简单。无气门曲轴箱扫气（crankcase scavenging）的两冲程适合摩托车和小型轿车。同横流扫气（cross-flow scavenging）相比，Schnrle的逆向或环流扫气（reverse or loop scavenging）是重要的进步，因为气缸换气更好。这还使得平顶活塞能取代尖顶活塞（热负荷高）。咆哮的20年代（“Roaring Twenties”）预示着装配八缸直列发动机和十六缸V型发动机的Mercedes，Horch，Sthr和Maybach的“伟大”纪元到来了。在英格兰，有劳斯莱斯（Rolls Royce），宾利（Bentley）和Armstrong-Siddeley，在法国有Delage（1954年正式停产）、布加迪（Bugatti），在美国有皮尔-箭（Pierce Arrow）、Auburn（1937年Auburn公司正式破产）, Duesenberg（1926年并入Auburn公司，后随Auburn公司停产）, Cord（1937年停产）, 凯迪拉克（Cadillac）和帕卡德（Packard,1958年停产）。受飞机发动机业发展的影响，发动机制造商开始做增压发动机。他们以罗茨压气机（Roots blower）为增压器，根据动力需求，可以打开或关闭压气机。飞机发动机所采用的风冷方式也显示了巨大优势，但较之飞机，车辆速度低，运行条件差，风冷被证明在车用发动机更难实现。风冷的先行者是美国的Franklin Mfg公司。这家公司在一战前就生产了一台六缸直列风冷发动机。通用汽车（General Motors）也曾在雪佛兰(Chevrolet)轿车上尝试风冷发动机（雪佛兰铜发动机Chevrolet copper engine），冷却翅片用铜制造，以提高散热能力。然而，由于技术问题，这种发动机没能量产。在欧洲，20世纪二三十年代，风冷发动机也有研制，如Krupp和Phanomen的商用车发动机；Tatra和Ferdinand Porsche（费迪南德波尔舍）为新大众（new Volkswagen）生产的轿车发动机。大众的风冷水平对置发动机（boxer）成为可靠与健壮的代名词（先是装备在吉普车和水陆两用车，后来装备甲壳虫车beetle）。20世纪二十年代，与汽车和发动机业相伴而生的高效率零部件产业也发展起来了。零部件产业不仅整合各方面的知识与经验从事研发，而且使生产更加经济高效。零部件业为众多（或者说甚至是所有）的发动机生产商供货，因此能够提供经过验证的，差不多标准化并且不算昂贵的零部件，比如活塞、轴承、散热器、化油器、电子设备和柴油机喷油系统。机动车辆的发展提升和促进了长途公路的建设与延伸。更好的道路可担负更高的车速与轮载荷。交通量缓慢但是坚定的上升。发动机的操作变简单了，尤其是通用的Charles F Kettering引入电起动机之后。起动发动机不但简单了，而且更加安全。点火正时（提前-延迟advance-retard）和混合物成分（稀-浓lean-rich）实现了自动控制，不再依靠司机来调整。20世纪三十年代，冬季驾驶轿车的多了起来。在此之前，很多轿车不能在冬季使用。依据环境温度的不同，车辆全年运转需要不同的的润滑油（如，夏季油summer oil-冬季油winter oil）。控制冷却液温度需要考虑环境温度，首先是用皮革毯子遮盖散热器，后来是采用可调散热器百叶（adjustable radiator shutter），最后采用节温器控制冷却液温度。20世纪三十年代，车辆发动机的替代方案也出现了。在欧洲，为了减少燃料成本，提高功率输出，人们（Foden、Sentinel、Leyland和Henschel）在商用车上用蒸汽机替代柴油机，当时蒸汽机的功率可以比柴油机高。甚至cost-effective independent operation思想也在发动机的研发中起到一定的影响。在美国，蒸汽机驱动的Doble汽车因其工作噪声小而声名鹊起。尽管蒸汽机的牵引力曲线适合汽车工况，但最终还是在于内燃机的较量中败下阵来。使用瓦斯的商用车也出现了，瓦斯要么是储备在储气罐中，要么来自于发生炉（generator）。在二战及二战后的一段时间里，汽车发动机不得不转用发生炉瓦斯（generator gas），因为燃油短缺。压缩空气燃油喷射（air injection）成为柴油机在车辆上应用的障碍。20世纪二十年代早期，人们在从方面对无空气喷射（compressor-less /airless injection）做了大量工作。基于在一战期间及其前期的工作，德国的MAN、Benz（后来的Mercedes Benz）和Junkers开发出无空气喷射车用柴油机。在Acro专利的基础上，Robert Bosch开发出车用柴油机完全燃油喷射系统。燃油喷射泵有螺旋和溢流控制功能。但是，因为车用柴油机速度范围宽，直喷技术未能完全匹配，非直喷（预燃室、涡流室、air accumulator）仍是首选。柴油机的效率首先在重型商用车上得到证明，然后逐渐推广到轻型商用车，最终应用到轿车（Mercedes-Benz、Hanomag、Oberhansli、Colt、康明斯等）。最早的柴油轿车之一是配备康明斯柴油机的Packard。为了展示柴油机在轿车上的合适性，特殊改装的车辆开始了竞赛。1930年，在佛罗里达Daytona 海滩赛道（beach racetrack）上，装配康明斯柴油机的Packard Roadster达到82迈/小时（132km/h)的速度;在德国装配柴油机的Hanomag流线型车达到97迈/小时（155.6km/h）;1978年，Mercedes-Benz的C111车创造了197迈/小时（316.5km/h）的记录。尽管柴油机有优势，还是有大量的汽油机做商用车动力。在美国和德国，Maybach-Zeppelin12缸汽油机装配公交车、消防车和半履带式车辆。Opel Blitz商用车（装配Opel Admiral直列六缸发动机）成为德国纳粹国防军的标准车辆。小型运输车（Tempo、Goliath和Standard）也由汽油机驱动。逐渐的，柴油机打入轿车领域。当时，最常见的柴油轿车是出租车。二战期间，世界范围内汽车发动机的发展停滞不前，因为其他的事情要优先考虑。战后，战前的发动机又开始生产。在美国，车主们能够负担得起大发动机，所以直列六缸和V8发动机很常见。欧洲则生产了许多紧凑型或次紧凑车型，配备的是风冷或水冷的二冲程或四冲程发动机。德国的生产商有Gutbrod、Lloyd、Goliath和DWK。法国也有一些生产商，如Dyna-Panhard，雷诺（Renault）4CV和雪铁龙（Citroen）2CV。英国有Austin和Morris，意大利有Fiat。为了避免二冲程汽油机因扫气损失造成的高油耗，Gutbord和Goliath发动机采用了机械燃油喷射系统。在德国“经济繁荣”期，小轿车的需求下降，阻碍了二冲程发动机进军轿车领域（在德意志民主共和国，Wartburg和Trabant轿车一直装配二冲程发动机到20世纪80年代末，这是例外）。在20世纪50年代，许多四冲程轿车发动机仍然采用侧置气门（side valve），曲轴每两拐一个轴承。此后，更加现代化的发动机设计出现了曲轴箱下边缘位于曲轴中心以下，曲轴每拐都有轴承支撑，采用顶置式气门（overhead valve，OHV）的紧凑燃烧室，在更高速发动机上采用圆柱挺柱和顶置凸轮轴（overhead camshaft，OHC），以及提高的活塞排量。Mercedes-Benz在各种比赛又大获成功；Silver Arrow发动机采用了汽油喷射系统和主动关闭气门(positive-closing valve)技术，此技术来自飞机发动机。西方经济的繁荣，使得更多的人能够负担得起轿车。因而，车辆产量提高了。到处都有汽车发展的机会。在日本，一个新的生产商出现在世界市场上，并以其高质量标准、低加工深度、生产分解，装配和研发工艺提升及及时输送为汽车生产带来革命。全球化的竞争需要更严苛的成本控制；发动机以更大的批量生产，成本效率（cost-effective）理念深入人心。这些发动机在售后只需要简单的维护与修理。在20世纪70年代，电子数据处理（electric data processing，EDP）开始应用于研发。人们借助电脑辅助设计（computer-aided design，CAD）模拟发动机过程，使用的技术称之为有限元方法（finite elements method，FEM）。有限元方法带来了理性、快速并且更精准的研发。往复活塞式发动机又一次受到挑战。在20世纪40年代末，英国Rover公司开发出燃气轮机汽车。高功率密度，紧凑设计，较少零部件数量，无自由质量影响（no free mass effects，因此运转平顺），良好的排放控制（多亏了无烟废气），良好的冷启动性能，以上就是燃气轮机的主要优点。然而，人们发现燃气轮机不适合于低功率情况和车用发动机的工作条件。间隙损耗（gap loss）太高了，导致效率很低。20世纪60年代，NSU开发的Felix Wankel旋转活塞式发动机似乎要取代往复活塞式发动机。与往复活塞式发动机相比，转子发动机的优势在于动力学、功率密度和紧凑设计。然而，其不足掩盖了优势有限的压缩比，不利的燃烧室，高定压比的燃烧，做功阶段后燃，还有密封问题导致高油耗、差排放。只有马自达（Mazda）成功的在运动轿车上装配了转子发动机。由于20世纪70年代的能源危机以及公众环境问题的觉醒，低排放的经济型发动机的呼声出现了。源于机械喷射，带电控燃油计量的低压喷射系统被设计出来（Bosch做了大量工作）。尽管化油器技术有了长足发展（双化油器twin carburetor，两级化油器two-stage carburetor，定压化油器constant-pressure carburetor），燃油喷射还是迅速成为热门方案。电子学越来越多的介入到发动机控制中。带脉谱储存的普通微处理器控制的电子系统控制了点火与混合物形成。由于发动机自身手段已无法满足法规减排的限值，三效催化器开始使用，它要求精确控制的过量空气系数（）。使用传感器连续测量排气中的氧含量有助于减少污染物排放。另一个进步是可控的废气再循环（exhaust gas recirculation，EGR）。20世纪60年代，废气涡轮曾作为提高功率密度、降低油耗的措施，开始在商用车发动机上应用。随着技术进步，废气涡轮增压器小型化，小到可以安装在轿车汽油机上。由于废气涡轮增压器与往复活塞式发动机工作形式的不同，为了使两者良好的联合工作，增压器供气量与发动机空气需求必须平衡。部分废气涡轮旁通（废气旁通阀控制，waste gate control），和柴油机可变截面涡轮（variable turbine geometry ）是最初的技术进展。更进一步的成就是增压空气中冷。只要增压器在汽车上的响应问题未解决，机械增压就有优势。大众公司开发出了螺旋涡轮增压器（spiral turbocharger，G增压器），奔驰则在其运动轿车上采用了罗茨增压器。增压器上一个杰出的构想是BBC的气波增压器（pressure wave supercharger，comprex charger），废气能量直接转化到进气中去，不需要废气涡轮与压气机。尽管做了很多努力，气波增压器还是没能应用到汽车工业，其中一个原因是成本太高，另一个原因是汽油机正常工作时排气温度太高。汽车用柴油机系列化生产早在20世纪30年代就成熟了。在20世纪50年代，柴油机在出租车司机和长途司机（他们更关注柴油机低油耗和长工作寿命，而非运动驾乘性能）中有了数目有限但是忠诚度高的用户群体。除了梅赛德斯奔驰和Borgward以外，标致（Peugeot）和菲亚特是当时仅有的柴油机生产商。20世纪70年代，大众引入