汽车发动机的发展历程

1、汽车发动机的发展历程【摘 要】发动机是汽车的“心脏”。汽车的发展与发动机的进步有着直接的联系发动机是汽车的动力源。汽车发动机大多是热能动力装置，简称热力机。热力机是借助工质的状态变化将燃料燃烧产生的热能转变为机械能发动机用煤气和空气的混合气体取代往复式蒸汽机的蒸汽，使用电池和感应线圈产生电火花，用电火花将混合气点燃爆发。这种发动机有气缸、活塞、连杆、飞轮等。【关键词】发动机；外燃机； 内燃机； 历史；趋势； 汽油发动机；柴油发动机第一章：汽车发动机的历史及其发展1.1汽油发动机的历史及其发展18世纪中叶，瓦特发明了蒸气机，此后人们开始设想把蒸汽机装到车子上载人。法国的居纽（N.J.Cugnot

2、）是第一个将蒸汽机装到车子上的人。1770年，居纽制作了一辆三轮蒸汽机车。这辆车全长7.23米，时速为3.5公里,是世界上第一辆蒸汽机车。1858年，定居在法国巴黎的里诺发明了煤气发动机，并于1860年申请了专利。发动机用煤气和空气的混合气体取代往复式蒸汽机的蒸汽，使用电池和感应线圈产生电火花，用电火花将混合气点燃爆发。这种发动机有气缸、活塞、连杆、飞轮等。煤气机是内燃机的初级产品，因为煤气发动机的压缩比为零.1867年，德国人奥托（Nicolaus August Otto）受里诺研制煤气发动机的启发，对煤气发动机进行了大量的研究，制作了一台卧式气压煤气发动机，后经过改进，于1878年在法国举

3、办的国际展览会上展出了他制作的样品。由于该发动机工作效率高，引起了参观者极大的兴趣。在长期的研究过程中，奥托提出了内燃机的四冲程理论，为内燃机的发明奠定了理论基础。德国人奥姆勒和卡尔本茨根据奥托发动机的原理，各自研制出具有现代意义的汽油发动机，为汽车的发展铺平了道路。1892年，德国工程师狄塞尔根据定压热功循环原理，研制出压燃式柴油机，并取得了制造这种发动机的专利权。1957年，德国人汪克尔发明了转子活塞发动机，这是汽油发动机发展的一个重要分支。转子发动机的特点是利用内转子圆外旋轮线和外转子圆内旋轮线相结合的机构，无曲轴连杆和配气机构，可将三角活塞运动直接转换为旋转运动。它的零件数比往复活塞式

4、汽油少40%，质量轻、体积小、转速高、功率大。1958年汪克尔将外转子改为固定转子为行星运动，制成功率为22.79千瓦、转速为5500转/分的新型旋转活塞发动机。该机具有重要的开发价值，因而引起各国的重视。日本东洋公司（马自达公司）买下了转子发动机的样机，并把转子发动机装在汽车上，可以说，转子发动机生在德国，长在日本。1.2柴油发动机的历史及其发展如果用最简单方式看待历史，那么组成历史的仅仅包括年代、人名、故事三个要素。虽然时间跨度冲淡他的年代和故事，但他应该感到欣慰，因为至少他的名字得以流传。鲁道夫狄赛尔(Rudofl Diesel)一个永远不会被忘却的名字。在科学史上，人们总是会对那种无心

5、插柳却一举成功的故事津津乐道，比如伦琴射线、青霉素、宇宙微波背景辐射等等。当然能有上述的成就固然可敬，但还有一种同样可敬的人：他们在有生之年不断探索，但成就却不被世人承认，直到多年之后他们的成就才发扬光大。柴油机的发明者鲁道夫?狄赛尔就是这样的狄赛尔1858年出生在法国巴黎，他的父亲是德国奥古斯堡的精制皮革制造商。成年之后，狄赛尔进入了德国的慕尼黑技术大学攻读。就在他读大学期间的1876年，德国人奥托研制成功了第一台4冲程煤气发动机，这是法国技师罗夏内燃机理论第一次得到实际运用。这一成就鼓舞了当时从事机械动力研究的许多工程师，这其中既包括后来汽车的发明者卡尔奔驰和戈特利普戴姆勒，也包括对机与致

6、力于改造奥托发动机的奔驰和戴姆勒不同，狄赛尔的想法更为超前，他想完全舍去发动机中的点火系统，靠压缩空气发热，喷入燃料后自燃做功，这种方式完全区别于吸入燃气混合气点燃做功的方式，后人称狄赛尔的原理为“压缩式内燃机”原理。当然狄赛尔产生这样的设想也并不是空穴来风，因为当时并没有发明分电器和高压点火线圈，点火装置非常简陋和不稳定，狄赛尔想跳过这个技术障碍完全是可以理解的。不久，他在法国人约瑟夫莫勒特(Joseph Mollet)狄赛尔没有料到，他的想法实现起来远远比发明点火系统复杂的多，他所遇到的第一个就是燃料问题。常用的汽油非常活跃，也非常容易点燃，但汽油却不能适应有很高的压缩比的压燃式发动机，一

7、旦把汽油雾化喷入含有高温、高压空气的燃烧室，就会发生猛烈的敲缸甚至爆炸。舍去汽油是必然的，狄赛尔创造性把他的目标指向了植物油。经过一系列试验，对于植物油的尝试也失败了，但他是第一个把植物油料引入内燃机的人，因而近现代鼓吹“绿色燃料”者都把狄赛尔最终燃料选择锁定在了石油裂解产物中一直未被重视的柴油上。柴油相对于汽油来说性质非常稳定，比较难于点燃，同时柴油一旦点燃会冒出大量的黑烟，因而它又不能像煤油那样用作照明。但柴油稳定的特性却恰恰适合于压燃式内燃机，在压缩比非常高的情况下柴油也不会出现爆震，这正是狄赛尔所需要的。经过近20年的潜心研究，狄赛尔终于在1892年试制成了第一台压燃式内燃机，这台柴油

8、机用汽缸吸入纯空气，再用活塞强力压缩，使空气体积缩小到15倍左右，温度上升到500700度，然后用压缩空气把雾状柴油喷入汽缸，与缸中高温纯空气混合，由于汽缸这是已经有了较高的温度，因而柴油喷入后自行燃柴油机的最大特点是省油，热效率高，但狄赛尔最初试制的柴油机却很不稳定，1894年，狄赛尔改进了柴油机并使其能运行1分钟左右，尽管他的柴油机还并不稳定，但狄赛尔却迫不及待的把它投入了商业生产，因为他的竞争对手早在1886年就把汽油机安装车辆上，而8年之后，汽油机汽车已经投入了商业运作。这位只了解技术并不了解商业运作的发明家犯下了一生中最大的一次错误，他急于推向市场的20台柴油机由于技术不过关，纷纷遭

9、到了退货，这不但给了他巨大的经济负担，更重要是影响了柴油机在公众的印象，在随后的几年里几乎没有厂家或个人乐意装配柴油机。没有了资金来源又负债累累，这就使得狄赛尔的晚年陷入了极端贫困。1913年10月29日，55岁的狄赛尔独自一人呆站在横渡英吉利海峡的轮船甲板上，被巨浪卷入了大海(多数历史学家认为狄赛尔是跳海自尽的)。为了纪念狄赛尔，人们把柴油发动机命名为Diesel。 狄赛尔做梦都想看到自己的发明能大规模装载在汽车上，但他致死都没有看到这一天。客观的讲，狄赛尔的柴油机确实存在着不少缺陷，其中最大的问题就是重量。由于柴油机汽缸压力比汽油机高很多，因而柴油机的缸体要比汽油机粗壮许多，同时早期的柴油

10、机为压缩空气使用的空气压缩机质量也非常巨大，这就使得柴油机整体上十分笨重，极不适应当时骨架还很娇小的汽车。但柴油机拥有汽油机不可比拟的扭矩优势，在功率相同时柴油机又拥有很大燃油经济性优势，1924年，美国的康明斯公司正式采用了泵喷油器，这一发明有效地降低了柴油机的质量，同年在柏林汽车展览上MAN公司展示了一台装备柴油机的卡车，这是第一台装有柴油机的汽车。不久以后，博世公司开始正式生产标准泵喷油器，正是由于柱塞泵的普及，为柴油机安装在汽车上提供了基础。1936年，奔驰公司生产出了第一台柴油机轿车260D，这时距狄赛尔去世已经23年。尽管30年代已经有轿车安装了柴油机，但真正为柴油机提供发挥舞台的

11、还是重型机械和装甲车辆。二战中，美国的舒尔曼坦克和德国虎式坦克都使用汽油机，虎式坦克以其强大的火力和厚重的装甲占得了上风，美军只能拿数量来扯平。但在苏联战场，苏军的T-34坦克的火力和装甲虽也不及虎式坦克，但T-34使用柴油发动机，他在中弹后不易起火，这样就大大提高了战场生存能力。战后，各国汲取了战争中的教训，都自己的坦克换装成了柴油发动机。20世纪50年代以后，两大阵营在坦克功率方面进行了不断的军备竞赛，这无形中大大加速了柴油机技术的发展。人们知道喷油压力直接影响着柴油机的功率和扭矩，因而世界各大柴油机制造公司都在拼命提高柴油机的喷油压力，在这个时期，康明斯公司研制成功完全不同于柱塞泵的PT

12、喷油系统，从而大规模的如果说柴油机在重型机械上得到应用是狄赛尔的无心插柳，那么电控技术使如果想把柴油机引入轿车领域，那么必须解决柴油的排放和振动问题。实际上，柴油机排气中CO和HC比汽油机少得多，NOx排放量与汽油机相近，只是排气微粒较多，这与柴油机燃烧机理有关。柴油机是一种非均质燃烧，混合气形成时间很短，而且混合气形成与燃烧过程交错在一起。经过研究发现：柴油机喷油规律，喷入燃料的雾化质量，气缸内气体的流动以及燃烧室形状等均直接影除了靠提高喷油压力和柴油雾化效果来改善排放，使用预喷射也是行之有效的方法。预喷射就是在主喷射之前的某一时刻精确的喷入约为1-2毫升的预喷油量，从而使燃烧室被加热，缩短

13、了随后进行的主喷射的着火延迟期。于是温度与压力上升减缓，降低了燃烧噪声水平和NOx。70年代以后，博世公司把电控汽油机喷射技术引用回柴油机，从而让柴油机的发展和使用进入了一个新纪元。最先出现的电控喷油泵技术，而后又发展出了电控泵喷嘴技术和高压共轨喷射技术，后两种技术是现在最主要的柴油机电控喷射技术。其中，电控泵喷嘴技术的喷油压力非常高，可以达到2050bar，并且泵和喷嘴装在一起，所以只需要很短的高压油引导部分，泵喷嘴系统也可以实现很小的预喷量，其喷油特性是三角形的，并采用了分段式预喷射，这是很符合发动机的要求(大众公司的TDI发动机就是使用这种技术)。但电控泵喷嘴技术的喷油压力受发动机转速影

14、响，使用蓄压系统的高压共轨技术可以解决这个问题，但它的喷油压力低于泵喷嘴系统，能达到1600bar，有些公司看中了它对任意缸数的发动机喷油压力调节很宽泛的特点，对其大加采用(最早使用高压共轨的轿车是阿尔法罗密欧C级别车)。第二章：汽车发动机的的未来发展趋势2.1汽油发动机的未来发展趋势大众FSI发动机利用一个高压泵，使汽油通过一个分流轨道（共轨）到达电磁控制的高压喷射气门。它的特点是在进气道中已经产生可变涡流，使进气流形成最佳的涡流形态进入燃烧室内，以分层填充的方式推动，使混合气体集中在位于燃烧室中央的火花塞周围。如果稀燃技术的混合比达到25：1以上，按照常规是无法点燃的，因此必须采用由浓至稀

15、的分层燃烧方式。通过缸内空气的运动在火花塞周围形成易于点火的浓混合气，混合比达到12：1左右，外层逐渐稀薄。浓混合气点燃后，燃烧迅速波及外层。 FSI特点是：能够降低泵吸损失，在低负荷时确保低油耗，但需要增加特殊催化转换器以有效净化处理排放气体。下面分别详细阐述： FSI发动机按照发动机负荷工况，基本上可以自动选择2种运行模式。在低负荷时为分层稀薄燃烧，在高负荷时则为均质理论空燃比（14.6- 14.7）燃烧。在这两种运行模式中，燃料的喷射时间有所不同，真空作动的开关阀进行开启/关闭。在高负荷中所进行的均质理论空燃比燃烧中，燃油则是在进气冲程中喷射。理论空燃比的均质混合气易于燃烧，不必借助涡流

16、作用，因此，由于进气阻力减少，开关阀打开。而在全负荷以外，进行废气再循环，限制泵吸损失，由于直喷化而使压缩比提高到12.1，即使在均质理论空燃烧比混合气燃烧中，仍能降低燃油耗。进一步说，在FSI发动机中，在低负荷与高负荷之间，作为第三运行模式而设定均质稀薄燃烧，在这种运行模式中，燃油在进气冲程喷射，并且由于产生加速稀薄混合气燃烧的纵涡流，开关阀被关闭。这时，阻碍燃烧的废气再循环（EGR）暂不进行。与均质理论空燃比燃烧不同的是，吸入空气量超过燃油的喷射量。 如上所述，根据FSI发动机运转状态，在分层稀薄燃烧到均质理论空燃比燃烧过程中，空燃比连续变化。因此，三效催化转化器不能够净化排放气体中的NO

17、x。这是因为三效催化转化器要利用排气中的HC或CO进行NOx还原反应的缘故。在稀薄燃烧中，在排放气体中残留很多氧气，不能进行NOx还原反应。为了使NOx吸储型催化剂获得高效功能，其温度必须保持在250-500范围内。当超过这一温度范围发动机会自动转换到均质理论空燃比燃烧，并通过三效催化转化器进行废气处理。然而这又与燃油经济性下降相关，为此，必须增加废气冷却装置。利用这种冷却装置，排放气体通过NOx吸储型催化转化而被冷却，由于稀薄燃烧的范围宽，催化转化器的寿命也延长。然而，NOx吸储型催化转化器会受到硫侵蚀而中毒，所以必须把汽油中的含硫量尽量降低到最少。但是，如前所述，含硫低的汽油不是到处能供应

18、的。大众汽车公司采取的措施是，把催化剂反应温度提高到650以上，从而把附着在催化剂上的硫通过燃烧而加以消除。 在高速行驶时，能够保持这样高的催化剂温度，但是，在城市内行驶时则催化剂温度下降，就不能烧除附着在催化剂的硫。为此，通过NOx传感器监视硫附着在催化剂上的程度，根据监测情况提高排放气体的温度。作为其措施，一般采用点火正时延迟，尽管这样做会引起燃油经济性恶化，但是为了净化处理 NOx，这是不得已而为之。2.2柴油发动机的发展趋势柴油发动机以柴油为燃料。由于柴油的蒸发性和流动性都要比汽车差，因此柴油机不可能像汽油发动机那样在气缸外形成可燃混合气，柴油机的混合气只能在气缸内部形成，即在接近压缩

19、行程终点时，通过喷油器将柴油喷入气缸内，柴油油滴在炙热的空气中受热、蒸发、扩散，并与空气混合形成可燃混合动力，最终自行发火燃烧。由于采用压燃的点火方式，柴油发动机在热效率方面要高于汽油机，而且由于柴油本身的密度较大，等速行驶工况的燃油消耗量要小得多（等速工况行驶燃油消耗量测试是汽车实验学的中汽车燃油经济性的一个重要实验，其计算公式中密度处于分母位置）。传统的柴油机通过喷油泵，喷油器和调速器等对柴油发动机进行燃料的供给，由于柴油机混合气形成时间极短，只占15-35的曲轴转角，燃烧室各处的混合气成分很不均匀，且随时间变化，所以就需要柴油发动机的燃油供给系统拥有良好的匹配。而传统的柴油机完全通过机械

20、间的作用来完成这一匹配，就导致了大家印象中的冒黑烟，大噪声的出现，而且柴油发动机燃油经济性的优势也被埋没。随着科技的进步，特别是当共轨技术成功运用于柴油发动机上后，柴油发动机燃油经济性的优势立马体现出来，而冒黑烟之类的弊病也不再存在。越来越多的车辆都开始使用柴油动力，在欧洲，几乎一半的车辆都已经开始使用柴油动力。而在国内，随着大众TDI，双龙XDi等一大批先进柴油发动机的进入，也让国内的消费者们切切实实的体验到了先进柴油动力带来的驾驶感受。经过多年的发展完善，柴油机电控喷射系统已由第一代的位移控制到第二代的时间控制一直发展到了现在的压力时间控制，也就是大家所熟知的共轨喷射技术。作为第三代的柴油

21、机电控喷射技术，共轨喷油系统摈弃了传统使用的直列泵系统，而代之以用一供油泵建立一定油压后送到各缸公用的高压油管（也就是我们所说的共轨），再由共轨将柴油送入各缸的喷油器。这样一来，共轨柴油喷射系统的喷油压力就与喷油量无关，也不受发动机负荷和转速的影响，能根据要求任意改变压力水平，使氮氧化物和颗粒物排放都大为降低。2.3新型发动机的崛起首先回顾一下中国新能源汽车的发展道路。中国新能源汽车基本上从八五时期，90年代初期，我们国家有了国家的投入开始正式在做，当年就是国家纪委立项，拿到850万块钱，当时委托清华在做，当时在做纯电动汽车的技术；在九五期间，国家投入的主体从当时的纪委变成了科技部，当时还是科

22、委，大体上有两千万左右的投入去做示范运行，当时实际上在当时技术不是很成熟的情况下，就已经去做示范运行；当然我们国家新能源汽车比较大规模的启动还是从十五初期，现在我们科技部长万钢先生，当时还是同济大学的校长，他倡导的做新能源汽车，当时把新能源汽车从几个技术分成三纵三横，三纵就是作为纯电动汽车、混合动力汽车，燃料电池汽车；三横：电池、电机、整车控制技术，这样来进行了发展。并且提高到国家能源安全这样一个比较重要的角度来做这个事情，当然在十一五，当然十五就已经把这个投入，我们国家投资发展到十亿以上，十一五试图把十五成果更加实用化，大型的投资提高了20亿左右。从后两个五年计划比较大的投入，产生的结果来看

23、。因为在当时提的是，我们和国外站在同一起跑线上，但是经过十年左右的发展，我们已经全面地落后，就是从整体技术上来讲，方方面面都与国外有了更大的差距，无论是在电池还是在做电机以及整车技术上，这个当然是现实，不是谁说，我跟人家同步或者什么，这个基本上是趋势，我们国家推出“十城千辆”，政府有了补贴，这样拿单子的基本上是国外的，你的电机、电池、整车控制器，自己的产品基本上拿不出来，基本上还是用国外的这些方案。实际上我们需要反思，这十年来，这新能源发展的路，走得对还是不对，从大的方向上来讲，你是不是找到了这个新能源汽车的关键？这个需要我们进行反思的。第二，谈一谈我们国家在新能源汽车方面技术的进展，当然从三

24、纵三横来谈一谈，首先电机，当然电机确实技术上还是有了非常大的进步，但是总体体现是投入不足，到现在为止，还没有形成一个能够提供在汽车上可以用的电机产品，现在还是一个样机的阶段，一个做个十台八台，没有上百台的电机的出现，因此电机主要的差距一个是效益方面，我们电机效率基本上无论是充电还是发电效率跟国外差十个百分点左右。另外，就是它的寿命和可靠性，这些还有比较大的差距，第二个横向的技术就是电池了，电池也是一样的，到目前为止，说的厂家一些资金投入有一些了，现状还是拿不出，这个能够产业化的产品出来，因为很多企业从宣传来讲，它都说他的电池研发怎么样，但是实际上还是拿不出实际的东西来，这个电池差距主要体现几个

25、方面，充、放电的效力，你的充电效率和放电效率跟人家有很大的差距，第二就是一致性，你充多少，有的好，有的没有，这个一致性还是有很大的差异，其他综述 图片的由于一致性导致的差异的可靠性或者性能优一定的差距的。整车控制器来讲，我们国家跟国外差距小一些，整车的控制器差距小一些，基本上由于电池、电机的制约，当然使得整车集成方面存在着非常大的障碍，这个还是现状，另外一个在动力和自动变速这两个方面，我们国家变速这一块跟国外有很大的差距，新能源汽车，如果还是手动挡，这个是不可行的，现在我们有一些混合动力汽车是手动挡，混合动力汽车有混合驱动模式，还有发动机驱动模式，还有两个一起驱动模式，一个人靠手动挡怎么适应这

26、样一个，你的驱动模式是自动变化的，而你的换挡还要手动，这个根本就是不可能实现的，所以必须要有自动变速的重力耦合器，才能实现这样一个技术。 next另外三纵，混合动力汽车，从现在来讲，实际上我们过去都开发了一些混合动力汽车，并且很多混合动力汽车得到了国家的奖励，但是实际上拿出来用得时候，基本还都是不可用的，基本上是一些验收工程的东西，这样相对来说比较多，这样纯电动汽车，由于技术门槛比较低，纯电动汽车在这些里面技术门槛比较低的车，这些有一些应用，但是由于他成本问题，一次购车的成本以及它的应用的成本，是一个区域内应用的设备，主要是局限在区域用的车，不可能是一个大范围的用车。当然燃料电池的车子，我们国家从燃料电池的汽车，也可能和国际上差距最小的品种，从燃料电池来讲也