我國內(nèi)燃機(jī)發(fā)展前景展望

靳宇琪

摘要：內(nèi)燃機(jī)是一種使用較為廣泛的動力機(jī)械裝置，其應(yīng)用存在諸多限制，如能源、對環(huán)境的污染等因素，制約著其在工業(yè)或農(nóng)業(yè)生產(chǎn)機(jī)械上的大范圍推廣應(yīng)用。本文就我國內(nèi)燃機(jī)的發(fā)展歷程進(jìn)行簡述，介紹了我國內(nèi)燃機(jī)當(dāng)前存在的主要問題，以及內(nèi)燃機(jī)在實際應(yīng)用中的關(guān)鍵制約因素，并提出如何解決這些制約因素，為內(nèi)燃機(jī)的推廣與應(yīng)用提供有效的參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：內(nèi)燃機(jī);發(fā)展歷程;特點;劣勢;能源;環(huán)境;展望

中圖分類號：F426.4? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）02-0177-02

0? 引言

目前，各國對于本國的能源或相關(guān)技術(shù)政策差異較大，而政策的出臺也決定著未來動力機(jī)械的發(fā)展方向，動力機(jī)械的發(fā)展又與國家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展密不可分，制約著動力機(jī)械發(fā)展的因素較多，除國家出臺的政策外，包括資源條件、技術(shù)發(fā)展水平、制造業(yè)發(fā)展水平、機(jī)械設(shè)計發(fā)展水平、工程機(jī)械管理、材料工程的發(fā)展等都是影響該國動力機(jī)械發(fā)展的因素之一。在動力機(jī)械設(shè)備中，最為常見和廣泛使用的就是內(nèi)燃機(jī)，其覆蓋功率范圍廣，從1kW到3萬多kW不等。目前，我國內(nèi)燃機(jī)的保有量數(shù)以億計，約40%為汽油機(jī)，約60%為柴油機(jī)。當(dāng)前，世界范圍內(nèi)的石油資源也被人類大量的開采，但總數(shù)有限，按照目前的開采方式和使用速度，石油資源也僅能供人類使用約半個世紀(jì)，采用新型能源或替代性材料開展發(fā)動機(jī)使用的應(yīng)用型研究較多，但大范圍的推廣還存在困難和障礙，因此，在目前以柴油機(jī)為主要農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用動力機(jī)械設(shè)施的條件下，節(jié)能減排成為關(guān)鍵。

1? 內(nèi)燃機(jī)及其發(fā)展歷程

內(nèi)燃機(jī)的做功原理是采用內(nèi)能做功的一種動力機(jī)械裝置，它采用燃料在機(jī)械內(nèi)部燃燒后釋放能量，這種能量被稱為熱能，將釋放的熱能進(jìn)行轉(zhuǎn)化，形成可以為外部機(jī)械提供動力的能量。隨著科技的不斷進(jìn)步和發(fā)展，內(nèi)燃機(jī)應(yīng)用十分廣泛。然而，內(nèi)燃機(jī)采用的燃料在燃燒后會排出對大氣氣體產(chǎn)生危害的有害氣體，成為當(dāng)前大氣污染的因素之一。

19世紀(jì)初，內(nèi)燃機(jī)的雛形初現(xiàn)。直至1860年，第一臺內(nèi)燃機(jī)被法國的萊諾伊爾制成，且為燃煤型內(nèi)燃機(jī)，成為內(nèi)燃機(jī)的鼻祖。1876年，在德國的奧托的艱苦鉆研下，第一臺煤氣型燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)被發(fā)明，且采用四沖程往復(fù)活塞式運動原理，成為燃?xì)庑蛢?nèi)燃機(jī)的先驅(qū)，是瓦特之后在動力機(jī)方面取得成就最高的人。1883年，第一臺四沖程往復(fù)式汽油機(jī)在戴姆勒與邁巴赫的艱苦鉆研和反復(fù)試驗下研制成功。1897年，第一臺壓縮點火的內(nèi)燃機(jī)在德國被狄塞爾制成成功，被命名為“狄塞爾”柴油內(nèi)燃機(jī)。直至19世紀(jì)末，各種活塞式內(nèi)燃機(jī)被廣泛的應(yīng)用在生產(chǎn)上，發(fā)揮重要的作用，成為工業(yè)化的重要橋梁，為工業(yè)的快速發(fā)展奠定堅實的基礎(chǔ)。內(nèi)燃機(jī)的發(fā)明，加快了人類工業(yè)化的速度，成為當(dāng)代最偉大的發(fā)明之一，成為一個國家工業(yè)進(jìn)程的重要標(biāo)志，為國家經(jīng)濟(jì)的發(fā)展奠定良好的基礎(chǔ)。

2? 當(dāng)前我國內(nèi)燃機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀與劣勢

我國內(nèi)燃機(jī)的發(fā)展較為滯后，至上世紀(jì)初，內(nèi)燃機(jī)技術(shù)才在我國初見雛形，至1908年廣州第一臺煤氣機(jī)的出現(xiàn)，開啟了我國工業(yè)化的道路。內(nèi)燃機(jī)在我國發(fā)展較為緩慢，直至上世紀(jì)中期，我國新中國的建設(shè)需要加速工業(yè)化生產(chǎn)的進(jìn)程，以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和國防建設(shè)對內(nèi)燃機(jī)的需求進(jìn)一步增加，我國在前蘇聯(lián)和東歐等國的幫助下，內(nèi)燃機(jī)產(chǎn)業(yè)得到了快速的恢復(fù)和發(fā)展，新型內(nèi)燃機(jī)的成功開發(fā)和出現(xiàn)，促進(jìn)了我國生產(chǎn)工業(yè)化的進(jìn)程。改革開放后，我國與世界進(jìn)一步接軌，在全球化快速發(fā)展的大背景下，我國快速開發(fā)和引進(jìn)新的科學(xué)技術(shù)，內(nèi)燃機(jī)性能在科技力量的創(chuàng)新中出現(xiàn)了新的機(jī)遇和發(fā)展，性能大幅度提升，內(nèi)燃機(jī)的發(fā)展進(jìn)入快速發(fā)展的道路上來。但當(dāng)前我國內(nèi)燃機(jī)技術(shù)的發(fā)展與世界發(fā)達(dá)國家還具有較大的差距，包括機(jī)械性能、品質(zhì)、質(zhì)量、實用性、廢氣排放標(biāo)準(zhǔn)和機(jī)械自主研發(fā)能力等方面。當(dāng)前，我國內(nèi)燃機(jī)的發(fā)展融合了電子機(jī)械控制程序和新型材料等，成為高科技的綜合體，成為當(dāng)前高新技術(shù)的典型。然而，長期以來，我國針對內(nèi)燃機(jī)的產(chǎn)品自主研發(fā)不足，研發(fā)的投入不夠，迫使產(chǎn)品的更新?lián)Q代受到嚴(yán)重的制約。柴油機(jī)各零部件的質(zhì)量要求較高，特別是油泵泵端的壓力要求高，而缸體、缸蓋和活塞環(huán)質(zhì)量要求高，我國針對柴油機(jī)零部件的生產(chǎn)企業(yè)多數(shù)無法滿足高生產(chǎn)要求，無法與國際上的生產(chǎn)企業(yè)相媲美，因此成為制約我國柴油機(jī)品質(zhì)提升的關(guān)鍵因素。燃油消耗率高成為當(dāng)前我國柴油機(jī)的通病，單缸小功率分隔式燃燒室柴油機(jī)可與國際水平相比，但國外多采用直噴式燃燒室，比我國的分隔室能源消耗低很多，因此，如何發(fā)展節(jié)能直噴型成為當(dāng)前我國研究的重點方向。針對新技術(shù)的推廣我國處于劣勢，如因柴油機(jī)的可靠性低，且對于其維護(hù)保養(yǎng)缺乏專業(yè)知識，導(dǎo)致多缸柴油機(jī)在我國的推廣和應(yīng)用較為緩慢。此外，我國柴油機(jī)在使用過程中故障頻現(xiàn)，排放的廢棄超標(biāo)，使用時噪音大，產(chǎn)品質(zhì)量差等都是當(dāng)前我國內(nèi)燃機(jī)發(fā)展的弊病，如何通過技術(shù)改善，提升我國內(nèi)燃機(jī)的質(zhì)量與品質(zhì)，成為推動我國內(nèi)燃機(jī)快速發(fā)展的重要途徑。

3? 內(nèi)燃機(jī)使用過程中對能源的要求和對環(huán)境的影響

隨著我國經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，無論是人們生活還是工業(yè)生產(chǎn)，或是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，對內(nèi)燃機(jī)的需求量都進(jìn)一步提升，特別是交通運輸行業(yè)的迅速發(fā)展，內(nèi)燃機(jī)成為引導(dǎo)汽車行業(yè)的主要制約因素之一，并在未來我國人們的巨大需求量下，內(nèi)燃機(jī)行業(yè)還會持續(xù)快速發(fā)展。內(nèi)燃機(jī)的大量應(yīng)用也帶來嚴(yán)重的環(huán)境污染問題和能源消耗問題。

在能源消耗方面，全球發(fā)展對于能源的需求進(jìn)一步提升，而石油為不可再生資源，隨著使用量的提升凸顯出日益短缺的現(xiàn)象，我國是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)大國，也是人口消費大國，人口的增加對于石油資源的消費量也進(jìn)一步提升，從上世紀(jì)末至今，我國一直都是石油進(jìn)口國，且對石油的依賴逐年提升。我國對于石油的依賴程度高達(dá)約60%，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了國際上對于石油依賴制定的警戒線，我國成為石油能源安全風(fēng)險凸顯大國。

在環(huán)境保護(hù)方面，內(nèi)燃機(jī)的使用促使了環(huán)境的破壞，成為當(dāng)前環(huán)境污染的重要因素之一。隨著特別是近年來我國人均消費水平的提升，人們對于出行的需求進(jìn)一步增加，汽車逐步在人們的日常生活中普及，汽車數(shù)量的不斷增加，導(dǎo)致汽車行駛過程中釋放的尾氣對大氣形成嚴(yán)重的污染，成為城市空氣污染的主要因素，嚴(yán)重影響了人們生存的環(huán)境質(zhì)量，危害人類健康，成為當(dāng)前人們關(guān)注的焦點。環(huán)境保護(hù)的提出勢在必行，打造綠色、可持續(xù)發(fā)展的機(jī)械動力裝置，成為當(dāng)前工業(yè)技術(shù)的重要組成部分，其中，內(nèi)燃機(jī)的綠色、節(jié)能技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用成為必然的趨勢，建立高新技術(shù)發(fā)展、資源消耗小的新型、環(huán)保型工業(yè)技術(shù)是時代發(fā)展的要求，也是國家發(fā)展的要求，也是人民的期望。

4? 內(nèi)燃機(jī)發(fā)展的應(yīng)對措施及前景展望

針對當(dāng)前環(huán)境保護(hù)的需求，以及當(dāng)前世界流綠色發(fā)展的需求，加上我國應(yīng)對當(dāng)前氣候變化的情況，在機(jī)遇和挑戰(zhàn)下，政府從國家戰(zhàn)略發(fā)展層面出發(fā)，倡導(dǎo)“綠色發(fā)展/資源節(jié)約”的理念，通過政府出臺各種優(yōu)惠政策或措施，促進(jìn)各種新型能源或替代能源不斷提出。但就目前的發(fā)展，短時間我國傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)工業(yè)還無法被取代，且在未來長時間內(nèi)仍是當(dāng)前國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的重要組成部分。隨著國家對環(huán)保要求的提升，環(huán)保型工業(yè)的發(fā)展成為未來工業(yè)發(fā)展的主要方向。且國家對于內(nèi)燃機(jī)的要求也進(jìn)一步明確，包括發(fā)展低資源消耗、低污染物/低二氧化碳排放的環(huán)保型內(nèi)燃機(jī)產(chǎn)業(yè)成為主要的發(fā)展目標(biāo)，提升我國內(nèi)燃機(jī)節(jié)能減排技術(shù)的研發(fā)速度，推動多元化的應(yīng)用和發(fā)展，成為提升我國內(nèi)燃機(jī)國際競爭力的主要方式。

4.1 節(jié)能型內(nèi)燃機(jī)的發(fā)展

內(nèi)燃機(jī)柴油化是節(jié)能的重要方式。與汽油機(jī)相比，柴油機(jī)的熱效率較高，可以達(dá)到25%以上的節(jié)油效果。隨著科技的進(jìn)步和設(shè)計制造業(yè)的發(fā)展，材料水平的提升等方面的改善，限制柴油機(jī)發(fā)展的障礙已不復(fù)存在，柴油機(jī)的開發(fā)的大范圍應(yīng)用成為可能，柴油機(jī)在農(nóng)業(yè)機(jī)械/重型汽車/傳統(tǒng)轎車等方面應(yīng)用廣泛。中小功率內(nèi)燃機(jī)上廣泛使用的增壓技術(shù)，通過渦輪增壓技術(shù)，可以有效的提高約40%的功率，耗油率下降約3%，有效降低內(nèi)燃機(jī)的排放。隨著制造業(yè)成本的不斷降低，加上小型渦輪增壓器結(jié)構(gòu)的性能和使用效率的提升，中小型增壓高速柴油機(jī)的發(fā)展呈現(xiàn)出蓬勃發(fā)展的態(tài)勢。

新的石油危機(jī)給新的能源帶來了機(jī)遇，在內(nèi)燃機(jī)的燃料選擇上可以采取多種燃料或代用燃料，解決石油短缺帶來的危機(jī)。包括從農(nóng)產(chǎn)品、煤或天然氣中提取的醇類燃料，可以直接燃燒，或與汽油、柴油等燃料按比例混合后燃燒;或采用烴類燃料，如天然氣、沼氣等;或采用清潔能源，如氫燃料，或采用混合燃料，如煤粉、油混合漿。

采用新技術(shù)開發(fā)出高壓縮比的汽油機(jī)，可以有效的提升其指示效率，節(jié)約能源，同時提升內(nèi)燃機(jī)指示功率。當(dāng)前，直接向氣缸內(nèi)噴射燃油，并配以微機(jī)控制的汽油機(jī)正在開發(fā)中，這種技術(shù)在內(nèi)燃機(jī)上的應(yīng)用，可以改善機(jī)械的整體性能，改善燃燒過程，提升熱效率。但其高成本、高度復(fù)雜、可靠性差等因素導(dǎo)致其不能很好的在實際生產(chǎn)中應(yīng)用。

4.2 通過技術(shù)革新，提升內(nèi)燃機(jī)各項性能指標(biāo)

通過國外技術(shù)的引進(jìn)和我國自身的研發(fā)能力和水平，根據(jù)內(nèi)燃機(jī)發(fā)展的節(jié)能和性能強(qiáng)化需求，改進(jìn)內(nèi)燃機(jī)是設(shè)計。包括直噴式燃燒室的設(shè)計，局部冷卻系統(tǒng)的設(shè)計，設(shè)計散熱損失較低的絕熱內(nèi)燃機(jī)，可以通過在高溫燃?xì)饨佑|缸筒、活塞頂、缸蓋底、排氣道內(nèi)部等設(shè)計采用絕熱或隔熱性能較好的陶瓷材料，或鎳鉬鋼等形成隔熱層，降低熱消散的速度，提升熱效率。設(shè)計低摩擦損失的機(jī)械設(shè)備，可以通過利用進(jìn)排氣系統(tǒng)氣體動力現(xiàn)象的方式，降低機(jī)械使用過程的各種機(jī)械阻力，從而降低氣泵損失，減少機(jī)械摩擦，提升機(jī)械效率。此外，隨著電子信息技術(shù)與機(jī)械設(shè)備自動化技術(shù)的出現(xiàn)，計算機(jī)輔助系統(tǒng)在內(nèi)燃機(jī)上的應(yīng)用成為可能，通過對內(nèi)燃機(jī)各組成部件的計算和分析，對各種機(jī)械組成部件采用快速原型技術(shù)設(shè)計，提升了內(nèi)燃機(jī)設(shè)計的速度和效率。

4.3 振動和噪聲設(shè)計的優(yōu)化

振動的產(chǎn)生主要源于平衡性設(shè)計的差異化，包括機(jī)械內(nèi)部構(gòu)造各零部件之間的裝配空間、零件自身的質(zhì)量性能、機(jī)械的工作強(qiáng)度等。當(dāng)前，可以采用加裝減震器、加強(qiáng)發(fā)動機(jī)平衡性能優(yōu)化、駕駛艙減震性能優(yōu)化、加強(qiáng)機(jī)械零部件之間的安裝緊密度等方式來降低振動對周邊環(huán)境的影響。噪聲源于結(jié)構(gòu)噪聲與機(jī)械運動產(chǎn)生的氣動噪聲，包括進(jìn)排氣與燃燒噪聲等。結(jié)構(gòu)噪聲與振動之間的關(guān)系度高，多是機(jī)械使用過程中齒輪傳動、沖擊、振動等產(chǎn)生，可以通過機(jī)械外部加裝隔音罩的方式降低噪聲污染。進(jìn)排氣噪聲的控制可以通過加裝消聲器來實現(xiàn)。

5? 總結(jié)

總之，內(nèi)燃機(jī)這種機(jī)械裝置是我國工業(yè)化進(jìn)程的重要里程碑，如何通過技術(shù)革新改善內(nèi)燃機(jī)的性能，優(yōu)化內(nèi)燃機(jī)的使用效果，是當(dāng)前我國以及全球能源短缺下迫在眉睫的問題。

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