我国内燃机发展前景展望

靳宇琪

摘要：内燃机是一种使用较为广泛的动力机械装置，其应用存在诸多限制，如能源、对环境的污染等因素，制约着其在工业或农业生产机械上的大范围推广应用。本文就我国内燃机的发展历程进行简述，介绍了我国内燃机当前存在的主要问题，以及内燃机在实际应用中的关键制约因素，并提出如何解决这些制约因素，为内燃机的推广与应用提供有效的参考依据。

关键词：内燃机;发展历程;特点;劣势;能源;环境;展望

中图分类号：F426.4                                      文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2021）02-0177-02

0  引言

目前，各国对于本国的能源或相关技术政策差异较大，而政策的出台也决定着未来动力机械的发展方向，动力机械的发展又与国家的经济发展密不可分，制约着动力机械发展的因素较多，除国家出台的政策外，包括资源条件、技术发展水平、制造业发展水平、机械设计发展水平、工程机械管理、材料工程的发展等都是影响该国动力机械发展的因素之一。在动力机械设备中，最为常见和广泛使用的就是内燃机，其覆盖功率范围广，从1kW到3万多kW不等。目前，我国内燃机的保有量数以亿计，约40%为汽油机，约60%为柴油机。当前，世界范围内的石油资源也被人类大量的开采，但总数有限，按照目前的开采方式和使用速度，石油资源也仅能供人类使用约半个世纪，采用新型能源或替代性材料开展发动机使用的应用型研究较多，但大范围的推广还存在困难和障碍，因此，在目前以柴油机为主要农业生产用动力机械设施的条件下，节能减排成为关键。

1  内燃机及其发展历程

内燃机的做功原理是采用内能做功的一种动力机械装置，它采用燃料在机械内部燃烧后释放能量，这种能量被称为热能，将释放的热能进行转化，形成可以为外部机械提供动力的能量。随着科技的不断进步和发展，内燃机应用十分广泛。然而，内燃机采用的燃料在燃烧后会排出对大气气体产生危害的有害气体，成为当前大气污染的因素之一。

19世纪初，内燃机的雏形初现。直至1860年，第一台内燃机被法国的莱诺伊尔制成，且为燃煤型内燃机，成为内燃机的鼻祖。1876年，在德国的奥托的艰苦钻研下，第一台煤气型燃气内燃机被发明，且采用四沖程往复活塞式运动原理，成为燃气型内燃机的先驱，是瓦特之后在动力机方面取得成就最高的人。1883年，第一台四冲程往复式汽油机在戴姆勒与迈巴赫的艰苦钻研和反复试验下研制成功。1897年，第一台压缩点火的内燃机在德国被狄塞尔制成成功，被命名为“狄塞尔”柴油内燃机。直至19世纪末，各种活塞式内燃机被广泛的应用在生产上，发挥重要的作用，成为工业化的重要桥梁，为工业的快速发展奠定坚实的基础。内燃机的发明，加快了人类工业化的速度，成为当代最伟大的发明之一，成为一个国家工业进程的重要标志，为国家经济的发展奠定良好的基础。

2  当前我国内燃机的发展现状与劣势

我国内燃机的发展较为滞后，至上世纪初，内燃机技术才在我国初见雏形，至1908年广州第一台煤气机的出现，开启了我国工业化的道路。内燃机在我国发展较为缓慢，直至上世纪中期，我国新中国的建设需要加速工业化生产的进程，以及农业生产和国防建设对内燃机的需求进一步增加，我国在前苏联和东欧等国的帮助下，内燃机产业得到了快速的恢复和发展，新型内燃机的成功开发和出现，促进了我国生产工业化的进程。改革开放后，我国与世界进一步接轨，在全球化快速发展的大背景下，我国快速开发和引进新的科学技术，内燃机性能在科技力量的创新中出现了新的机遇和发展，性能大幅度提升，内燃机的发展进入快速发展的道路上来。但当前我国内燃机技术的发展与世界发达国家还具有较大的差距，包括机械性能、品质、质量、实用性、废气排放标准和机械自主研发能力等方面。当前，我国内燃机的发展融合了电子机械控制程序和新型材料等，成为高科技的综合体，成为当前高新技术的典型。然而，长期以来，我国针对内燃机的产品自主研发不足，研发的投入不够，迫使产品的更新换代受到严重的制约。柴油机各零部件的质量要求较高，特别是油泵泵端的压力要求高，而缸体、缸盖和活塞环质量要求高，我国针对柴油机零部件的生产企业多数无法满足高生产要求，无法与国际上的生产企业相媲美，因此成为制约我国柴油机品质提升的关键因素。燃油消耗率高成为当前我国柴油机的通病，单缸小功率分隔式燃烧室柴油机可与国际水平相比，但国外多采用直喷式燃烧室，比我国的分隔室能源消耗低很多，因此，如何发展节能直喷型成为当前我国研究的重点方向。针对新技术的推广我国处于劣势，如因柴油机的可靠性低，且对于其维护保养缺乏专业知识，导致多缸柴油机在我国的推广和应用较为缓慢。此外，我国柴油机在使用过程中故障频现，排放的废弃超标，使用时噪音大，产品质量差等都是当前我国内燃机发展的弊病，如何通过技术改善，提升我国内燃机的质量与品质，成为推动我国内燃机快速发展的重要途径。

3  内燃机使用过程中对能源的要求和对环境的影响

随着我国经济快速发展，无论是人们生活还是工业生产，或是农业生产，对内燃机的需求量都进一步提升，特别是交通运输行业的迅速发展，内燃机成为引导汽车行业的主要制约因素之一，并在未来我国人们的巨大需求量下，内燃机行业还会持续快速发展。内燃机的大量应用也带来严重的环境污染问题和能源消耗问题。

在能源消耗方面，全球发展对于能源的需求进一步提升，而石油为不可再生资源，随着使用量的提升凸显出日益短缺的现象，我国是农业生产大国，也是人口消费大国，人口的增加对于石油资源的消费量也进一步提升，从上世纪末至今，我国一直都是石油进口国，且对石油的依赖逐年提升。我国对于石油的依赖程度高达约60%，这远远超过了国际上对于石油依赖制定的警戒线，我国成为石油能源安全风险凸显大国。

在环境保护方面，内燃机的使用促使了环境的破坏，成为当前环境污染的重要因素之一。随着特别是近年来我国人均消费水平的提升，人们对于出行的需求进一步增加，汽车逐步在人们的日常生活中普及，汽车数量的不断增加，导致汽车行驶过程中释放的尾气对大气形成严重的污染，成为城市空气污染的主要因素，严重影响了人们生存的环境质量，危害人类健康，成为当前人们关注的焦点。环境保护的提出势在必行，打造绿色、可持续发展的机械动力装置，成为当前工业技术的重要组成部分，其中，内燃机的绿色、节能技术的开发和应用成为必然的趋势，建立高新技术发展、资源消耗小的新型、环保型工业技术是时代发展的要求，也是国家发展的要求，也是人民的期望。

4  内燃机发展的应对措施及前景展望

针对当前环境保护的需求，以及当前世界流绿色发展的需求，加上我国应对当前气候变化的情况，在机遇和挑战下，政府从国家战略发展层面出发，倡导“绿色发展/资源节约”的理念，通过政府出台各种优惠政策或措施，促进各种新型能源或替代能源不断提出。但就目前的发展，短时间我国传统的内燃机工业还无法被取代，且在未来长时间内仍是当前国民经济发展中的重要组成部分。随着国家对环保要求的提升，环保型工业的发展成为未来工业发展的主要方向。且国家对于内燃机的要求也进一步明确，包括发展低资源消耗、低污染物/低二氧化碳排放的环保型内燃机产业成为主要的发展目标，提升我国内燃机节能减排技术的研发速度，推动多元化的应用和发展，成为提升我国内燃机国际竞争力的主要方式。

4.1 节能型内燃机的发展

内燃机柴油化是节能的重要方式。与汽油机相比，柴油机的热效率较高，可以达到25%以上的节油效果。随着科技的进步和设计制造业的发展，材料水平的提升等方面的改善，限制柴油机发展的障碍已不复存在，柴油机的开发的大范围应用成为可能，柴油机在农业机械/重型汽车/传统轿车等方面应用广泛。中小功率内燃机上广泛使用的增压技术，通过涡轮增压技术，可以有效的提高约40%的功率，耗油率下降约3%，有效降低内燃机的排放。随着制造业成本的不断降低，加上小型涡轮增压器结构的性能和使用效率的提升，中小型增压高速柴油机的发展呈现出蓬勃发展的态势。

新的石油危机给新的能源带来了机遇，在內燃机的燃料选择上可以采取多种燃料或代用燃料，解决石油短缺带来的危机。包括从农产品、煤或天然气中提取的醇类燃料，可以直接燃烧，或与汽油、柴油等燃料按比例混合后燃烧;或采用烃类燃料，如天然气、沼气等;或采用清洁能源，如氢燃料，或采用混合燃料，如煤粉、油混合浆。

采用新技术开发出高压缩比的汽油机，可以有效的提升其指示效率，节约能源，同时提升内燃机指示功率。当前，直接向气缸内喷射燃油，并配以微机控制的汽油机正在开发中，这种技术在内燃机上的应用，可以改善机械的整体性能，改善燃烧过程，提升热效率。但其高成本、高度复杂、可靠性差等因素导致其不能很好的在实际生产中应用。

4.2 通过技术革新，提升内燃机各项性能指标

通过国外技术的引进和我国自身的研发能力和水平，根据内燃机发展的节能和性能强化需求，改进内燃机是设计。包括直喷式燃烧室的设计，局部冷却系统的设计，设计散热损失较低的绝热内燃机，可以通过在高温燃气接触缸筒、活塞顶、缸盖底、排气道内部等设计采用绝热或隔热性能较好的陶瓷材料，或镍钼钢等形成隔热层，降低热消散的速度，提升热效率。设计低摩擦损失的机械设备，可以通过利用进排气系统气体动力现象的方式，降低机械使用过程的各种机械阻力，从而降低气泵损失，减少机械摩擦，提升机械效率。此外，随着电子信息技术与机械设备自动化技术的出现，计算机辅助系统在内燃机上的应用成为可能，通过对内燃机各组成部件的计算和分析，对各种机械组成部件采用快速原型技术设计，提升了内燃机设计的速度和效率。

4.3 振动和噪声设计的优化

振动的产生主要源于平衡性设计的差异化，包括机械内部构造各零部件之间的装配空间、零件自身的质量性能、机械的工作强度等。当前，可以采用加装减震器、加强发动机平衡性能优化、驾驶舱减震性能优化、加强机械零部件之间的安装紧密度等方式来降低振动对周边环境的影响。噪声源于结构噪声与机械运动产生的气动噪声，包括进排气与燃烧噪声等。结构噪声与振动之间的关系度高，多是机械使用过程中齿轮传动、冲击、振动等产生，可以通过机械外部加装隔音罩的方式降低噪声污染。进排气噪声的控制可以通过加装消声器来实现。

5  总结

总之，内燃机这种机械装置是我国工业化进程的重要里程碑，如何通过技术革新改善内燃机的性能，优化内燃机的使用效果，是当前我国以及全球能源短缺下迫在眉睫的问题。

参考文献：

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