【閱前提示】本篇出自『數(shù)理化自學(xué)叢書6677版』，此版叢書是“數(shù)理化自學(xué)叢書編委會”于1963-1966年陸續(xù)出版，并于1977年正式再版的基礎(chǔ)自學(xué)教材，本系列叢書共包含17本，層次大致相當(dāng)于如今的初高中水平，其最大特點就是可用于“自學(xué)”。當(dāng)然由于本書是大半個世紀(jì)前的教材，很多概念已經(jīng)與如今迥異，因此不建議零基礎(chǔ)學(xué)生直接拿來自學(xué)。不過這套叢書卻很適合像我這樣已接受過基礎(chǔ)教育但卻很不扎實的學(xué)酥重新自修以查漏補缺。另外，黑字是教材原文，彩字是我寫的注解。

【山話嵓語】『數(shù)理化自學(xué)叢書』其實還有新版，即80年代的改開版，改開版內(nèi)容較新而且還又增添了25本大學(xué)基礎(chǔ)自學(xué)內(nèi)容，直接搞出了一套從初中到大學(xué)的一條龍數(shù)理化自學(xué)教材大系列。不過我依然選擇6677版，首先是因為6677版保留了很多古早知識，讓我終于搞明白了和老工程師交流時遇到的奇特專業(yè)術(shù)語和計算模式的來由。另外就是6677版的版權(quán)風(fēng)險極小，即使出版社再版也只會再版80年代改開版。我認為6677版不失為一套不錯的自學(xué)教材，不該被埋沒在故紙堆中，是故才打算利用業(yè)余時間，將『數(shù)理化自學(xué)叢書6677版』上傳成文字版。

第八章熱機

【山話||? 本系列專欄中的力單位達因等于10??牛頓；功的單位爾格等于10??焦耳；熱量的單位卡路里等于4.186焦耳。另外這套老教材中的力的單位常用公斤，如今是不允許的，力是不能使用公斤為單位的?！??

§8-6內(nèi)燃機

【01】前面所講的蒸汽機，是在汽缸外部將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)檎羝膬?nèi)能，再使蒸汽推動活塞運動。內(nèi)燃機卻不是這樣的。它所用的燃料和空氣是在汽缸里燃燒的。燃燒時氣體急劇地膨脹做功，并推動活塞運動。也就是說它的發(fā)熱器是在工作部分之內(nèi)的，正是由于這一點，它被稱為內(nèi)燃機。

【02】內(nèi)燃機主要可以分為奧托內(nèi)燃機和狄塞耳內(nèi)燃機兩種。奧托內(nèi)燃機通常用汽油作為燃料；狄塞爾內(nèi)燃機用柴油作為燃料，所以又稱為柴油機。

1、奧托內(nèi)燃機

【03】圖8·25是一個單汽缸奧托內(nèi)燃機的構(gòu)造圖，它的構(gòu)造可以分為下面三部分來敘述。

(1)汽缸：

【04】汽缸是燃料燃燒膨脹做功的部分。圖8·25中 1 是汽缸，它的內(nèi)壁非常光滑，頂端由汽缸蓋封閉著，汽缸蓋下面凹進去的部分就是燃燒室。汽缸孔膛下面是開著的。2 是活塞（見圖8·26），它是一個中空的圓筒，上端封閉，外表面上有環(huán)形槽，槽內(nèi)套有彈性很強的鋼制活塞環(huán)，用來減少活塞往返運動時的磨耗損失，同時增加汽缸和活塞之間的緊密性。汽缸中還有兩個氣閥，3 是進氣閥，4 是排氣閥。

(2)將活塞的移動變成機軸轉(zhuǎn)動的裝置：

【05】在內(nèi)燃機的活塞里有活塞銷，它通過連桿 5 和曲柄 6、機軸 7 連在一起，這樣就能把活塞的往返運動改變成曲軸的轉(zhuǎn)動。曲軸裝在曲軸箱 8 內(nèi)。在它的一端還裝有一個飛輪 9。利用飛輪的慣性可以克服曲軸轉(zhuǎn)動的不均勻性。

(3)汽門的自動開閉：

【06】進氣閥和排氣閥的開閉，是由齒輪 10、11 以及凸輪 12 配合管理的。凸輪的形狀象一個桃子，俗稱桃子板，它和氣閥桿 13 相連接。凸輪軸上裝有大齒輪，大齒輪的齒數(shù)是小齒輪的兩倍，曲軸每轉(zhuǎn)動兩周，才使大齒輪軸轉(zhuǎn)動一次，因為活塞上下移動兩次，氣閥才各打開一次。氣門自動開閉的裝置如圖8·27所示。

【07】圖8·25中 14 是火花塞，15 是化油器，16 是水套。這些都是內(nèi)燃機的附件，將在后面再加說明。

【08】奧托內(nèi)燃機的工作過程可以分為四個沖程來進行。

【09】第一沖程是吸氣沖程。這時曲軸向下轉(zhuǎn)動，帶動活塞向下，同時通過齒輪帶動凸輪旋轉(zhuǎn)，使凸輪的凸起部分頂開進氣閥，讓可燃燒的氣體（汽油蒸汽和空氣混合物）進入汽缸，如圖8·28(a)所示。

【10】第二沖程是壓縮沖程。曲軸帶動活塞向上，凸輪的凸起部分這時已經(jīng)轉(zhuǎn)了過去，進氣閥已經(jīng)關(guān)閉。由于凸輪還只轉(zhuǎn)過 1/4 周，所以排氣閥仍是關(guān)閉著的，如圖8·28(b)所示?；钊蛏线\動時，壓縮第一沖程吸入的可燃氣體。氣體被壓縮后溫度可以升到 300℃ 左右。

【11】第三沖程是做功沖程。在第二沖程的最后火花塞發(fā)出電火花，混合氣體迅速燃燒，溫度驟然升高到 1600°C 至 1800°C? 。高溫高壓煙氣急劇膨脹，推動活塞向下做功，此時曲柄轉(zhuǎn)動半周而凸輪轉(zhuǎn)過 1/4周，兩個氣閥仍然緊閉（圖8·28(c)）。

【12】第四沖程是排氣沖程。由于飛輪的慣性，曲柄轉(zhuǎn)動，使活塞向上運動，這時凸輪頂開排氣閥，將廢氣排出（圖8.28(d)）。

【13】四個沖程是內(nèi)燃機的一個循環(huán)。在一個循環(huán)中，氣體的壓強將發(fā)生怎樣的變化呢？同時氣體又是怎樣膨脹做功的呢？這可以用 P-V 圖來說明：

【14】在吸氣沖程中，活塞向下運動同時讓氣體進入汽缸，這時氣體的壓強幾乎保持不變（在圖8·29中用 AB 線表示），在壓縮沖程中，活塞向上運動壓縮氣體，使氣體壓強逐漸增加，這時活塞對氣體做功，消耗了機械能，增加了氣體的內(nèi)能。這個過程我們用曲線 BC 來表示。在壓縮沖程終了、做功沖程開始時，氣體突然燃燒，壓強激增，在這瞬間體積還來不及變化，所以我們把它看作是等容變化，并用 CD 線來表示。氣體壓強增加后就要作絕熱膨脹推動活塞向下做功，同時消耗本身的內(nèi)能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械功，在這一過程中壓強逐漸減小，我們用絕熱線 DE 來表示。在做功沖程終了時，排氣閥開放，氣體壓強突然降低，而體積還來不及變化，我們用等容線 EB 來表示。最后是排氣沖程，活塞由于慣性作用繼續(xù)向上運動，同時排除廢氣，這時壓強不變，我們用 BA 線來表示。這樣得到的圖線叫做奧托循環(huán)圖線，根據(jù)用 P-V 線計算功的方法，我們可以知道面積 BCDEB 代表在一次循環(huán)中氣體對活塞所做的凈功。

【15】從前面所講的過程中可以清楚地看到，在一個循環(huán)中只有第三沖程是動力沖程，即高壓氣體膨脹做功的沖程，其他三個沖程不但沒有做功，還要消耗一部分機械能。這里可以看出飛輪的作用是很大的，它依靠慣性轉(zhuǎn)動帶動連桿通過靜點，并且還帶動活塞完成其他三個沖程。

【16】因為在四個沖程中只有一個動力沖程，所以單汽缸內(nèi)燃機在工作時要產(chǎn)生不均勻的震動。利用多汽缸組合而成的內(nèi)燃機就可消除這個缺點。其中每一個汽缸的活塞都能帶動機軸轉(zhuǎn)動，只要把各汽缸的做功沖程錯開，就可以不用很重的飛輪，或者甚至不用飛輪。汽缸越多，機軸轉(zhuǎn)動得越均勻。圖8·30表示八汽缸發(fā)動機的示意圖。

【17】從內(nèi)燃機做功的條件來看，可然氣體的化學(xué)反應(yīng)是它的能源，造成工質(zhì)的高溫；汽缸活塞是它的工作部分；做了功的廢工質(zhì)排出到大氣中以大氣作為它的冷凝器。因為可燃燒的混合氣體在汽缸內(nèi)燃燒時所產(chǎn)生的溫度很高（約在 1500°C 以上），所以內(nèi)燃機的效率比蒸汽發(fā)動機的效率要高得多。奧托內(nèi)燃機在工作中，約有 25% 的熱量作為有用功，10% 的熱量損失于摩擦中，25% 的熱量由廢汽帶走，40% 的熱量傳給汽缸外的冷卻水。因此它的效率一般是在20~30%? 。

【18】奧托內(nèi)燃機的功率大小不一，小的可以小到 1/2 馬力，大的可以大到 2500 馬力，它的優(yōu)點是機身小巧輕便，動作迅速，因此被廣泛地應(yīng)用在汽車、飛機、坦克、潛水艇等交通工具和軍事設(shè)備上。

2、內(nèi)燃機的四個主要的輔助設(shè)備系統(tǒng)

【19】內(nèi)燃機除了上面所敘述的基本構(gòu)造外，還有燃料、點火、冷卻、潤滑四個輔助設(shè)備系統(tǒng)。

【20】燃料系統(tǒng)的構(gòu)造如圖8·31所示。化油器是它的主要部分，它的作用是把汽油和空氣按一定的比例配制成霧狀的混合氣體，以供給汽缸作為燃料使用。

【21】點火系統(tǒng)的構(gòu)造如圖8·32所示.它是由蓄電池、線圈、火花塞等部分組成的，火花塞是由齒輪來管理的。它能夠按時在汽缸中產(chǎn)生電火花，使壓縮的混合氣體燃燒爆炸。

【22】冷卻系統(tǒng)的構(gòu)造如圖8·33所示。燃料在汽缸中燃燒時，汽缸的溫度可以升到 2000℃ 左右，使汽缸壁和活塞發(fā)熱，以致使機件遭受損壞，因此常常在汽缸外層包有一個水套，使水可以在其中流動。由于水的對流作用，熱水上升進入散熱器，降溫后，再用抽水機將冷水打回至水套，使水循環(huán)地冷卻汽缸。小型內(nèi)燃機和少數(shù)飛機用的內(nèi)燃機也常利用空氣減熱法，設(shè)法增加氣缸外殼與空氣接觸的面積，使熱量散逸到空氣中去。

【23】潤滑系統(tǒng)——內(nèi)燃機的各部分機件，在運動時要相互摩擦，這不但要損耗一部分機械能，而且還要發(fā)熱使機件遭受損壞，為了防止金屬磨損，在內(nèi)燃機內(nèi)裝有油盤、抽油泵等裝置，并由這些裝置向機件的各部分輸送潤滑油涂抹在機件表面，以減小摩擦。

3、狄塞耳內(nèi)燃機

【24】狄塞耳內(nèi)燃機是十九世紀(jì)末葉由德國工程師狄塞耳所設(shè)計的，它的構(gòu)造原理和奧托內(nèi)燃機大致相同，所不同的是它將石油或柴油噴進汽缸作為燃料燃燒，而不是用汽油的混合氣體作為燃料，同時在壓縮沖程中，也不是壓縮可燃混合氣體，而是單純壓縮空氣。圖8·34是狄塞耳內(nèi)燃機構(gòu)造的示意圖。汽缸的右端并沒有火花塞，但卻裝有一個噴油嘴，排氣閥、進氣閥和噴油嘴都由一個專門的調(diào)節(jié)軸來控制，調(diào)節(jié)軸由機軸帶動。

【25】狄塞耳內(nèi)燃機的工作過程也可以分為四個沖程來進行：

【26】第一沖程是吸氣沖程。活塞向左運動同時進氣閥打開，使空氣進入汽缸。

【27】第二沖程是壓縮沖程。兩個氣閥都關(guān)閉，活塞向右運動并壓縮空氣，使它的溫度高達500~700℃，超過柴油的著火點。

【28】第三沖程是做功沖程。在壓縮沖程結(jié)束時，柴油在高壓作用下從噴油嘴高速噴入汽缸，霧狀液滴與熱空氣相遇立刻燃燒，由于柴油噴發(fā)時間較長，所以燃燒時間也較長，不象奧托內(nèi)燃機內(nèi)汽油是驟然爆發(fā)燃燒的那樣。柴油的燃燒溫度可以高達 2000°C 左右，而活塞就在高溫高壓的煙氣作用下向左運動。

【29】第四沖程是排氣沖程?；钊蛴疫\動同時打開排氣閥進行排氣。

【30】狄塞耳內(nèi)燃機的工作過程也可以用 P-V 圖線（圖8·35）來表示。吸氣過程是在較小的氣壓下等壓進行的，用直線 AB 來表示。在壓縮沖程中，氣壓逐漸上升，用絕熱曲線 BC 來表示。在做功沖程開始一段時間內(nèi)，柴油正在燃燒中，活塞在一定的壓強下移動，用 CD 線來表示。等到燃燒停止后，煙氣膨脹推動活塞作功，用 DE 線來表示。在排氣沖程開始時，排氣閥開啟，汽缸中的壓強又突然降到大氣壓強，而體積還來不及變化，用 EB 線來表示。在排氣沖程中，廢氣排入大氣中，體積逐漸減小，用 BA 線來表示。狄塞耳循環(huán)圖線 BCDEB 所包圍的面積在數(shù)值上代表一個循環(huán)內(nèi)所做的凈功。

【31】狄塞耳內(nèi)燃機和奧托內(nèi)燃機相比有很多優(yōu)點。首先是它的效率可以高達 30~40%? 。理論和實驗都指出，如果加大氣體壓縮比，就可以提高內(nèi)燃機的效率。所謂壓縮比，就是氣體進入汽缸后的最大體積，跟被壓縮后最小體積的比值（如圖8·36）。但壓縮比不能過于大，因為它受著其他條件的限制。在奧托內(nèi)燃機里，被壓縮的是汽油和空氣的混合氣體，如果壓縮得太過分，溫度會升得太高，這就可能使活塞在還沒有達到壓縮沖程的終點時就自燃起來。這時活塞本應(yīng)向上運動，卻由于自燃氣體的膨脹而向下運動，結(jié)果機輪反向轉(zhuǎn)動，產(chǎn)生打倒車的現(xiàn)象，這對機件的損壞是很大的。奧托內(nèi)燃機的壓縮比一般不能超過 4~5。而在狄塞耳內(nèi)燃機里，被壓縮的是空氣，壓縮比不受液體燃料燃點的限制，因此可以提高到 12~20。但也不宜過高，否則必須采用很笨重的機件才能承受壓縮終了時的壓強。

【32】其次，狄塞耳內(nèi)燃機所使用的燃料是價廉的柴油或原油，因此它比使用汽油的奧托內(nèi)燃機經(jīng)濟。此外，柴油著火點高，不象汽油那樣容易引起火災(zāi)，儲藏也比較方便。柴油機的功率很高，常常可以達到幾萬匹馬力左右。

【33】柴油機的缺點是構(gòu)造比汽油機笨重，轉(zhuǎn)速較小，振動比較劇烈，起動也慢。從性能來看，它比較適宜于長途運輸和負荷大的工作，所以常常被采用在拖拉機、載重汽車、艦船、坦克、潛水艇等上做動力機，而飛機、小汽車、小摩托車等就常常采用汽油機。目前，狄塞耳內(nèi)燃機已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用在鐵路運輸上，這種機車叫做內(nèi)燃機車。它不僅比蒸汽機車經(jīng)濟，而且不需要鍋爐燒水，因此特別適宜于使用在缺水的地區(qū)。

4、旋轉(zhuǎn)活塞式內(nèi)燃機

【34】前面我們介紹了三種熱機，它們的共同特點在于都是利用氣體的膨脹推動活塞在汽缸里作往復(fù)的運動，然后通過連桿、曲柄將往復(fù)的運動轉(zhuǎn)變?yōu)橹鬏S的旋轉(zhuǎn)運動。因為在將移動變?yōu)檗D(zhuǎn)動時，總是要消耗一部分的能量，所以它們的效率并不高，而且由于必須有曲柄、飛輪等機件，就使得它們的構(gòu)造復(fù)雜，機身龐大笨重，轉(zhuǎn)速不大，以致于在提高速度方面受到很大的限制。這也是它們共同具有的缺點。那么是否有可能將往復(fù)式活塞動力機改進一下，使氣體膨脹做功，直接推動主軸旋轉(zhuǎn)呢？近幾年來經(jīng)過各國科學(xué)家的精心研究，發(fā)明了各種各樣的旋轉(zhuǎn)活塞式內(nèi)燃機，它們的形式雖然繁多，但基本的原理卻都是相同的，即利用活塞在汽缸內(nèi)的轉(zhuǎn)動來直接帶動轉(zhuǎn)軸運動，這就克服了往復(fù)式內(nèi)燃機所具有的缺點。旋轉(zhuǎn)活塞式內(nèi)燃機是內(nèi)燃機發(fā)展的方向，目前各種類型的旋轉(zhuǎn)活塞式內(nèi)燃機正處在試驗階段，還有待于改進。

【35】下面介紹一種最近發(fā)表的雙旋轉(zhuǎn)四循環(huán)活塞式內(nèi)燃機。圖8·37所示的是它的外形。圖8·38表示它活塞的簡單結(jié)構(gòu)，一個環(huán)形的鼓筒兩端用蓋封閉，筒里有兩對旋轉(zhuǎn)活塞，將筒分成四個空間。圖8·38上兩對活塞是分開來看的。左邊一對活塞 A、B 和機軸連在一起，隨著機軸而旋轉(zhuǎn)。右邊一對活塞 C、D 固定在一個象套筒一樣的空心轉(zhuǎn)軸上。套筒的直徑比機軸的直徑大，它不隨著機軸一起轉(zhuǎn)動，卻可以在機軸上自由旋轉(zhuǎn).這兩對活塞在汽缸中是套在一起的，利用齒輪和杠桿組成的控制機構(gòu)來控制它們（至于控制機構(gòu)的構(gòu)造，這里不準(zhǔn)備作詳細的介紹），使這兩對活塞能夠繞著共同的軸線向同一方向旋轉(zhuǎn)。由于它們的轉(zhuǎn)速分別按照不同的規(guī)律變化，因此活塞之間的空間不斷地增大或減小，就象往復(fù)式發(fā)動機中汽缸工作部分的容積在不斷地改變一樣。每一個空間可以看作是一個汽缸，這樣它就成為四汽缸內(nèi)燃機了。

【36】下面我們進一步來說明在旋轉(zhuǎn)半周時各汽缸工作的情況。

【37】圖8·39(a)是汽缸的截面圖，打斜線的表示一對活塞 A、B，黑色的表示另一對活塞 C、D，這時活塞 A 和 D 之間的汽缸正處在火花塞點火瞬間，于是被壓縮的氣體開始燃燒。

【38】圖8·39(b)表示氣體燃燒后膨脹，竭力推開 A、D 兩活塞，使它們之間的汽缸容積變大。A、D 兩活塞原先是順時針旋轉(zhuǎn)的，A 受到氣體的推力后，沿順時針方向加速旋轉(zhuǎn)；而 D 所受到的推力是阻礙它順時針轉(zhuǎn)動的，于是它的速度減小。這種差速轉(zhuǎn)動都是由控制機構(gòu)在管理著的。

【39】這時 A、C 兩活塞之間的汽缸正和排氣管相連進行排氣，而與 D、A 相對的 C、B 活塞之間的汽缸卻和進氣管相連，準(zhǔn)備吸氣。至于 B、D 之間的汽缸容積正在變小，其間的氣體正受到壓縮。

【40】圖8·39(c)表示在 D、A 之間的汽缸里膨脹做功沖程將要完畢，廢氣開始沿汽缸壁上的縫槽排氣。這時 A、C 之間的汽缸還在排氣，C、B 之間的汽缸還在吸氣，B、D 之間的汽缸在繼續(xù)壓縮。

【41】圖8.39(d)所示的情況是 A、B 活塞轉(zhuǎn)到超前 C、D 活塞最遠的位置，D、A 之間的汽缸體積最大。A、C 之間的汽缸排氣將近結(jié)束，C、B 之間的汽缸吸氣也將結(jié)束，而 B、D 之間已壓縮到最小，并即將點火燃燒推動 D 活塞向前，同時通過控制機構(gòu)的作用，使活塞 DC 用較大的速度趕上活塞 AB? 。將 D、A 之間汽缸中作過功的廢氣排出。同時又壓縮了 C、B 之間汽缸剛吸入的新鮮氣體，使活塞轉(zhuǎn)到圖89(e)的位置，這時兩對活塞恰好轉(zhuǎn)了半周。

【42】從圖中可以看出，每個汽缸在鼓形筒里轉(zhuǎn)過一周時，它必定經(jīng)歷兩次壓縮和兩次膨脹的行程，從四個汽缸來看，它們是同時在進行著排氣、吸氣、壓縮、做功四項工作的，在旋轉(zhuǎn)一周的全部時間里，都有做功沖程。這和往復(fù)式活塞只有 1/4 時間在做功，就有很大的不同。

【43】旋轉(zhuǎn)活塞式內(nèi)燃機和往復(fù)活塞式內(nèi)燃機相比，具有很多的優(yōu)點，根據(jù)所發(fā)表的數(shù)據(jù)，這種內(nèi)燃機與最好的同容積往復(fù)式內(nèi)燃機相比所產(chǎn)生的馬力要大 3.6 倍；耗油量卻只有它的 1/3；而且體積也很小，平均每一匹馬力只重 1/2 公斤多一些；此外發(fā)動機的轉(zhuǎn)速范圍亦很廣，從 60 轉(zhuǎn)/分到 4000 轉(zhuǎn)/分不等。

【44】這種新式內(nèi)燃機的效率之所以會這么高，是因為膨脹的氣體幾乎是充分用來做功的。由于進氣槽和排氣槽很長，不象一般往復(fù)活塞式那樣只有狹小的排氣閥和通道，因此吸氣排氣通暢。而且它的活塞始終是不倒轉(zhuǎn)的，排氣和膨脹氣體的運動方向也始終一致。此外，省掉了閥門機構(gòu)以后，不僅摩擦減少，也省掉了沖開閥門彈簧所消耗的能量。由于傳動軸在每轉(zhuǎn)一周中受到四次燃氣的推力，所以它轉(zhuǎn)得十分均勻而平穩(wěn)。因此旋轉(zhuǎn)活塞式內(nèi)燃機是內(nèi)燃機改進發(fā)展的方向。

習(xí)題8-6

1、奧托內(nèi)燃機的主要構(gòu)造有哪些部分？

2、試述奧托內(nèi)燃機工作中的四個沖程。

3、狄塞耳內(nèi)燃機和奧托內(nèi)燃機的工作過程有什么不同？兩種內(nèi)燃機各有什么優(yōu)缺點？它們應(yīng)用的場合為什么不一樣？

4、內(nèi)燃機有哪些輔助設(shè)備系統(tǒng)？

5、旋轉(zhuǎn)活塞式內(nèi)燃機和往復(fù)式內(nèi)燃機相比較有些什么優(yōu)點？