【阅前提示】本篇出自『数理化自学丛书6677版』，此版丛书是“数理化自学丛书编委会”于1963-1966年陆续出版，并于1977年正式再版的基础自学教材，本系列丛书共包含17本，层次大致相当于如今的初高中水平，其最大特点就是可用于“自学”。当然由于本书是大半个世纪前的教材，很多概念已经与如今迥异，因此不建议零基础学生直接拿来自学。不过这套丛书却很适合像我这样已接受过基础教育但却很不扎实的学酥重新自修以查漏补缺。另外，黑字是教材原文，彩字是我写的注解。

【山话嵓语】『数理化自学丛书』其实还有新版，即80年代的改开版，改开版内容较新而且还又增添了25本大学基础自学内容，直接搞出了一套从初中到大学的一条龙数理化自学教材大系列。不过我依然选择6677版，首先是因为6677版保留了很多古早知识，让我终于搞明白了和老工程师交流时遇到的奇特专业术语和计算模式的来由。另外就是6677版的版权风险极小，即使出版社再版也只会再版80年代改开版。我认为6677版不失为一套不错的自学教材，不该被埋没在故纸堆中，是故才打算利用业余时间，将『数理化自学丛书6677版』上传成文字版。

第八章热机

【山话||  本系列专栏中的力单位达因等于10⁻⁵牛顿；功的单位尔格等于10⁻⁷焦耳；热量的单位卡路里等于4.186焦耳。另外这套老教材中的力的单位常用公斤，如今是不允许的，力是不能使用公斤为单位的。】  

§8-6内燃机

【01】前面所讲的蒸汽机，是在汽缸外部将燃料的化学能转变为蒸汽的内能，再使蒸汽推动活塞运动。内燃机却不是这样的。它所用的燃料和空气是在汽缸里燃烧的。燃烧时气体急剧地膨胀做功，并推动活塞运动。也就是说它的发热器是在工作部分之内的，正是由于这一点，它被称为内燃机。

【02】内燃机主要可以分为奥托内燃机和狄塞耳内燃机两种。奥托内燃机通常用汽油作为燃料；狄塞尔内燃机用柴油作为燃料，所以又称为柴油机。

1、奥托内燃机

【03】图8·25是一个单汽缸奥托内燃机的构造图，它的构造可以分为下面三部分来叙述。

(1)汽缸：

【04】汽缸是燃料燃烧膨胀做功的部分。图8·25中 1 是汽缸，它的内壁非常光滑，顶端由汽缸盖封闭着，汽缸盖下面凹进去的部分就是燃烧室。汽缸孔膛下面是开着的。2 是活塞（见图8·26），它是一个中空的圆筒，上端封闭，外表面上有环形槽，槽内套有弹性很强的钢制活塞环，用来减少活塞往返运动时的磨耗损失，同时增加汽缸和活塞之间的紧密性。汽缸中还有两个气阀，3 是进气阀，4 是排气阀。

(2)将活塞的移动变成机轴转动的装置：

【05】在内燃机的活塞里有活塞销，它通过连杆 5 和曲柄 6、机轴 7 连在一起，这样就能把活塞的往返运动改变成曲轴的转动。曲轴装在曲轴箱 8 内。在它的一端还装有一个飞轮 9。利用飞轮的惯性可以克服曲轴转动的不均匀性。

(3)汽门的自动开闭：

【06】进气阀和排气阀的开闭，是由齿轮 10、11 以及凸轮 12 配合管理的。凸轮的形状象一个桃子，俗称桃子板，它和气阀杆 13 相连接。凸轮轴上装有大齿轮，大齿轮的齿数是小齿轮的两倍，曲轴每转动两周，才使大齿轮轴转动一次，因为活塞上下移动两次，气阀才各打开一次。气门自动开闭的装置如图8·27所示。

【07】图8·25中 14 是火花塞，15 是化油器，16 是水套。这些都是内燃机的附件，将在后面再加说明。

【08】奥托内燃机的工作过程可以分为四个冲程来进行。

【09】第一冲程是吸气冲程。这时曲轴向下转动，带动活塞向下，同时通过齿轮带动凸轮旋转，使凸轮的凸起部分顶开进气阀，让可燃烧的气体（汽油蒸汽和空气混合物）进入汽缸，如图8·28(a)所示。

【10】第二冲程是压缩冲程。曲轴带动活塞向上，凸轮的凸起部分这时已经转了过去，进气阀已经关闭。由于凸轮还只转过 1/4 周，所以排气阀仍是关闭着的，如图8·28(b)所示。活塞向上运动时，压缩第一冲程吸入的可燃气体。气体被压缩后温度可以升到 300℃ 左右。

【11】第三冲程是做功冲程。在第二冲程的最后火花塞发出电火花，混合气体迅速燃烧，温度骤然升高到 1600°C 至 1800°C  。高温高压烟气急剧膨胀，推动活塞向下做功，此时曲柄转动半周而凸轮转过 1/4周，两个气阀仍然紧闭（图8·28(c)）。

【12】第四冲程是排气冲程。由于飞轮的惯性，曲柄转动，使活塞向上运动，这时凸轮顶开排气阀，将废气排出（图8.28(d)）。

【13】四个冲程是内燃机的一个循环。在一个循环中，气体的压强将发生怎样的变化呢？同时气体又是怎样膨胀做功的呢？这可以用 P-V 图来说明：

【14】在吸气冲程中，活塞向下运动同时让气体进入汽缸，这时气体的压强几乎保持不变（在图8·29中用 AB 线表示），在压缩冲程中，活塞向上运动压缩气体，使气体压强逐渐增加，这时活塞对气体做功，消耗了机械能，增加了气体的内能。这个过程我们用曲线 BC 来表示。在压缩冲程终了、做功冲程开始时，气体突然燃烧，压强激增，在这瞬间体积还来不及变化，所以我们把它看作是等容变化，并用 CD 线来表示。气体压强增加后就要作绝热膨胀推动活塞向下做功，同时消耗本身的内能转变为机械功，在这一过程中压强逐渐减小，我们用绝热线 DE 来表示。在做功冲程终了时，排气阀开放，气体压强突然降低，而体积还来不及变化，我们用等容线 EB 来表示。最后是排气冲程，活塞由于惯性作用继续向上运动，同时排除废气，这时压强不变，我们用 BA 线来表示。这样得到的图线叫做奥托循环图线，根据用 P-V 线计算功的方法，我们可以知道面积 BCDEB 代表在一次循环中气体对活塞所做的净功。

【15】从前面所讲的过程中可以清楚地看到，在一个循环中只有第三冲程是动力冲程，即高压气体膨胀做功的冲程，其他三个冲程不但没有做功，还要消耗一部分机械能。这里可以看出飞轮的作用是很大的，它依靠惯性转动带动连杆通过静点，并且还带动活塞完成其他三个冲程。

【16】因为在四个冲程中只有一个动力冲程，所以单汽缸内燃机在工作时要产生不均匀的震动。利用多汽缸组合而成的内燃机就可消除这个缺点。其中每一个汽缸的活塞都能带动机轴转动，只要把各汽缸的做功冲程错开，就可以不用很重的飞轮，或者甚至不用飞轮。汽缸越多，机轴转动得越均匀。图8·30表示八汽缸发动机的示意图。

【17】从内燃机做功的条件来看，可然气体的化学反应是它的能源，造成工质的高温；汽缸活塞是它的工作部分；做了功的废工质排出到大气中以大气作为它的冷凝器。因为可燃烧的混合气体在汽缸内燃烧时所产生的温度很高（约在 1500°C 以上），所以内燃机的效率比蒸汽发动机的效率要高得多。奥托内燃机在工作中，约有 25% 的热量作为有用功，10% 的热量损失于摩擦中，25% 的热量由废汽带走，40% 的热量传给汽缸外的冷却水。因此它的效率一般是在20~30%  。

【18】奥托内燃机的功率大小不一，小的可以小到 1/2 马力，大的可以大到 2500 马力，它的优点是机身小巧轻便，动作迅速，因此被广泛地应用在汽车、飞机、坦克、潜水艇等交通工具和军事设备上。

2、内燃机的四个主要的辅助设备系统

【19】内燃机除了上面所叙述的基本构造外，还有燃料、点火、冷却、润滑四个辅助设备系统。

【20】燃料系统的构造如图8·31所示。化油器是它的主要部分，它的作用是把汽油和空气按一定的比例配制成雾状的混合气体，以供给汽缸作为燃料使用。

【21】点火系统的构造如图8·32所示.它是由蓄电池、线圈、火花塞等部分组成的，火花塞是由齿轮来管理的。它能够按时在汽缸中产生电火花，使压缩的混合气体燃烧爆炸。

【22】冷却系统的构造如图8·33所示。燃料在汽缸中燃烧时，汽缸的温度可以升到 2000℃ 左右，使汽缸壁和活塞发热，以致使机件遭受损坏，因此常常在汽缸外层包有一个水套，使水可以在其中流动。由于水的对流作用，热水上升进入散热器，降温后，再用抽水机将冷水打回至水套，使水循环地冷却汽缸。小型内燃机和少数飞机用的内燃机也常利用空气减热法，设法增加气缸外壳与空气接触的面积，使热量散逸到空气中去。

【23】润滑系统——内燃机的各部分机件，在运动时要相互摩擦，这不但要损耗一部分机械能，而且还要发热使机件遭受损坏，为了防止金属磨损，在内燃机内装有油盘、抽油泵等装置，并由这些装置向机件的各部分输送润滑油涂抹在机件表面，以减小摩擦。

3、狄塞耳内燃机

【24】狄塞耳内燃机是十九世纪末叶由德国工程师狄塞耳所设计的，它的构造原理和奥托内燃机大致相同，所不同的是它将石油或柴油喷进汽缸作为燃料燃烧，而不是用汽油的混合气体作为燃料，同时在压缩冲程中，也不是压缩可燃混合气体，而是单纯压缩空气。图8·34是狄塞耳内燃机构造的示意图。汽缸的右端并没有火花塞，但却装有一个喷油嘴，排气阀、进气阀和喷油嘴都由一个专门的调节轴来控制，调节轴由机轴带动。

【25】狄塞耳内燃机的工作过程也可以分为四个冲程来进行：

【26】第一冲程是吸气冲程。活塞向左运动同时进气阀打开，使空气进入汽缸。

【27】第二冲程是压缩冲程。两个气阀都关闭，活塞向右运动并压缩空气，使它的温度高达500~700℃，超过柴油的着火点。

【28】第三冲程是做功冲程。在压缩冲程结束时，柴油在高压作用下从喷油嘴高速喷入汽缸，雾状液滴与热空气相遇立刻燃烧，由于柴油喷发时间较长，所以燃烧时间也较长，不象奥托内燃机内汽油是骤然爆发燃烧的那样。柴油的燃烧温度可以高达 2000°C 左右，而活塞就在高温高压的烟气作用下向左运动。

【29】第四冲程是排气冲程。活塞向右运动同时打开排气阀进行排气。

【30】狄塞耳内燃机的工作过程也可以用 P-V 图线（图8·35）来表示。吸气过程是在较小的气压下等压进行的，用直线 AB 来表示。在压缩冲程中，气压逐渐上升，用绝热曲线 BC 来表示。在做功冲程开始一段时间内，柴油正在燃烧中，活塞在一定的压强下移动，用 CD 线来表示。等到燃烧停止后，烟气膨胀推动活塞作功，用 DE 线来表示。在排气冲程开始时，排气阀开启，汽缸中的压强又突然降到大气压强，而体积还来不及变化，用 EB 线来表示。在排气冲程中，废气排入大气中，体积逐渐减小，用 BA 线来表示。狄塞耳循环图线 BCDEB 所包围的面积在数值上代表一个循环内所做的净功。

【31】狄塞耳内燃机和奥托内燃机相比有很多优点。首先是它的效率可以高达 30~40%  。理论和实验都指出，如果加大气体压缩比，就可以提高内燃机的效率。所谓压缩比，就是气体进入汽缸后的最大体积，跟被压缩后最小体积的比值（如图8·36）。但压缩比不能过于大，因为它受着其他条件的限制。在奥托内燃机里，被压缩的是汽油和空气的混合气体，如果压缩得太过分，温度会升得太高，这就可能使活塞在还没有达到压缩冲程的终点时就自燃起来。这时活塞本应向上运动，却由于自燃气体的膨胀而向下运动，结果机轮反向转动，产生打倒车的现象，这对机件的损坏是很大的。奥托内燃机的压缩比一般不能超过 4~5。而在狄塞耳内燃机里，被压缩的是空气，压缩比不受液体燃料燃点的限制，因此可以提高到 12~20。但也不宜过高，否则必须采用很笨重的机件才能承受压缩终了时的压强。

【32】其次，狄塞耳内燃机所使用的燃料是价廉的柴油或原油，因此它比使用汽油的奥托内燃机经济。此外，柴油着火点高，不象汽油那样容易引起火灾，储藏也比较方便。柴油机的功率很高，常常可以达到几万匹马力左右。

【33】柴油机的缺点是构造比汽油机笨重，转速较小，振动比较剧烈，起动也慢。从性能来看，它比较适宜于长途运输和负荷大的工作，所以常常被采用在拖拉机、载重汽车、舰船、坦克、潜水艇等上做动力机，而飞机、小汽车、小摩托车等就常常采用汽油机。目前，狄塞耳内燃机已经被广泛地应用在铁路运输上，这种机车叫做内燃机车。它不仅比蒸汽机车经济，而且不需要锅炉烧水，因此特别适宜于使用在缺水的地区。

4、旋转活塞式内燃机

【34】前面我们介绍了三种热机，它们的共同特点在于都是利用气体的膨胀推动活塞在汽缸里作往复的运动，然后通过连杆、曲柄将往复的运动转变为主轴的旋转运动。因为在将移动变为转动时，总是要消耗一部分的能量，所以它们的效率并不高，而且由于必须有曲柄、飞轮等机件，就使得它们的构造复杂，机身庞大笨重，转速不大，以致于在提高速度方面受到很大的限制。这也是它们共同具有的缺点。那么是否有可能将往复式活塞动力机改进一下，使气体膨胀做功，直接推动主轴旋转呢？近几年来经过各国科学家的精心研究，发明了各种各样的旋转活塞式内燃机，它们的形式虽然繁多，但基本的原理却都是相同的，即利用活塞在汽缸内的转动来直接带动转轴运动，这就克服了往复式内燃机所具有的缺点。旋转活塞式内燃机是内燃机发展的方向，目前各种类型的旋转活塞式内燃机正处在试验阶段，还有待于改进。

【35】下面介绍一种最近发表的双旋转四循环活塞式内燃机。图8·37所示的是它的外形。图8·38表示它活塞的简单结构，一个环形的鼓筒两端用盖封闭，筒里有两对旋转活塞，将筒分成四个空间。图8·38上两对活塞是分开来看的。左边一对活塞 A、B 和机轴连在一起，随着机轴而旋转。右边一对活塞 C、D 固定在一个象套筒一样的空心转轴上。套筒的直径比机轴的直径大，它不随着机轴一起转动，却可以在机轴上自由旋转.这两对活塞在汽缸中是套在一起的，利用齿轮和杠杆组成的控制机构来控制它们（至于控制机构的构造，这里不准备作详细的介绍），使这两对活塞能够绕着共同的轴线向同一方向旋转。由于它们的转速分别按照不同的规律变化，因此活塞之间的空间不断地增大或减小，就象往复式发动机中汽缸工作部分的容积在不断地改变一样。每一个空间可以看作是一个汽缸，这样它就成为四汽缸内燃机了。

【36】下面我们进一步来说明在旋转半周时各汽缸工作的情况。

【37】图8·39(a)是汽缸的截面图，打斜线的表示一对活塞 A、B，黑色的表示另一对活塞 C、D，这时活塞 A 和 D 之间的汽缸正处在火花塞点火瞬间，于是被压缩的气体开始燃烧。

【38】图8·39(b)表示气体燃烧后膨胀，竭力推开 A、D 两活塞，使它们之间的汽缸容积变大。A、D 两活塞原先是顺时针旋转的，A 受到气体的推力后，沿顺时针方向加速旋转；而 D 所受到的推力是阻碍它顺时针转动的，于是它的速度减小。这种差速转动都是由控制机构在管理着的。

【39】这时 A、C 两活塞之间的汽缸正和排气管相连进行排气，而与 D、A 相对的 C、B 活塞之间的汽缸却和进气管相连，准备吸气。至于 B、D 之间的汽缸容积正在变小，其间的气体正受到压缩。

【40】图8·39(c)表示在 D、A 之间的汽缸里膨胀做功冲程将要完毕，废气开始沿汽缸壁上的缝槽排气。这时 A、C 之间的汽缸还在排气，C、B 之间的汽缸还在吸气，B、D 之间的汽缸在继续压缩。

【41】图8.39(d)所示的情况是 A、B 活塞转到超前 C、D 活塞最远的位置，D、A 之间的汽缸体积最大。A、C 之间的汽缸排气将近结束，C、B 之间的汽缸吸气也将结束，而 B、D 之间已压缩到最小，并即将点火燃烧推动 D 活塞向前，同时通过控制机构的作用，使活塞 DC 用较大的速度赶上活塞 AB  。将 D、A 之间汽缸中作过功的废气排出。同时又压缩了 C、B 之间汽缸刚吸入的新鲜气体，使活塞转到图89(e)的位置，这时两对活塞恰好转了半周。

【42】从图中可以看出，每个汽缸在鼓形筒里转过一周时，它必定经历两次压缩和两次膨胀的行程，从四个汽缸来看，它们是同时在进行着排气、吸气、压缩、做功四项工作的，在旋转一周的全部时间里，都有做功冲程。这和往复式活塞只有 1/4 时间在做功，就有很大的不同。

【43】旋转活塞式内燃机和往复活塞式内燃机相比，具有很多的优点，根据所发表的数据，这种内燃机与最好的同容积往复式内燃机相比所产生的马力要大 3.6 倍；耗油量却只有它的 1/3；而且体积也很小，平均每一匹马力只重 1/2 公斤多一些；此外发动机的转速范围亦很广，从 60 转/分到 4000 转/分不等。

【44】这种新式内燃机的效率之所以会这么高，是因为膨胀的气体几乎是充分用来做功的。由于进气槽和排气槽很长，不象一般往复活塞式那样只有狭小的排气阀和通道，因此吸气排气通畅。而且它的活塞始终是不倒转的，排气和膨胀气体的运动方向也始终一致。此外，省掉了阀门机构以后，不仅摩擦减少，也省掉了冲开阀门弹簧所消耗的能量。由于传动轴在每转一周中受到四次燃气的推力，所以它转得十分均匀而平稳。因此旋转活塞式内燃机是内燃机改进发展的方向。

习题8-6

1、奥托内燃机的主要构造有哪些部分？

2、试述奥托内燃机工作中的四个冲程。

3、狄塞耳内燃机和奥托内燃机的工作过程有什么不同？两种内燃机各有什么优缺点？它们应用的场合为什么不一样？

4、内燃机有哪些辅助设备系统？

5、旋转活塞式内燃机和往复式内燃机相比较有些什么优点？