内燃机的发展史

内燃机简明发展史

内燃机作为一种动力机械，在现代社会中发挥着重要作用，几乎所有的汽车都是以内燃

机作为动力的（虽然现在有电动车，有混合动力车，但绝大部分动力还是靠内燃机），大部

分火车、轮船都是以内燃机为动力。内燃机有着久远的历史，现在内燃机广泛应用于航空、

交通、农业、军事、机械等各个部门/领域，在世界经济发展中发挥着重要的作用。

人类的技术发明史告诉我们，任何一项成功的发明都不是一跳而就，一成功就达到尽

善尽美的，内燃机的发展史也是这样。内燃机经历了一个有一个发展阶段，一次又一次的改

进，现在越来越焕发出他的生机。

瓦特制造第一台蒸汽机

瓦特1769年取得第一项关于制造蒸汽机的专利，之后，他仍不断研究与改进。

图1 瓦特和他的蒸汽机

直到1781一1784年制成双作用蒸汽机，才算基本完成了蒸汽机的发明。瓦特之后，蒸汽机

又经过多次较大的改进，历时100多年，才使其日臻完善。蒸汽机的改进，基本上是在不断

发展的热力学理论的指导下，沿着提高蒸汽压强、多级分段膨胀和增加转速的方向进行的。

第一次改进以1802年英国工程师特里维西克制成的“高压蒸汽机”为标志。他通过改进锅

炉，使蒸汽压强从瓦特蒸汽机的0.8个大气压提高到3.5个大气压。第二次大改进是英国工

程师沃尔夫于1816年制成的“复合式蒸汽机”，它比瓦特蒸汽机节省1/2燃料，机械效率(即

转变为机械功的能量与消耗的总热能的比)达到7。又经过第三、第四、第五次大改进，到

20世纪初，蒸汽压强已达20个大气压，机械效率提高到23%，功率超过2400马力。直到

20世纪20年代以后，内燃机和汽轮机迅速发展起来，蒸汽机才逐渐被取代。在蒸汽机不断

改进和发展的历程中，人们也越来越深刻地认识到蒸汽机的“天然”不足:蒸汽机必须有锅

炉，体积庞大、笨重，机动性很差；热能要通过蒸汽介质再转化成机械功，效率很低……这

些缺点都与燃料必须在汽缸外部燃烧一一“外燃”有关。所以，早就有人开始研究把“外燃”

改为“内燃”，—把锅炉和气缸合而为一，省掉蒸汽介质，让燃气燃烧膨胀的高压气体直接

推动活塞做功—这就是内燃机。

1860年前后，有关内燃机的发明设想很多，但大都未能解决实用性的问题。这是因为

当时对内燃机工作原理的研究很少，缺乏理论指导；另外，当时也缺少能在气缸内迅速燃烧

的燃料。1862年，法国人德罗夏公布了他的内燃机理论。提出了提高效率和经济性能的条

件:点火前要升压，燃烧后要迅速膨胀到最大膨胀比。他还提出了四冲程内燃机的工作流程:

活塞下移，进燃气；活塞上移，压缩燃气；点火，燃气迅速燃烧膨胀，推动活塞下移做功；

活塞上移排出废气。这是德罗夏对内燃机理论做出的贡献，可惜他没有制造出内燃机。

Lenoir的煤气机和奥托的内燃机

1824年Sadi Camot 发表了热力机的基本理论——卡诺原理。1860年，法国人Lenoir

制造出了第一台商用煤气机，但由于没有压缩冲程，其热效率只有4%左右。1876年，德国

人Nicolaus Auguet Ouo与Langen合作，制造出四冲程煤气机，热效率是Lenoir制造的煤气

机的4倍，即热效率达6%。现在，这个是被人们公认的世界上第一台真正意义上的内燃机。

奥托（即Nicolaus Auguet OuolausAugust）是德国工程师。1861年，他制成了第一台煤

图2 奥托发明的内燃机

气内燃机。3年后与兰根合作研制成改进发动机，并于1867年在巴黎博览会上获得金奖。

1876年奥托制成第一台四冲程内燃机，这是第一台可以替代蒸汽机的实用内燃机。奥托内

燃机结构小巧紧凑，性能稳定可靠，转速为80一150转/分，机械效率为12%一14%，重量

功率比为200千克/马力。奥托内燃机通常用汽油做燃料，故也称为汽油机。1859年，美国

打出了第一口油井。从此，石油工业很快发展起来，汽油和柴油逐渐成为普通商品，并成为

内燃机发展的物质基础。奥托内燃机诞生以后，在17年中共制造、销售出5万多台。

戴姆研制出定容内燃机

1885年，德国人戴姆勒按奥托机原理研制出定容内燃机，利用他发明的表面汽化器形

成的汽油雾为燃料，转速可达800转/分，压缩比达3:1。提高压缩比，意味着发动机将有更

大的推动力，同时，定容内燃机的转速也得到相应的提高，这种依据热力学定律制成的内燃

机迅速得到了广泛的使用。

图3 二冲程定容内燃机的工作循环

德国人本茨发明内燃机

本茨于1879年12月31日制造出第一台单缸煤气发动机（转速为200转/分，功率约为

0.7千瓦）。不过，这台发动机并没有使奔驰摆脱经济困境，他依然面临着破产的危险，生

活十分艰苦。但是，清贫的生活并没有改变本茨投身发动机研究的决心，经过多年努力，1886

年1月29日，卡尔·本茨发明了第一辆不用马拉的三轮车，现保存在慕尼黑的汽车博物馆。

奔驰汽车公司获得汽车制造专利权，正是这一日子，被确认为汽车的生日。（本茨没有工场、

没有资金，他的妻子就变卖了嫁妆和首饰。经过几年饿肚子拼命地工作，他一改再改设计方

案，组装发动机，得到了皇家摄影师比勒的资助，改进了奥托四冲程发动机，终于1886年

1月29日卡尔·本茨试制成功世界上第一辆单缸发动机三轮汽车。）

1886年，德国人本茨(K Benz)又发明了混合器和电点火装置，使汽油机更臻完善。可以

说本茨对内燃机的改进，在当时已经达到非常先进的地步，知道今天，本茨的混合电火花技

术还不过时。而且，本茨有着很好的商业眼光，能够将新发明的内燃机应用于汽车之上，并

申请专利，大力推广。

1893年，本茨研制成功了性能先进的“维克托得亚”牌汽车。它采用本茨专利的3升发

动机，方向盘安装在汽车中部。尽管该车性能先进，但由于价格高达3875马克，因而很少

有人购买得起，成为公司的滞销品。这种在技术上为奔驰带来了极高荣誉的汽车，在经济上

并没有给他多大的好处。后来本茨听从了商人的建议，于1894年开发生产了便宜的“自行

车”（定价2000马克）。这种“自行车”销路很好，在一年时间内就销出了125辆。由于

是世界上第一种批量生产的机动车，因而给奔驰带来了较高的利润。后来，奔驰又对前期生

产的'维克托得亚'牌汽车进行了改进，将车厢座位设计成面对面的18个，它因此成为了世界

上第一辆公共汽车。现在，本茨的创举被认为是叩响了现代文明。足以见得他对内燃机改进

的意义。

图4 卡尔 本茨和他的内燃机驱动三轮车

多缸发动机被发明，内燃机重量功率比提高

为了提高功率和降低重量功率比，工程师们想办法改进内燃机，其中重要的措施就是提

高转速和增加缸数。这一阶段内燃机的转速已达到1500转/分，由此提出的点火、起动、汽

化及冷却等技术问题也逐一得到基本解决。“多缸制”是降低重量功率比的主要技术措施。

先后出现的4缸、8缸直线型，V型排列及12缸、16缸V型排列；使重量功率比逐步降低

到4千克/马力，达到了飞机实用水平。法国人塞甘设计的星形排列风冷飞机发动机，至1920

年其重量功率比达到1千克/马力。

图5 单缸发动机与多缸发动机对比

增压器被发明，内燃机性能再次突破

飞机在高空飞行时由于空气稀薄而供氧不足，严重阻碍了飞机的发展。20年代起，英

国就出现了用空气压缩机向汽油机供气的增压设备，可使气压达到1.5个大气压。30年代末

发明燃气涡轮后，用其驱动增压器，可使气压增至1.6个大气压。增压器的采用，使汽油机

的重量功率比降至0.5千克/马力，功率增至3500马力，转速增至3400转/分，油耗降至0.2

千克/马力·小时，而寿命也从20年代的200小时增至70年代的3000小时。

图6 常用增压器

1956年旋转活塞发动机——革命性的设计

1956年，内燃机发展史上出现了一项革命性的新设计，这就是德国人万克尔(F Wankel)

发明的旋转活塞发动机，也称转子发动机。在万克尔转子发动机中，等边三角形的转子在特

殊形状的气缸中旋转。在转子边和缸体曲线壁之间形成月牙形的燃烧室。转子的3个顶角装

有弹簧和密封片，密封片与缸体内壁永远保持滑动接触和密封。燃烧室的容积随着转子的旋

转而依次增大和缩小。从化油器吸人燃烧室的混合气，随着转子旋转使燃烧室缩小而被压缩，

压缩到最小时火花塞点火，随即推动转子旋转使燃烧室增大……这种发动机直接使输出轴旋

转，大大减小了振动，同时革除了曲轴连杆和配气机构。其零件数减少了40%，重量减轻

了50%，体积小了一半，转速高、功率大、油耗小，因而引起各国重视。目前，由于技术

和成本原因，这种发动机只有在高档汽车上才有应用。

图7 旋转活塞式发动机

内燃机的应用领域

内燃机热效率高、功率范围大、适应性好，已广泛应用于交通运输业、工农业和军事装

备等领域。

1）汽车与机车

内燃机是轿车、商用车和摩托车的主要动力，电动车、混合动力车虽发展较快，但是大

规模应用还有待时日；内燃机现在也仍是铁路机车的主要动力。

2）航空

燃气轮机和喷气式发动机几乎是民航飞机和军用飞机的唯一动力装置。优点：重量轻，

尺寸小，结构简单，扭矩特性好，振动小及排气中有害气体少。缺点：热效率低，燃料消耗

高。私人飞机、教练飞机、直升飞机和其它轻型飞机则使用往复式内燃机。

3）工程机械

起重机、挖掘机、压路机、铲车等工程机械、矿山和建筑机械大多用内燃机作动力，自

行式工程机械则全部采用柴油机、汽油机作动力。而且，随着内燃机的发展，原来效率低下、

重量功率比高的内燃机逐渐退出使用。却而代之的是集成有先进测控设备、更加轻巧，马力

更加大的内燃机。

4）船舶

内河船舶全部采用柴油机作动力，在远洋海轮方面大型低速柴油机也是主要动力，因为

内燃机最经济。柴油/天然气双燃料内燃机、废弃再循环系统等先进设备先进技术在船舶动

力机械中也渐渐开始得到应用。

5）农业

随农业机械化的飞速发展，拖拉机和农田作业机械、排灌机械、农副产品加工机、中小

渔船和林牧机械都大量使用内燃机作动力。内燃机广泛应用于各种农用机械，在农田耕作、

收割、灌溉的方面起着无可替代的动力源的位置。而且内燃机经济实惠，有很好的适应性。

6）军事

陆地上，坦克、装甲车、重武器牵引车又以柴油机为动力；

在轻型舰艇上，柴油机应用占优势。核潜艇、导弹快艇、鱼雷快艇、巡逻艇、扫雷艇、

登陆艇及大部分常规潜艇和军辅船以柴油机为主要动力。只有少数水面舰艇采用柴——燃联

合动力动力装置。

7）备用电站

大型电站中，汽轮机占主导地位，对于备用电站和小型移动电站，柴油发电机组经济性

好，应用广泛。

内燃机未来的发展趋势

一、电子控制技术。人类跨入新世纪的一个重大标志就是“电子技术”的疯狂应用。随

着未来电子技术的进一步发展,内燃机电子控制技术必将会在内燃机工作中取得更大的应用

率。因为，其控制面会更宽,控制精度会更高,智能化水平也会更高，这样就可以取得更高的

工作效率和更好的工作效果。诸如进气，排气阀的精确控制、燃烧室容积和形状变化的控制、

压缩比变化控制、工作状态的机械磨损检测控制等较大难度的内燃机控制将成为现实并得到

广泛应用。

二、内燃机材料改良。内燃机使用的传统材料是钢、铸铁和有色金属及其合金。在内燃

机发展过程中，人们不断对其经济性、动力性、排放等提出了更高的要求，从而对内燃机材

料的要求相应提高。根据以后对内燃机的功能需求分析，对内燃机材料的要求主要集中在绝

热性、耐热性、耐磨性、减摩性、耐腐蚀性及热膨胀小、质量轻等方面。与内燃机传统材料

相比，陶瓷材料具有无可比拟的绝热性和耐热性，陶瓷材料和工程塑料(如纤维增强塑料)具

有比传统材料优越的减摩性、耐磨性和耐腐蚀性,其比重与铝合金不相上下而比钢和铸铁轻

得多。因此,陶瓷材料(高性能陶瓷)凭借其优良的综合性能，在如今得到了广泛应用。工程塑

料也可用于许多内燃机零件，如内燃机上的各种罩盖、活塞裙部、正时齿轮、推杆等，随着

工艺水平的提高及价格的降低,未来工程塑料在内燃机上的应用将会与日俱增。综合内燃机

的各种材料，为扬长避短，在新材料的基础上又开发出了以金属、塑料或陶瓷为基材的各种

复合材料,并开始在内燃机上逐渐推广使用。

三、低能耗，低污染的新型内燃机。由于世界石油危机和发动机尾气对环境的污染日益

严重，未来内燃机技术的研究极有可能转向设计高效节能型内燃机及开发利用洁净的代用燃

料。因此未来发展结果可能是以汽油机和柴油机为基础进行改造或重新设计，或者是开发以

天然气、液化石油气和氢气等为燃料的新型气体发动机。

四、燃机制造技术。随着未来科学技术的不断发展，人类生产制造技术必然会取得很大

的发展。然而内燃机的发展水平是取决于其零部件的发展水平，并且内燃机零部件的发展水

平，是由生产制造技术等因素来决定的。也就是说，内燃机零部件的制造技术水平，对主机

的性能、寿命及可靠性有决定性的影响。同样制造技术与设备的关系也是密不可分的，每当

新一代设备或工艺材料研制成功，都会给制造技术的革新带来突破性的进展。进入新世纪后，

科学技术的发展会异常迅猛,新设备的研制周期将越来越短，因此新世纪内燃机制造技术必

将形成迅速发展的局面。

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