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1、内燃机发展的远景活塞式内燃机具有经济性高、紧凑、重量轻和 一系 列其他的优点,从 而决定了它在动力装置中,特别是在各种型式的运输工具?飞机除外?中得到极其广泛的应用。但是与此同时,内燃机也具有一 系列 的缺点,其 中有一些缺点只是这种发动机所具有?如排气毒性、运转噪声等?,另一 些缺点则是所有热机都具有的。尽管在寻求不具有上述缺点的其他类型发动机方面开展了广泛的科学研 究工作,但是直到目前为止还没有提出能够完全代替内燃机的动力,特别是代替 运输用内燃机的 动力。因此,可以推测,在最近若干年? ? 一 ? ?年?内燃机不仅将继续应用 于 国民经济各个部门,而且其应 用范围还要不断扩 大。当然,由
2、于上述原 因以及由于对周 围介质污染限制的必要,科学研究和设计工作必须致力于达到以下 目的?一 方 面是改进内燃机、减少其缺点?另 一方面则 是寻求在使用及 生产指标方面超过内燃机的新型动力装置。这种研究工作还 应该和 限制迅速消耗的液体石 油类燃料资源相联系。进一步改进现代内燃机的全部课题可以分成相 互 联系 的两 大类?生产方面 的课题和使用指标方面的课题,而 且这 两者可用 相应 的组织技术措施?例如减小内燃机的平 均使用指标和技术上已达到的指标之间的差异?达到很大 的经济效果 和显著降低排气的毒性。生产 方面 的 课题内燃机生 产方 面的科研 方向由改进与降低排气 毒 性 有关的 工作
3、指标、提高平均有效压力?提高发动机单位重量 和单位体积利用率的指标?和降低油耗?经营费用 的主要项目之 一?来决定,在运输用动力装置 的情况下还要考虑自动操纵性。工作指标的改进可以通 过寻求降低毒性的方法、进一步强化发动机工作过程的方 法、建立新的比较完善的结构、利用新的结构材料和 改进强度计算的方法以及 改进决定发动机寿命和 工作可靠性的 生产工艺来达到。长远课题的科研工作可以分为两类?改进传统型式内燃机的工作指标的研究和新的工作循环与原 则上为新型式内燃机的研究。改进传统型 式 内燃机的工 作指标的研究属于第一类 的科研工作是?靠改进充气、混合气形成和燃烧?其 中包括不稳定工况的燃烧?过程
4、来消除排气毒性的研究。同时也要在实现电子自动控制棍合气组分、利用高效率排气净化器方面进行研究,同样也应在科学组织运行?经常检查发 动机的调节和使运行工况合理化?方面进行研究。利用气体燃料?液化 和压缩气体?可以显著降低排气毒性,这就决定了在建立完善的气体燃料供油装置方 面?其中包括压缩气体的容器?必须进行科研工作和设计工作。在作为燃料使用氢和作为氧化剂使用氧的 方面也 必须进行研究工作,因为由水蒸汽 和燃料或氧化剂的剩余物 所构成的燃烧产物是无毒的。将来,在掌握了热核能以后,获得足够数量 的氢和氧是没有困难的。但是,在地面运输工具中使用易爆燃料组分未必没有危险,看来必须寻求以氢?氮或其他化合物
5、?为基础的燃料。对于特种用途的内燃机,在利用火箭燃料,?万?的可能性方面也应该进行研究。内部混合气形成压燃式发动机?柴油机?的工作过程的 强化,内仍是使用增压?组合式发动机?和提高转速。显然,到?年,将达到? ? ? ?一? ? ?转?分,平均有效压力将达? ? ? ? 公斤?厘米么,总的趋势是?在最近儿年批量生产的 内燃机的转速油耗将为? ?克? 有效马力小时 左右。内部混合气形成发动机 的科研工作也必须集中在这方面搞。在 这里首先应该指出,必须制定更合理的组合式发动机方案,选择机组数目和增压级数、利用动力涡轮机、冷却增压空气,以及进一步完善组合式发动机的工作循环的计算方法和使活塞式与叶片式
6、发动机的工作特性相协调,最后一点特别重要。在研究组合式发动机工作循环各个过程方面,要特别注意研究复杂的空气供给系统中气体交换的 问题,因为强化速度工况会加剧进排气系统中的动力效应。必须继续研究各种类型燃烧室中的充气运动,使速度场与喷 油的火焰前锋相 协调,以改善热量利 用和控制燃烧过程。对改善柴油 机供油装置提高向各缸分配燃油的准确度、提高高速时工作的稳定性和寿命,也必须予 以特别注意。这 里 还必须指出,在研制多种燃料 内燃机 的供油系统方面还有些问题没有解决。必须使改进调 节原 理及机构的任务和 组合式发动机的供油及供气相协调,这也 属于改善供油装置的课题,这种必要性特别尖锐地反映在运输用
7、内燃机的过渡不稳定工况 上。在此 工况下,调节所需的准确性,看来只有在利用电子电路的情况下才能得到保证,所以在这方面 也要进行研究。进行科研 工作还必须从提高组合式发动机组成部分的叶片式机器?涡轮机和压缩机?的指标为目的。这一点可由继续提高增压 压力以及 改进组合式发动机的扭矩特性来达到,后者与实现活塞式 内燃机曲轴和叶片式机器轴之 间的传动相 联系。内部混合气形成发动机的使用范围的进一步扩大及机器制造业的成就决定了必须对这类发动机的新的布置在计算和设计方面进行深入的研究。与外部混合气形成发动机不 同,研制转子活塞式柴油机的合理性值得怀疑。但与此 同时对研制?形和结构更复杂的发动机,如对中速多
8、列星形发 动机、船用无连杆发动机的兴趣很大。应 该指出,要想 进一步强化 压燃式发动机的 工作过程,还必须进一步研究润 滑 油及其有效的添加剂,因为没 有它,在热负荷和机械负荷很高的条件下,发动机不可能可靠地运转和耐久使用。强度方面的研究由于现代内燃机转速的提高,特别是在热力循环 参数?气缸中气体的最高和平均压力和温度?方面 的不断强化,主要零部件和 机械应力也随之增加。在现代废气涡轮增压内燃机中热负荷和机械负荷的水平增加得如此之大,以致在目前内燃机制造业实际使用的材料条件下,每当进一步增加其工作过程的参数,便要求增加一个或常常是几个主要零件的承载能力,所以这就需要进行大量的工作。而 以前 在
9、这方面是没有要求的。因此,已有的发动机许多零件的强度?首先是应力?计算方法在以前并没有引起异议,因为没有这种 方法也可以应付过去。然 而现在,当强度 计算方法在设计高强度结构时有助于缩短非常繁重的实验时间和减少昂贵的实验费用 的情况下,却发现,在 设计者和研究者手中掌握的大部分零件?曲轴可能除外?却没有足够有效的可靠的强度计算方法。问题的复杂性与发动机强度的一系列 计算有关。决定任何一个受热负荷的零件的应力时,首先要确定零件的温度状态?以评定材料的温差应力和物理机械性能?。因此,要想强化发动机,必须确定发动机 主要零部件的温度状况,这已成为迫切需要解决的问题。通常,在实际中需要解决形 状相 当
10、复 杂的,如活 塞、气缸盖等零件的导 热 问题。此时,所得结果 的准确性在许多情况下由选择表面的边界条件的可靠性 来决定。对象活塞这样的发动机零件来说,这是 一项 很复杂的课题,比以后确定温度场要复杂得多,因为此时不得不和 活塞 及气缸中气体之 间的不稳定的热交换、气体漏过活塞 环的 热交换等非常复杂晰清况发生关系,并要评定活塞环、活塞裙和气缸摩擦有关 的 加 热 问题。这 里要指出,尚需利 用各种近代化测量手段,如金属薄膜电阳 温度计,对局部的热流 进行大量的实验测定工作,对运转中的发动机的活塞环进行高温测量。在计算发动机零件的温度场时,可采用有限差法,也可以采用有限元素法。由于?述 方法
11、的通用 性,它们比电模拟法用得普遍。应该指出,从将已编制好的程 序用在内燃机零件上的意义来说,上述课题并不是完全陈腐的。例如,对复杂的零件,如具有明显 的温度场空间性质的气缸盖,考虑 到现有电子 计算机储存器的容量有限,建立确定温度的数字算法是件很复杂的事情。在强度计算方面也正在研究新的方法。应该指出,从许多技术部门?火箭技 术、航空等?现有的计算水平来看,在内燃机方面 的某些新研究似乎是相当简单的或者是重复几年前在其他部门己经 用过 的。但这并不应该 也不 能排除活 塞式内燃机强度计算发展 的个别 阶段,因为不在弹性领域内研究计算的话,很难有希望在塑性领域内获得活塞的有效计算。因此,需要加速
12、这种研究。考虑 到上 述原 因,应该承认在 内燃机中发展利用弹性理论的成就以及随后由此过渡到弹性以外的计算方法是合理的,而不象以前那样只发展材料力学 理论的基本方法。最终引起零件破 坏的集中区的局部应力的 计算 占有明显 的地位。在 这方面?在 曲轴计算上已经 取得一定的结果,而在象气缸盖、活塞、气缸套这样的零件以及连杆,尚有许多工作要做。除了以弹性理论为基础建立的近 似解析解法外,现在正在大力使用数值计算法。例如象气门、四冲程发动机气缸套、活 塞顶 这样的零件的计算可归 为轴对称问题近似地解出,而不必使用材料力学理论的某些定义。采用网络法?,?江。? 。劝和有限元素法 可 以使我们不论在弹性
13、领域内还是考虑可能的塑性变形均能获得答案。应 该指出,有成效利用平面及轴线对称的解算法并不是 说拒绝建立 强度方面?首先是对内燃机受热应力零件?的三 维解算法。在某些情况下,例如对气缸盖的底面、某种型式的连杆等来说,可将确定应力的计算归结为弹性理论的平面计算和 利用解析函数理论装置?穆斯赫利 什 维利法或数值法、网络法 和有限元素法?。这类工作在苏联及其他国家的许多组织中也 正在进行?例如莫斯科包曼高等工业学校、列宁格勒加里宁工 业大学、苏联汽车研究所、克洛缅工厂等?。广泛采用数值法并不排除在建立可以得到解析解法 方面进一步开 展研究工作,因为这种解法总是我们所希望的,特别是对估 算尤其如 此
14、。最近,在各个技术领域内其中包括内燃机,对在不稳定的力和温度的作用下所使用的结 构部件的强度问题予以很 大 的注意。发动机 的起动和停车、运转中经常改变负荷从全员荷到怠速?运输用发动机、船用发动机渔船、破冰船、特种发动机?,将造成非等温的热负荷作用 的条件。此时,不论是总的应力和最高温度,还是循环形式及其随时间的变化都是相当 重要的。在此条件下,一般可能见 不到普通的疲劳,因为在内燃机现实结构中其宏观循环数在使用期内很少超过几 万个。这样的工作条件与热疲劳条件非常符合?例如对耕地用的拖拉机发动机,这种循环 的数目到 大修期约为?火?少?。当热循环伴随有重复的塑性变形时,破 坏便开始了。在 内燃
15、机零件受热应力的一系 列情况下,蠕变对热疲劳过 程产生 重大的影响。由于考虑到了内燃机零部件强度方面的试验和 计算的研 究成果及其迅速发展,在力和温度反复作用条件下的局部应力和变形方面制定内燃机 主要零部件强度的评定方法在现在是非常重要的。据我们所 知,这 个 问题对动力机械制造业的大部分部门来说是个共同性的问题,而且由于非常复杂又是 远远 没有解 决 的 问题。特别是考虑 到 了在内燃机 的传统材料?如铸铁?方面在苏联文献中发表 的资料很少,这个问题在 内燃机领域内尤其尖锐。因此,有必要对较常用的几种铸铁和一系 列合 金的物 理 机械性能和在较高温度条件下 的性能进行仔细 的研究。新循环和新
16、 型 内燃机的 研究第二类的研究课题是?其他类型内燃机?无连杆式内燃机等?的研究,特别是外部混合的转子活塞发动机的研究,这种发动机已在国外得到广泛 的应用。再有,在 寻求利用 闭式循环 的可能性方面与研制按新循环 工作的发动机方 面进 行研究。这些 工作包括外部供热 的发动机 和循环的研究以及供油部件的研究。应该弄清是否能用其他型式的发动机代替 和补充内燃机。对外部供热发动机如斯特林循环发 动机的兴趣正在 增长,其原 因是这种发动机具有如下优点? 毒性很小、噪音低、机体没有振动,?可 靠 性高、寿命长 而 且能够承受高达? ?的短时超 负荷?不仅在 全负荷而且在部分负荷时可以达到较高的经济性,目前 试验用斯特林发动机的热效率已达? ?,即不低于柴油机的热效率,但大大高于汽化器式发动机 的热效率。而且斯特林发动机的热效率可提高到? ? ?,这一点可用该循环的特点来解释?可以使用各种热能源。在斯特林发动 机上可以使用蓄热器、放射性同位素装置、原 子反应堆、液体燃料和固体燃料燃烧室,? 实际上不消耗润 滑剂,减少了保养方面 的劳动量。现在,在西欧
