內(nèi)燃機發(fā)展簡史

1、2內(nèi)燃機構(gòu)造 第1章緒論教學提示：緒論主要使學生概括地認識內(nèi)燃機。教學要求：本章主要了解常見的動力裝置種類、內(nèi)燃機的發(fā)展簡史和應(yīng)用領(lǐng)域。1.1熱機當今，機械設(shè)備運行的動力絕大多數(shù)來源于熱機，熱機全稱熱力發(fā)動機，是將熱源的部分熱能轉(zhuǎn)化為機械能的機器。熱源可以是燒煤的蒸汽爐，汽車發(fā)動機的燃燒室，也可以是太陽能的蒸汽爐，地熱和核反應(yīng)堆。根據(jù)燃燒器位置的不同，熱機分為內(nèi)燃機和外燃機兩類：(1)外燃機是燃料在發(fā)動機外部燃燒產(chǎn)生熱，熱能通過工質(zhì)帶入機內(nèi)，再轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能，如蒸汽機和汽輪機等，蒸汽機已淘汰，汽輪機用于火電廠與核電站驅(qū)動發(fā)電機；(a)蒸汽機圖1.1外燃機(2)內(nèi)燃機是燃料在發(fā)動機內(nèi)部燃燒，工質(zhì)被

2、加熱并膨脹作功，熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能，它是移動機械和小型電站的最主要動力。廣義上的內(nèi)燃機包括往復活塞式內(nèi)燃機、旋轉(zhuǎn)活塞式發(fā)動機、自由活塞式發(fā)動機和旋轉(zhuǎn)葉輪式的燃氣輪機、噴氣式發(fā)動機等，但通常所說的內(nèi)燃機是指往復活塞式內(nèi)燃機，又以其中的汽油機、柴油機應(yīng)用最為廣泛，其保有量大大超過了任何其它種類熱機，本書主要介紹汽油機、柴油機的構(gòu)造。與其它熱機相比，內(nèi)燃機有如下優(yōu)點：內(nèi)燃機的工質(zhì)在循環(huán)中的平均吸熱溫度高，熱效率一般達到30-46%，是熱機中效率最高的一種；功率覆蓋0.59kW4X10%W,轉(zhuǎn)速范圍90r/min10000r/min，故適用范圍寬廣；結(jié)構(gòu)緊湊，比重量(內(nèi)燃機重量與其標定功率的比值)較小，

3、便于移動；起動迅速，操作簡便，機動性強；運行維護比較簡便。但也存在缺點：對燃料要求高，主要燃用汽油或輕柴油，且品質(zhì)要求高，不能直接燃用劣質(zhì)燃料和固體燃料；由于間歇換氣以及制造上的困難，單機功率的提高受到限制；低速運轉(zhuǎn)時輸出轉(zhuǎn)矩較小，往往不能適應(yīng)被帶負荷的轉(zhuǎn)矩特性；不能反轉(zhuǎn)，故在許多場合下需設(shè)置離合器和變速機構(gòu)；一般熱力發(fā)動機都存在“公害”，而內(nèi)燃機的噪聲和排氣中的有害成分對環(huán)境污染尤其突出。(a)柴油機(c)燃氣輪機(b)三角轉(zhuǎn)子發(fā)動機燃燒室(d)噴氣式發(fā)動機圖1.2內(nèi)燃機另外，相對于熱機中燃料的燃燒，燃料還可直接轉(zhuǎn)換為電能，即燃料電池，再用電動機驅(qū)動機械運轉(zhuǎn)，這種方式高效、無污染，但成本很高

4、。1.2內(nèi)燃機發(fā)展簡史人類先是利用人力、蓄力、風車、水車等自然力，18世紀后熱力發(fā)動機才逐步得到大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用。1673年，荷蘭的惠更斯設(shè)計出如圖1.3所示的內(nèi)燃機草圖，少量的火藥在氣缸里燃燒,提升活塞，當氣體冷卻時，大氣壓力便將活塞向下推，進行做功沖程，雖因火藥燃燒難以控制沒有研制成功，卻導致了蒸汽機的誕生，促成了歐洲的工業(yè)革命。但蒸汽機熱效率低、結(jié)構(gòu)笨重、移動不便和操作麻煩等，這促使人們繼續(xù)去開發(fā)更小、更實用且效率更高的發(fā)動機。1794年，英國人斯特里特提出從燃料的燃燒中獲取動力，并且第一次提出了燃料與空氣混合的概念。1833年，英國人賴特提出了直接利用燃燒壓力推動活塞作功的設(shè)計。之后人們

5、又提出過各種各樣的內(nèi)燃機方案，但在十九世紀中葉以前均未付諸實用。1860年，法國的勒努瓦模仿蒸汽機的結(jié)構(gòu)，制造了第一臺實用的煤氣機。這是一種無壓縮、電點火、使用照明煤氣的內(nèi)燃機，這臺煤氣機的熱效率為4%左右。A圖1.3惠更斯繪制的內(nèi)燃機方案英國的巴尼特曾提倡將可燃混合氣在點火之前進行壓縮，隨后又有人著文論述對可燃混合氣進行壓縮的重要作用，并且指出壓縮可以大大提高勒努瓦內(nèi)燃機的效率。1862年，法國科學家羅夏對內(nèi)燃機熱力過程進行理論分析之后，提出四沖程工作循環(huán)的理論。圖1.4尼古拉斯奧托圖1.5奧托1876年試制的發(fā)動機1876年，德國發(fā)明家奧托創(chuàng)制了第一臺往復活塞式、單缸、臥式、3.2千瓦的四

6、沖程內(nèi)燃機，它以煤氣為燃料，采用火焰點火，轉(zhuǎn)速為156.7轉(zhuǎn)/分，壓縮比為2.66，熱效率達到14%，運轉(zhuǎn)平穩(wěn)。在當時，無論是功率還是熱效率，它都是最咼的。1881年，英國工程師克拉克研制成功第一臺二沖程的煤氣機，并在巴黎博覽會上展出。奧托內(nèi)燃機得到推廣，性能不斷提高。1880年單機功率達到1115千瓦，到1893年又提高到150千瓦。由于壓縮比的提高，熱效率也隨之增高，1886年熱效率為15.5%,1897年達到2026%。隨著石油的開發(fā)，比煤氣易于運輸攜帶的汽油和柴油引起了人們的注意，1883年，德國的戴姆勒制造出第一臺燃用汽油的立式汽油機，當時，其他內(nèi)燃機的轉(zhuǎn)速不超過200轉(zhuǎn)/分，它卻一

7、躍而達到800轉(zhuǎn)/分，因而機器輕了很多，特別適應(yīng)交通運輸機械。18851886年，德國人本茨和戴姆勒發(fā)明了以汽油機為動力的汽車，汽車的發(fā)展又促進了汽油機的改進和提高。不久汽油機又用作了小船的動力。德國工程師狄塞爾受面粉廠粉塵爆炸的啟發(fā)，設(shè)想將氣缸中的空氣高度壓縮，使其溫度超過燃料的自燃溫度，再用高壓空氣將燃料噴入氣缸，使之自燃著火燃燒，于1892年獲得壓縮點火內(nèi)燃機的技術(shù)專利。圖1.6魯?shù)婪虻胰麍D1.4狄塞爾1906年造的柴油機1897年制成了第一臺壓縮點火的內(nèi)燃機。最初，狄塞爾力圖實現(xiàn)奧托循環(huán)，以獲得最高的熱效率，但實際上做到的是近似的等壓燃燒，其熱效率達26%。壓縮點火式內(nèi)燃機的問世，引起

8、了世界的極大興趣，也以發(fā)明者而命名為狄塞爾發(fā)動機。這種內(nèi)燃機以后大多用柴油為燃料，故又稱為柴油機。1898年，柴油機首先用于固定式發(fā)電機組，1903年用作商船動力，1904年裝于艦艇，1913年第一臺以柴油機為動力的內(nèi)燃機車制成，1920年左右開始用于汽車和農(nóng)業(yè)機械。在往復活塞式內(nèi)燃機發(fā)展的同時，人們也在研究制造旋轉(zhuǎn)式活塞的內(nèi)燃機，提出了各種各樣的旋轉(zhuǎn)式內(nèi)燃機的結(jié)構(gòu)方案，但未獲成功。1954年，聯(lián)邦德國工程師汪克爾解決了密封問題，并于1957年研制出三角旋轉(zhuǎn)活塞發(fā)動機。它具有近似三角形的旋轉(zhuǎn)活塞，在特定型面的氣缸內(nèi)作旋轉(zhuǎn)運動，按奧托循環(huán)工作，被稱為汪克爾發(fā)動機。這種發(fā)動機功率高、比質(zhì)量小、振動

9、小、運轉(zhuǎn)平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)簡單、維修方便，但由于燃料經(jīng)濟性較差、低速扭矩低、排氣性能不理想，加上專利原因，所以只在賽車和軍用等較少領(lǐng)域有應(yīng)用。1926年瑞士人A.J.伯玉希第一次設(shè)計了帶廢氣渦輪增壓器的增壓發(fā)動機，50年代后市場上才普及生產(chǎn)增壓內(nèi)燃機，此后增壓技術(shù)得到了迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用。20世紀60年代后期內(nèi)燃機電子控制技術(shù)誕生，通過70年代的發(fā)展,80年代趨于成熟，隨著人類進入電子時代,21世紀的內(nèi)燃機也將步入“內(nèi)燃機電子時代”。第1章緒論起5第1章緒論起5 #20世紀50年代發(fā)現(xiàn)的汽車排氣污染和70年代出現(xiàn)的世界石油危機，促使內(nèi)燃機技術(shù)的研究轉(zhuǎn)向高效節(jié)能及開發(fā)利用潔凈的代用燃料，以汽油機和柴油機

10、為基礎(chǔ)，開發(fā)了很多以天然氣、液化石油氣、甲醇、乙醇、合成汽油、合成柴油、二甲醚和氫氣等為燃料的代用燃料發(fā)動機。1.3內(nèi)燃機的應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)燃機熱效率高、功率范圍大、適應(yīng)性好，已廣泛應(yīng)用于交通運輸業(yè)、工農(nóng)業(yè)和軍事裝備等領(lǐng)域。1）汽車與機車內(nèi)燃機是轎車、商用車和摩托車的主要動力，電動車、混合動力車雖發(fā)展較快，但商業(yè)上的規(guī)模應(yīng)用還有待時日；內(nèi)燃機現(xiàn)在也仍是鐵路機車的主要動力。2）航空燃氣輪機和噴氣式發(fā)動機幾乎是民航飛機和軍用飛機的唯一動力裝置。優(yōu)點：重量輕，尺寸小，結(jié)構(gòu)簡單，扭矩特性好，振動小及排氣中有害氣體少。缺點：熱效率低，燃料消耗高。私人飛機、教練飛機、直升飛機和其它輕型飛機則使用往復式內(nèi)燃機。3）工程機械起重機、挖掘機、壓路機、鏟車等工程機械、礦山和建筑機械大多用內(nèi)燃機作動力，自行式工程機械則全部采用柴油機、汽油機作動力。4）船舶內(nèi)河船舶全部采用柴油機作動力，在遠洋海輪方面大型低速柴油機也是主要動力，原因是最經(jīng)濟。5）農(nóng)業(yè)隨農(nóng)業(yè)機械化的飛速發(fā)展，拖拉機和農(nóng)田作業(yè)機械、排灌機械、農(nóng)副產(chǎn)品加工機、中小漁船和林牧機械都大量使用內(nèi)燃機作動