《火車的故事》內(nèi)燃機(jī)

《火車的故事》內(nèi)燃機(jī)內(nèi)燃機(jī)是一種動(dòng)力機(jī)械，它是通過使燃料在機(jī)器內(nèi)部燃燒，并將其放出的熱能直接轉(zhuǎn)換為動(dòng)力的熱力發(fā)動(dòng)機(jī)。廣義上的內(nèi)燃機(jī)不僅包括往復(fù)活塞式內(nèi)燃機(jī)、旋轉(zhuǎn)活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)和自由活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)，也包括旋轉(zhuǎn)葉輪式的燃?xì)廨啓C(jī)、噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)等，但通常所說的內(nèi)燃機(jī)是指活塞式內(nèi)燃機(jī)。活塞式內(nèi)燃機(jī)以往復(fù)活塞式最為普遍?；钊絻?nèi)燃機(jī)將燃料和空氣混合，在其氣缸內(nèi)燃燒，釋放出的熱能使氣缸內(nèi)產(chǎn)生高溫高壓的燃?xì)狻Ｈ細(xì)馀蛎浲苿?dòng)活塞作功，再通過曲柄連桿機(jī)構(gòu)或其他機(jī)構(gòu)將機(jī)械功輸出，驅(qū)動(dòng)從動(dòng)機(jī)械工作。內(nèi)燃機(jī)的發(fā)展歷史活塞式內(nèi)燃機(jī)自19世紀(jì)60年代問世以來，經(jīng)過不斷改進(jìn)和發(fā)展，已是比較完善的機(jī)械。它熱效率高、功率和轉(zhuǎn)速范圍寬、配套方便、機(jī)動(dòng)性好，所以獲得了廣泛的應(yīng)用。全世界各種類型的汽車、拖拉機(jī)、農(nóng)業(yè)機(jī)械、工程機(jī)械、小型移動(dòng)電站和戰(zhàn)車等都以內(nèi)燃機(jī)為動(dòng)力。海上商船、內(nèi)河船舶和常規(guī)艦艇，以及某些小型飛機(jī)也都由內(nèi)燃機(jī)來推進(jìn)。世界上內(nèi)燃機(jī)的保有量在動(dòng)力機(jī)械中居首位，它在人類活動(dòng)中占有非常重要的地位?；钊絻?nèi)燃機(jī)起源于用火藥爆炸獲取動(dòng)力，但因火藥燃燒難以控制而未獲成功。1794年，英國人斯特里特提出從燃料的燃燒中獲取動(dòng)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(dòng)活塞作功的設(shè)計(jì)。之后人們又提出過各種各樣的內(nèi)燃機(jī)方案，但在十九世紀(jì)中葉以前均未付諸實(shí)用。直到1860年，法國的勒努瓦模仿蒸汽機(jī)的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)制造出第一臺(tái)實(shí)用的煤氣機(jī)。這是一種無壓縮、電點(diǎn)火、使用照明煤氣的內(nèi)燃機(jī)。勒努瓦首先在內(nèi)燃機(jī)中采用了彈力活塞環(huán)。這臺(tái)煤氣機(jī)的熱效率為4%左右。英國的巴尼特曾提倡將可燃混合氣在點(diǎn)火之前進(jìn)行壓縮，隨后又有人著文論述對(duì)可燃混合氣進(jìn)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(jī)的效率。1862年，法國科學(xué)家羅沙對(duì)內(nèi)燃機(jī)熱力過程進(jìn)行理論分析之后，提出提高內(nèi)燃機(jī)效率的要求，這就是最早的四沖程工作循環(huán)。1876年，德國發(fā)明家奧托運(yùn)用羅沙的原理，創(chuàng)制成功第一臺(tái)往復(fù)活塞式、單缸、臥式、千瓦馬力)的四沖程內(nèi)燃機(jī)，仍以煤氣為燃料，采用火焰點(diǎn)火，轉(zhuǎn)速為轉(zhuǎn)/分，壓縮比為，熱效率達(dá)到14％，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)。在當(dāng)時(shí)，無論是功率還是熱效率，它都是最高的。奧托內(nèi)燃機(jī)獲得推廣，性能也在提高。1880年單機(jī)功率達(dá)到11～15千瓦(15～20馬力)，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%，1897年已高達(dá)20～26％。1881年，英國工程師克拉克研制成功第一臺(tái)二沖程的煤氣機(jī)，并在巴黎博覽會(huì)上展出。隨著石油的開發(fā)，比煤氣易于運(yùn)輸攜帶的汽油和柴油引起了人們的注意，首先獲得試用的是易于揮發(fā)的汽油。1883年，德國的戴姆勒創(chuàng)制成功第一臺(tái)立式汽油機(jī)，它的特點(diǎn)是輕型和高速。當(dāng)時(shí)其他內(nèi)燃機(jī)的轉(zhuǎn)速不超過200轉(zhuǎn)/分，它卻一躍而達(dá)到800轉(zhuǎn)/分，特別適應(yīng)交通動(dòng)輸機(jī)械的要求。1885～1886年，汽油機(jī)作為汽車動(dòng)力運(yùn)行成功，大大推動(dòng)了汽車的發(fā)展。同時(shí)，汽車的發(fā)展又促進(jìn)了汽油機(jī)的改進(jìn)和提高。不久汽油機(jī)又用作了小船的動(dòng)力。1892年，德國工程師狄塞爾受面粉廠粉塵爆炸的啟發(fā)，設(shè)想將吸入氣缸的空氣高度壓縮，使其溫度超過燃料的自燃溫度，再用高壓空氣將燃料吹入氣缸，使之著火燃燒。他首創(chuàng)的壓縮點(diǎn)火式內(nèi)燃機(jī)(柴油機(jī))于1897年研制成功，為內(nèi)燃機(jī)的發(fā)展開拓了新途徑。狄塞爾開始力圖使內(nèi)燃機(jī)實(shí)現(xiàn)卡諾循環(huán)，以求獲得最高的熱效率，但實(shí)際上做到的是近似的等壓燃燒，其熱效率達(dá)26％。壓縮點(diǎn)火式內(nèi)燃機(jī)的問世，引起了世界機(jī)械業(yè)的極大興趣，壓縮點(diǎn)火式內(nèi)燃機(jī)也以發(fā)明者而命名為狄塞爾引擎。這種內(nèi)燃機(jī)以后大多用柴油為燃料，故又稱為柴油機(jī)。1898年，柴油機(jī)首先用于固定式發(fā)電機(jī)組，1903年用作商船動(dòng)力，1904年裝于艦艇，1913年第一臺(tái)以柴油機(jī)為動(dòng)力的內(nèi)燃機(jī)車制成，1920年左右開始用于汽車和農(nóng)業(yè)機(jī)械。早在往復(fù)活塞式內(nèi)燃機(jī)誕生以前，人們就曾致力于創(chuàng)造旋轉(zhuǎn)活塞式的內(nèi)燃機(jī)，但均未獲成功。直到1954年，聯(lián)邦德國工程師汪克爾解決了密封問題后，才于1957年研制出旋轉(zhuǎn)活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)，被稱為汪克爾發(fā)動(dòng)機(jī)。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(yùn)動(dòng)，按奧托循環(huán)工作。這種發(fā)動(dòng)機(jī)功率高、體積小、振動(dòng)小、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)簡單、維修方便，但由于它燃料經(jīng)濟(jì)性較差、低速扭矩低、排氣性能不理想，所以還只是在個(gè)別型號(hào)的轎車上得到采用。內(nèi)燃機(jī)的組成往復(fù)活塞式內(nèi)燃機(jī)的組成部分主要有曲柄連桿機(jī)構(gòu)、機(jī)體和氣缸蓋、配氣機(jī)構(gòu)、供油系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、起動(dòng)裝置等。氣缸是一個(gè)圓筒形金屬機(jī)件。密封的氣缸是實(shí)現(xiàn)工作循環(huán)、產(chǎn)生動(dòng)力的源地。各個(gè)裝有氣缸套的氣缸安裝在機(jī)體里，它的頂端用氣缸蓋封閉著。活塞可在氣缸套內(nèi)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，并從氣缸下部封閉氣缸，從而形成容積作規(guī)律變化的密封空間。燃料在此空間內(nèi)燃燒，產(chǎn)生的燃?xì)鈩?dòng)力推動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng)?；钊耐鶑?fù)運(yùn)動(dòng)經(jīng)過連桿推動(dòng)曲軸作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，曲軸再從飛輪端將動(dòng)力輸出。由活塞組、連桿組、曲軸和飛輪組成的曲柄連桿機(jī)構(gòu)是內(nèi)燃機(jī)傳遞動(dòng)力的主要部分?；钊M由活塞、活塞環(huán)、活塞銷等組成?；钊蕡A柱形，上面裝有活塞環(huán)，借以在活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)密閉氣缸。上面的幾道活塞環(huán)稱為氣環(huán)，用來封閉氣缸，防止氣缸內(nèi)的氣體漏泄，下面的環(huán)稱為油環(huán)，用來將氣缸壁上的多余的潤滑油刮下，防止?jié)櫥透Z入氣缸?；钊N呈圓筒形，它穿入活塞上的銷孔和連桿小頭中，將活塞和連桿聯(lián)接起來。連桿大頭端分成兩半，由連桿螺釘聯(lián)接起來，它與曲軸的曲柄銷相連。連桿工作時(shí)，連桿小頭端隨活塞作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，連桿大頭端隨曲柄銷繞曲軸軸線作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，連桿大小頭間的桿身作復(fù)雜的搖擺運(yùn)動(dòng)。曲軸的作用是將活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，并將膨脹行程所作的功，通過安裝在曲軸后端上的飛輪傳遞出去。飛輪能儲(chǔ)存能量，使活塞的其他行程能正常工作，并使曲軸旋轉(zhuǎn)均勻。為了平衡慣性力和減輕內(nèi)燃機(jī)的振動(dòng)，在曲軸的曲柄上還適當(dāng)裝置平衡質(zhì)量。氣缸蓋中有進(jìn)氣道和排氣道，內(nèi)裝進(jìn)、排氣門。新鮮充量(即空氣或空氣與燃料的可燃混合氣)經(jīng)空氣濾清器、進(jìn)氣管、進(jìn)氣道和進(jìn)氣門充入氣缸。膨脹后的燃?xì)饨?jīng)排氣門、排氣道和排氣管，最后經(jīng)排氣消聲器排入大氣。進(jìn)、排氣門的開啟和關(guān)閉是由凸輪軸上的進(jìn)、排氣凸輪，通過挺柱、推桿、搖臂和氣門彈簧等傳動(dòng)件分別加以控制的，這一套機(jī)件稱為內(nèi)燃機(jī)配氣機(jī)構(gòu)。通常由空氣濾清器、進(jìn)氣管、排氣管和排氣消聲器組成進(jìn)排氣系統(tǒng)。為了向氣缸內(nèi)供入燃料，內(nèi)燃機(jī)均設(shè)有供油系統(tǒng)。汽油機(jī)通過安裝在進(jìn)氣管入口端的化油器將空氣與汽油按一定比例(空燃比)混合，然后經(jīng)進(jìn)氣管供入氣缸，由汽油機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)控制的電火花定時(shí)點(diǎn)燃。柴油機(jī)的燃油則通過柴油機(jī)噴油系統(tǒng)噴入燃燒室，在高溫高壓下自行著火燃燒。內(nèi)燃機(jī)氣缸內(nèi)的燃料燃燒使活塞、氣缸套、氣缸蓋和氣門等零件受熱，溫度升高。為了保證內(nèi)燃機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，上述零件必須在許可的溫度下工作，不致因過熱而損壞，所以必須備有冷卻系統(tǒng)。內(nèi)燃機(jī)不能從停車狀態(tài)自行轉(zhuǎn)入運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，必須由外力轉(zhuǎn)動(dòng)曲軸，使之起動(dòng)。這種產(chǎn)生外力的裝置稱為起動(dòng)裝置。常用的有電起動(dòng)、壓縮空氣起動(dòng)、汽油機(jī)起動(dòng)和人力起動(dòng)等方式。內(nèi)燃機(jī)的工作循環(huán)由進(jìn)氣、壓縮、燃燒和膨脹、排氣等過程組成。這些過程中只有膨脹過程是對(duì)外作功的過程，其他過程都是為更好地實(shí)現(xiàn)作功過程而需要的過程。按實(shí)現(xiàn)一個(gè)工作循環(huán)的行程數(shù)，工作循環(huán)可分為四沖程和二沖程兩類。四沖程是指在進(jìn)氣、壓縮、膨脹和排氣四個(gè)行程內(nèi)完成一個(gè)工作循環(huán)，此間曲軸旋轉(zhuǎn)兩圈。進(jìn)氣行程時(shí)，此時(shí)進(jìn)氣門開啟，排氣門關(guān)閉。流過空氣濾清器的空氣，或經(jīng)化油器與汽油混合形成的可燃混合氣，經(jīng)進(jìn)氣管道、進(jìn)氣門進(jìn)入氣缸；壓縮行程時(shí)，氣缸內(nèi)氣體受到壓縮，壓力增高，溫度上升；膨脹行程是在壓縮上止點(diǎn)前噴油或點(diǎn)火，使混合氣燃燒，產(chǎn)生高溫、高壓，推動(dòng)活塞下行并作功；排氣行程時(shí)，活塞推擠氣缸內(nèi)廢氣經(jīng)排氣門排出。此后再由進(jìn)氣行程開始，進(jìn)行下一個(gè)工作循環(huán)。二沖程是指在兩個(gè)行程內(nèi)完成一個(gè)工作循環(huán)，此期間曲軸旋轉(zhuǎn)一圈。首先，當(dāng)活塞在下止點(diǎn)時(shí)，進(jìn)、排氣口都開啟，新鮮充量由進(jìn)氣口充入氣缸，并掃除氣缸內(nèi)的廢氣，使之從排氣口排出；隨后活塞上行，將進(jìn)、排氣口均關(guān)閉，氣缸內(nèi)充量開始受到壓縮，直至活塞接近上止點(diǎn)時(shí)點(diǎn)火或噴油，使氣缸內(nèi)可燃混合氣燃燒；然后氣缸內(nèi)燃?xì)馀蛎洠苿?dòng)活塞下行作功；當(dāng)活塞下行使排氣口開啟時(shí)，廢氣即由此排出活塞繼續(xù)下行至下止點(diǎn)，即完成一個(gè)工作循環(huán)。內(nèi)燃機(jī)的排氣過程和進(jìn)氣過程統(tǒng)稱為換氣過程。換氣的主要作用是盡可能把上一循環(huán)的廢氣排除干凈，使本循環(huán)供入盡可能多的新鮮充量，以使盡可能多的燃料在氣缸內(nèi)完全燃燒，從而發(fā)出更大的功率。換氣過程的好壞直接影響內(nèi)燃機(jī)的性能。為此除了降低進(jìn)、排氣系統(tǒng)的流動(dòng)阻力外，主要是使進(jìn)、排氣門在最適當(dāng)?shù)臅r(shí)刻開啟和關(guān)閉。實(shí)際上，進(jìn)氣門是在上止點(diǎn)前即開啟，以保證活塞下行時(shí)進(jìn)氣門有較大的開度，這樣可在進(jìn)氣過程開始時(shí)減小流動(dòng)阻力，減少吸氣所消耗的功，同時(shí)也可充入較多的新鮮充量。當(dāng)活塞在進(jìn)氣行程中運(yùn)行到下止點(diǎn)時(shí)，由于氣流慣性，新鮮充量仍可繼續(xù)充入氣缸，故使進(jìn)氣門在下止點(diǎn)后延遲關(guān)閉。排氣門也在下止點(diǎn)前提前開啟，即在膨脹行程后部分即開始排氣，這是為了利用氣缸內(nèi)較高的燃?xì)鈮毫Γ箯U氣自動(dòng)流出氣缸，從而使活塞從下止點(diǎn)向上止點(diǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)氣缸內(nèi)氣體壓力低些，以減少活塞將廢氣排擠出氣缸所消耗的功。排氣門在上止點(diǎn)后關(guān)閉的目的是利用排氣流動(dòng)的慣性，使氣缸內(nèi)的殘余廢氣排除得更為干凈。內(nèi)燃機(jī)性能主要包括動(dòng)力性能和經(jīng)濟(jì)性能。動(dòng)力性能是指內(nèi)燃機(jī)發(fā)出的功率(扭矩)，表示內(nèi)燃機(jī)在能量轉(zhuǎn)換中量的大小，標(biāo)志動(dòng)力性能的參數(shù)有扭矩和功率等。經(jīng)濟(jì)性能是指發(fā)出一定功率時(shí)燃料消耗的多少，表示能量轉(zhuǎn)換中質(zhì)的優(yōu)劣，標(biāo)志經(jīng)濟(jì)性能的參數(shù)有熱效率和燃料消耗率。內(nèi)燃機(jī)未來的發(fā)展將著重于改進(jìn)燃燒過程，提高機(jī)械效率，減少散熱損失，降低燃料消耗率；開發(fā)和利用非石油制品燃料、擴(kuò)大燃料資源；減少排氣中有害成分，降低噪聲和振動(dòng)，減輕對(duì)環(huán)境的污染；采用高增壓技術(shù)，進(jìn)一步強(qiáng)化內(nèi)燃機(jī)，提高單機(jī)功率；研制復(fù)合式發(fā)動(dòng)機(jī)、絕熱式渦輪復(fù)合式發(fā)動(dòng)機(jī)等；采用微處理機(jī)控制內(nèi)燃機(jī)，使之在最佳工況下運(yùn)轉(zhuǎn)；加強(qiáng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的研究，以提高工作可靠性和壽命，不斷創(chuàng)制新型內(nèi)燃機(jī)

搜遍發(fā)動(dòng)機(jī)新技術(shù)，變氣門，變升程，變相位，甚至停掉幾個(gè)缸的技術(shù)都出來了，就是沒有敢說他能在行進(jìn)中連續(xù)變缸徑的！但有等效的。一種最酷的發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)，這種發(fā)動(dòng)機(jī)有一個(gè)桶形缸體，桶底后，桶底中間有圓孔。還有一個(gè)缸體，好像一根筷子穿過一張厚的圓餅并粘合，筷子就是軸，這個(gè)軸也穿過桶形缸體底部的孔，餅形體也納入桶中，封閉成一個(gè)空心圓柱體的缸腔。這個(gè)缸腔的容積是可以變化的，比如只要固定桶，用機(jī)械裝置或者液壓裝置抽動(dòng)軸就可以實(shí)現(xiàn)。桶底從圓孔的邊到桶的內(nèi)避割條縫，插入一個(gè)矩形板；餅面從圓邊到軸割條縫，也插入一塊矩形板，兩塊矩形板可以把缸腔一分為二，成為兩個(gè)密封缸腔，第一密封缸腔和第二密封缸腔。其中一個(gè)密封缸腔從桶壁的矩形板本側(cè)開口，充入高壓氣體，或充入油氣混合物并點(diǎn)燃；第二密封腔從桶壁上與前一開口相隔一個(gè)矩形板的位置開口放氣。固定桶，矩形板就牽引餅和筷子轉(zhuǎn)動(dòng)，反過來也行。第一個(gè)密封腔從最小、充氣到轉(zhuǎn)過一定相位（轉(zhuǎn)角）就停止供氣，可以用閥門或者控制油氣供應(yīng)量來實(shí)現(xiàn)。由于高壓氣體膨脹，裝置會(huì)繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，第一密封缸腔內(nèi)的氣壓會(huì)降低，直到稍微低于環(huán)境氣壓，這樣會(huì)產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)阻力。于是第二個(gè)矩形板需要在頭部靠近邊緣開一個(gè)孔，安裝單向閥，向內(nèi)補(bǔ)氣。如果當(dāng)初的氣壓適當(dāng)，在第二塊矩形板轉(zhuǎn)到第二開口的時(shí)候，第一密封缸腔的氣壓正好等于或接近于環(huán)境氣壓，這是最經(jīng)濟(jì)的。第三種情況是還有少量余壓。當(dāng)兩個(gè)矩形板快要相遇的時(shí)候，需要避讓。于是從桶的裙部內(nèi)圓刻成曲線滑槽，裝上滑動(dòng)塊，滑動(dòng)塊與第二塊矩形板連接；從軸穿出桶底的一側(cè)套裝一個(gè)空心圓柱體，外圓面刻曲線滑槽，裝上滑動(dòng)塊，與第一塊矩形板連接?；塾蓤A