發(fā)動(dòng)機(jī)原理緒論

熱力發(fā)動(dòng)機(jī)原理1饒國(guó)燃ransan@163.com一、目的與任務(wù)發(fā)動(dòng)機(jī)原理是以發(fā)動(dòng)機(jī)性能指標(biāo)為主要研究對(duì)象。深入到發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程的各個(gè)階段，分析影響這些性能的各種因素，從中找出提高性能的一般規(guī)律，為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)奠定良好的基礎(chǔ)。是一門(mén)理論性較強(qiáng)的專業(yè)課程，是熱能與動(dòng)力工程專業(yè)的核心課程之一。2一、目的與任務(wù)3掌握發(fā)動(dòng)機(jī)工作各項(xiàng)性能指標(biāo)的概念和內(nèi)涵及其影響因素熟悉發(fā)動(dòng)機(jī)基本理論、一般工作過(guò)程和實(shí)際工作循環(huán)的特點(diǎn)能運(yùn)用所學(xué)知識(shí)，分析提高內(nèi)燃機(jī)各種工作性能指標(biāo)、降低排放的技術(shù)措施和適用條件了解當(dāng)今國(guó)內(nèi)外內(nèi)燃機(jī)技術(shù)的新發(fā)展。初步具有利用發(fā)動(dòng)機(jī)的基本原理解決實(shí)際問(wèn)題的專業(yè)技術(shù)應(yīng)用能力二、教學(xué)內(nèi)容及學(xué)時(shí)分配理論教學(xué)(44學(xué)時(shí))第一章緒論第二章內(nèi)燃機(jī)循環(huán)及性能評(píng)價(jià)指標(biāo)第三章發(fā)動(dòng)機(jī)的換氣過(guò)程第四章內(nèi)燃機(jī)的燃料與燃燒第五章汽油機(jī)混合氣的形成和燃燒第六章柴油機(jī)混合氣的形成和燃燒第七章發(fā)動(dòng)機(jī)的特性第八章發(fā)動(dòng)機(jī)與整車(chē)性能匹配

實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)：4學(xué)時(shí)

三、考核方式考核性質(zhì)：考試課，百分制考核形式：

閉卷、筆試成績(jī)?cè)u(píng)定方法：

期末總評(píng)成績(jī)＝平時(shí)成績(jī)×20％+實(shí)驗(yàn)成績(jī)×10％+期末成績(jī)×70％補(bǔ)考方法：

總評(píng)成績(jī)低于60分的學(xué)生，須參加學(xué)校統(tǒng)一組織的補(bǔ)考。56四、教科書(shū)與參考書(shū)

《發(fā)動(dòng)機(jī)原理》林學(xué)東（教材）《汽車(chē)構(gòu)造》（上冊(cè)）陳家瑞機(jī)械工業(yè)出版社2001《工程熱力學(xué)》沈維道高等教育出版社2007《內(nèi)燃機(jī)學(xué)》周龍保機(jī)械工業(yè)出版社2004《內(nèi)燃機(jī)原理》蔣德明中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械出版社1988《內(nèi)燃機(jī)原理》劉永長(zhǎng)華中理工出版社1992《汽車(chē)拖拉機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)》董敬機(jī)械工業(yè)出版社2001《發(fā)動(dòng)機(jī)原理》

林學(xué)東主編機(jī)械工業(yè)出版社1.1發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展1.2發(fā)動(dòng)機(jī)在汽車(chē)上的應(yīng)用第1章緒論發(fā)動(dòng)機(jī)的應(yīng)用1、在工程中：林業(yè)工程：采伐、運(yùn)輸、木材加工；農(nóng)業(yè)、礦山2、在生活中，室內(nèi)外：乘車(chē)、船、飛機(jī)3、在軍工中：坦克、特種車(chē)輛從內(nèi)燃機(jī)草圖蒸汽機(jī)發(fā)明汽車(chē)的發(fā)展內(nèi)燃機(jī)一、內(nèi)燃機(jī)概念的形成——赫更斯的草圖產(chǎn)生于1673年，赫更斯在凡爾賽宮用水過(guò)程中借助動(dòng)力來(lái)代替體力勞動(dòng)過(guò)程中的構(gòu)想。

第一章緒論—內(nèi)燃機(jī)的發(fā)展史凡爾賽宮塞納河赫更斯：荷蘭物理學(xué)家負(fù)責(zé)庭院里的樹(shù)木澆水和噴水池的噴水從塞納河提水。1509年，意大利人雷歐那德.達(dá)芬奇繪出類(lèi)似的火藥發(fā)動(dòng)機(jī)草圖，但沒(méi)有試制。赫更斯的內(nèi)燃機(jī)草圖:自方案問(wèn)世后，經(jīng)12年后的1685年，用14臺(tái)直徑12m的水車(chē)完成，并滿足凡爾賽宮一天3000m3的用水要求。當(dāng)時(shí)科學(xué)背景：十六世紀(jì)末和十七世紀(jì)初的三大實(shí)驗(yàn)：英國(guó)包爾塔的蒸汽壓力實(shí)驗(yàn)；托里拆利和巴斯噶的大氣壓力實(shí)驗(yàn)；那末格里凱的真空作用實(shí)驗(yàn)。三大實(shí)驗(yàn)的作用：人們開(kāi)始認(rèn)識(shí)蒸汽、大氣和真空的相互作用。

這些重大的實(shí)驗(yàn)成果為早期蒸汽動(dòng)力技術(shù)的開(kāi)發(fā)奠定了牢固的科學(xué)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。第一次技術(shù)創(chuàng)新：法國(guó)物理學(xué)家工程師巴本（DenisPapin1647-1712），最先應(yīng)用蒸汽動(dòng)力技術(shù)。從火藥發(fā)動(dòng)機(jī)演變到蒸汽機(jī);將當(dāng)時(shí)歐洲煉鐵場(chǎng)廣泛使用的活塞式風(fēng)箱將箱變?yōu)槠?；把風(fēng)箱中的活塞變?yōu)槠字械幕钊?。二、蒸汽機(jī)發(fā)明——三次技術(shù)革新實(shí)驗(yàn)：先將汽缸底部注入少量水，加熱。當(dāng)汽缸內(nèi)的水沸騰后，蒸汽推動(dòng)活塞慢慢上升；然后，從汽缸底部抽掉火，汽缸內(nèi)蒸汽慢慢冷凝汽缸內(nèi)產(chǎn)生真空，在大氣壓力推動(dòng)下，活塞慢慢下降。結(jié)論：利用蒸汽壓力、大氣壓力、真空的相互作用，可以推動(dòng)汽缸內(nèi)活塞作往返直線運(yùn)動(dòng)。這種運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的機(jī)械動(dòng)力可以帶動(dòng)其他機(jī)械運(yùn)動(dòng)。發(fā)明帶有活塞的蒸汽泵后，考慮到蒸汽壓力大可能會(huì)使汽缸爆炸，于1680年發(fā)明了安全閥。第一臺(tái)可以把熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的實(shí)驗(yàn)型蒸汽泵，于1680年在英國(guó)試驗(yàn)成功。第二次技術(shù)突破：英國(guó)機(jī)械工程師賽維利（T.Savery1650-1715）。設(shè)計(jì)依據(jù)：基于包爾塔的蒸汽力原理，其蒸汽泵主要由汽缸與鍋爐組成。特點(diǎn)：汽缸中未采用活塞，只是在其中接有吸水管、排水管和進(jìn)汽管。——與巴本汽缸不同點(diǎn)原理：蒸汽從鍋爐經(jīng)汽管進(jìn)入汽缸后被冷卻時(shí)所造成的真空把礦井中的水從吸水管中吸進(jìn)來(lái)再將蒸汽注入汽缸，由進(jìn)入汽缸的蒸汽壓力把水從排水管中排出。第三次技術(shù)革新：托馬斯·紐可門(mén)（ThomasNewcomen）針對(duì)賽維利蒸汽泵兩大缺點(diǎn)改進(jìn):缺點(diǎn)一：熱效率太低。改進(jìn)措施：冷卻水不直接進(jìn)入汽缸，而是通過(guò)一個(gè)細(xì)小龍頭向汽缸內(nèi)噴水冷卻。缺點(diǎn)二：只是一種抽水泵，不輸出動(dòng)力。改進(jìn)措施：引入活塞裝置?？空羝麎毫?、大氣壓力和真空度的相互作用推動(dòng)活塞作往復(fù)式機(jī)械運(yùn)動(dòng)對(duì)外輸出功蒸汽機(jī)。1712年紐可門(mén)蒸汽機(jī)問(wèn)世。紐可門(mén)蒸汽機(jī)原型：將氣缸和活塞置于鍋上部；加熱鍋產(chǎn)生的蒸汽導(dǎo)入汽缸，推動(dòng)活塞上升；關(guān)閉閥門(mén)，向氣缸噴水，缸內(nèi)蒸汽被冷卻變成水，產(chǎn)生真空，活塞下降，抽水泵抽水。三、蒸汽革命——蒸汽汽車(chē)時(shí)代詹姆斯·瓦特：瓦特掌管格拉斯哥大學(xué)實(shí)驗(yàn)教具的機(jī)械員。1764年受命格拉斯哥大學(xué)教學(xué)用紐可門(mén)蒸汽機(jī)的修理工作。在修理紐可門(mén)蒸汽機(jī)中，發(fā)現(xiàn)其兩大缺點(diǎn)：燃料消耗量大而效率低只能作往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)。因此，除了用于礦井抽水之外，無(wú)其他用途，浪費(fèi)蒸氣達(dá)八成以上。故障診斷第一個(gè)專利：?jiǎn)⒚桑?765年的春天，針對(duì)紐可門(mén)蒸汽機(jī)熱效率低的原因是蒸汽在缸內(nèi)冷凝造成的能否讓蒸汽在缸外冷凝產(chǎn)生采用分離冷凝器的初步設(shè)想。解決措施：利用蒸汽具有“彈性”特點(diǎn)，把汽缸和另一個(gè)容器相連接，讓蒸汽接入其中，就不需要一再冷卻汽缸，而浪費(fèi)許多熱量。同年設(shè)計(jì)一個(gè)與汽缸分離的冷凝器，并在汽缸外面加絕熱套汽缸保持在高溫工作狀態(tài)。其特點(diǎn)：冷凝器與汽缸間用一個(gè)調(diào)節(jié)閥相連二者既能連通又能分開(kāi)。這樣，把做功后的蒸汽引入汽缸外的冷凝器，又可以使缸內(nèi)產(chǎn)生真空，避免汽缸在一冷一熱過(guò)程中熱量損耗。從1766年~1769年受他人贊助制出第一臺(tái)樣機(jī)。同年，瓦特因發(fā)明冷凝器而獲得在革新紐可門(mén)蒸汽機(jī)過(guò)程中的第一項(xiàng)專利。帶冷凝器的蒸汽機(jī)雖試制成功，但相對(duì)紐可門(mén)蒸汽機(jī)，除了熱效率顯著提高外，還是無(wú)法作為真正的動(dòng)力機(jī)械。致命缺陷：活塞只能作往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)。第一個(gè)專利的問(wèn)題1781年，在參加圓月學(xué)社活動(dòng)過(guò)程中，受到天王星以及由此引出的行星繞日?qǐng)A周運(yùn)動(dòng)，或鐘表中齒輪的圓周運(yùn)動(dòng)的啟發(fā)想到把活塞往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)變?yōu)樾D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)就可以使動(dòng)力傳給任何工作機(jī)械。同年，研制出一套“太陽(yáng)和行星”齒輪聯(lián)動(dòng)裝置；

活塞的直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)辇X輪的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；為使輪軸圓周運(yùn)動(dòng)更加均勻，安裝一個(gè)飛輪。這一機(jī)構(gòu)的重大革新，瓦特蒸汽機(jī)才真正成為動(dòng)力機(jī)械。1781年底，以發(fā)明帶有齒輪和拉桿的機(jī)械聯(lián)動(dòng)裝置獲得第二個(gè)專利。直線運(yùn)動(dòng)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)方案措施：讓蒸汽從兩端進(jìn)入和排出，就可以讓蒸汽既能推動(dòng)活塞向上運(yùn)動(dòng)又能推動(dòng)活塞向下運(yùn)動(dòng)效率就可以提高一倍。第三項(xiàng)專利：針對(duì)蒸汽機(jī)效率不高的原因：蒸汽單項(xiàng)運(yùn)動(dòng)；即從一端進(jìn)入、另一端出來(lái)。1782年，試制出一種帶有雙向裝置的新汽缸獲得第三項(xiàng)專利。1784年以帶有飛輪、齒輪聯(lián)動(dòng)裝置和雙向裝置的高壓蒸汽機(jī)綜合組裝，取得第四項(xiàng)專利；1788年，又發(fā)明離心調(diào)速器和節(jié)氣閥；1790年，發(fā)明汽缸示功器。至此完成了蒸汽機(jī)發(fā)明的全過(guò)程蒸汽動(dòng)力裝置。在改進(jìn)紐可門(mén)蒸汽機(jī)過(guò)程中的三次飛躍—三個(gè)專利，首次把引入汽缸的蒸汽由低壓變?yōu)楦邏杭~可門(mén)蒸汽機(jī)瓦特蒸汽動(dòng)力裝置。迎來(lái)蒸汽革命四、奧托循環(huán)瓦特蒸汽機(jī)存在的問(wèn)題：蒸汽機(jī)體積龐大，熱效率低。要克服這一缺點(diǎn)，必須解決鍋爐與汽缸分離的問(wèn)題使鍋爐與汽缸合二為一。前期探索工作：如利用燃燒煙氣冷卻后產(chǎn)生的真空來(lái)抽水；利用火藥在汽缸內(nèi)爆炸時(shí)產(chǎn)生的壓力來(lái)驅(qū)動(dòng)活塞；用氫氣和空氣的混合燃料來(lái)推動(dòng)活塞。根源途徑煤氣機(jī)法國(guó)，雷諾煤氣，空氣吸入氣缸后混合點(diǎn)燃?xì)飧?、活塞、連桿和飛輪組成由于壓縮比為0，熱效率只有4.5%，低于蒸汽機(jī)如何提高熱效率？法國(guó)，德羅賽，一、點(diǎn)火前要高壓；二、燃料必須迅速膨脹。由此產(chǎn)生了四沖程的概念：進(jìn)氣、壓縮、做工、排氣德國(guó)商人奧拓將德羅賽的理論變成現(xiàn)實(shí)，提高壓縮比至2.5，熱效率10-12%第一臺(tái)內(nèi)燃機(jī)

（紐科門(mén)的蒸汽機(jī)發(fā)明155年后，1860年）經(jīng)過(guò)很多人70多年的努力，法國(guó)人勒諾瓦爾（蘭諾）于1860用”煤氣+空氣”代替200年前火力發(fā)動(dòng)機(jī)中的火藥研制了第一臺(tái)內(nèi)燃機(jī)。壓縮比=1，效率4.5%，最大功率4.5kW1860~1865年共生產(chǎn)了約5000臺(tái)當(dāng)時(shí)蒸汽機(jī)的效率已近10%。第一臺(tái)內(nèi)燃機(jī)對(duì)前人的研究成果進(jìn)行深入分析后，找到問(wèn)題的癥結(jié)：設(shè)計(jì)方案缺少提高效率的有效途徑。法國(guó)科學(xué)家德羅夏，立志要“站在瓦特肩膀上”，解決這些問(wèn)題。他認(rèn)為高效率內(nèi)燃機(jī)，必須具備兩個(gè)必要條件：第一，點(diǎn)火前要高壓壓縮過(guò)程；第二，燃料必須迅速膨脹，達(dá)到最大膨脹比。實(shí)現(xiàn)的具體方案：把活塞運(yùn)動(dòng)分成4個(gè)沖程，即進(jìn)氣—壓縮—點(diǎn)火燃燒膨脹做功—排氣。四沖程理論的建立：德國(guó)商人奧托一直關(guān)注內(nèi)燃機(jī)研制情況。從蒸汽機(jī)的廣泛應(yīng)用中，看到內(nèi)燃機(jī)的發(fā)展前途；從德羅夏的理論設(shè)計(jì)中看到希望。奧托對(duì)德羅夏方案，反復(fù)研讀，深刻領(lǐng)會(huì)其設(shè)計(jì)思想；并全心投入內(nèi)燃機(jī)的研制工作。

他雖建立四沖程理論，但未能制造出!奧托的實(shí)驗(yàn)：目的—在發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸里實(shí)現(xiàn)煙囪冒煙現(xiàn)象。手段—用透明氣缸和手動(dòng)活塞以及側(cè)式進(jìn)排氣管模型，將香煙的煙放入進(jìn)氣閥反復(fù)觀察結(jié)果：研究出空氣與煤氣的添加混合方法奧托受里諾煤氣機(jī)啟發(fā)，認(rèn)為如果用液體燃料，其用途將更為拓寬，為此設(shè)計(jì)了汽化器。1862年2月，奧托制造出一臺(tái)四沖程樣機(jī)。

1863年獲得專利，并建立“奧托公司”。奧托的4沖程點(diǎn)燃式煤氣機(jī)問(wèn)題：當(dāng)時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)都是兩沖程的（膨脹和排氣），與現(xiàn)在的主沖程為膨脹和壓縮的兩沖程發(fā)動(dòng)機(jī)不同，進(jìn)氣在活塞上止點(diǎn)附近完成（=1）。由于沒(méi)有獨(dú)立的進(jìn)氣沖程，很難實(shí)現(xiàn)分層燃燒。解決措施：

增加獨(dú)立的進(jìn)氣沖程，提出采用4沖程發(fā)動(dòng)機(jī)。第四個(gè)沖程即為“壓縮沖程”！奧托的4沖程點(diǎn)燃式煤氣機(jī)奧托不僅提出了“四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)想”，而且在得力助手梅巴哈的幫助下于1876年研制了第一臺(tái)4沖程點(diǎn)燃式煤氣機(jī)。由于有獨(dú)立的壓縮沖程，可以說(shuō)不得不實(shí)現(xiàn)較高的壓縮比。

該煤氣機(jī)為單缸、四沖程、臥式、按等容燃燒，=2.5，Pe=4PS，e=～14%，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，體積小，質(zhì)量減小了～70%。很快得到推廣應(yīng)用，從而形成了內(nèi)燃機(jī)工業(yè)。奧托4沖程點(diǎn)燃式煤氣機(jī)的快速發(fā)展當(dāng)人們真正知道了“提高壓縮比可以提高效率”后……1880年功率達(dá)15～20PS，1893年則達(dá)到200PS。1886年熱效率達(dá)到15.5%，1894年熱效率高達(dá)20%。理論指導(dǎo)的重要性！1882年戴姆勒離開(kāi)奧托公司目的：把奧托發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用到交通工具上。1883年，發(fā)明點(diǎn)火系統(tǒng)，在奧托四沖程煤氣機(jī)的基礎(chǔ)上，研制出一臺(tái)小型單缸汽油機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)700~900r/min；功率1.1馬力，空氣冷卻奧托發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)速180~200r/min。1885年，將這臺(tái)小汽油機(jī)裝在一輛自行車(chē)上，制造出第一臺(tái)摩托車(chē)。五、汽油機(jī)汽車(chē)問(wèn)世1886年將小汽油機(jī)和轉(zhuǎn)向器裝在一輛四輪車(chē)上。該車(chē)氣缸總排量為469cm3，時(shí)速達(dá)到了16公里。這輛車(chē)的性能：

—有風(fēng)扇冷卻；

—內(nèi)燃機(jī)下墊著減振橡膠塊；

—還有發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)熱系統(tǒng)。成為第一輛實(shí)用汽車(chē)之一。從此用小汽油機(jī)驅(qū)動(dòng)車(chē)“馬車(chē)的機(jī)械化”。戴姆勒，發(fā)明化油器，解決當(dāng)時(shí)在氣缸內(nèi)形成混合器的關(guān)鍵問(wèn)題，研制出第一臺(tái)汽油機(jī)。同時(shí)，奔馳公司利用線圈點(diǎn)火方式研制二沖程汽油機(jī)，后由于戰(zhàn)爭(zhēng)、經(jīng)濟(jì)原因，二者合并，成為現(xiàn)在的戴姆勒-奔馳公司。柴油機(jī)的發(fā)展德國(guó)，Rudolf.Diesel出發(fā)點(diǎn)：熱效率低，著火困難著眼點(diǎn)：將卡諾循環(huán)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，提高