汽車發(fā)動(dòng)機(jī).課件

發(fā)動(dòng)機(jī)原理吉林大學(xué)汽車工程學(xué)院內(nèi)燃機(jī)工程系林學(xué)東教授從內(nèi)燃機(jī)草圖

蒸汽機(jī)發(fā)明

汽車的發(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程中借助動(dòng)力來代替體力勞動(dòng)過程中的構(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)芬奇繪出類似的火藥發(fā)動(dòng)機(jī)草圖，但沒有試制。赫更斯的內(nèi)燃機(jī)草圖:自方案問世后，經(jīng)12年后的1685年，用14臺(tái)直徑12m的水車完成，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６?、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

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（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Α⒋髿鈮毫驼婵斩鹊南嗷プ饔猛苿?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年紐可門蒸汽機(jī)問世。紐可門蒸汽機(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；向氣缸噴水，關(guān)閉閥門，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)用紐可門發(fā)動(dòng)機(jī)的修理工作。在修理紐可門蒸汽機(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。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蒸汽機(jī)過程中的第一項(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)專利的問題1781年，在參加圓月學(xué)社活動(dòng)過程中，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，就可以讓蒸汽即能推動(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。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)明的全過程蒸汽動(dòng)力裝置。在改進(jìn)紐可門蒸汽機(jī)過程中的三次飛躍—三個(gè)專利，首次把引入汽缸的蒸汽由低壓變?yōu)楦邏?/p>

紐可門蒸汽機(jī)

瓦特蒸汽動(dòng)力裝置。迎來蒸汽革命四、奧托循環(huán)瓦特蒸汽機(jī)存在的問題：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)生的真空來抽水；利用火藥在汽缸內(nèi)爆炸時(shí)產(chǎn)生的壓力來驅(qū)動(dòng)活塞；用氫氣和空氣的混合燃料來推動(dòng)活塞。根源途徑對(duì)前人的研究成果進(jìn)行深入分析后，找到問題的癥結(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巧合？本田稀燃技術(shù)1983同時(shí)，1858年法國(guó)人里諾發(fā)明了燃?xì)鈾C(jī)：

用煤氣和空氣的混合氣取代蒸汽機(jī)的蒸汽；用電池和感應(yīng)線圈產(chǎn)生電火花

點(diǎn)燃混合氣。此煤氣機(jī):有氣缸、活塞、連桿、飛輪等。是內(nèi)燃機(jī)的初級(jí)產(chǎn)品，但壓縮比為零。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”。1876年，又設(shè)計(jì)出一種改進(jìn)型點(diǎn)火系統(tǒng)，同年5月研制出第一臺(tái)四沖程內(nèi)燃機(jī)，翌年獲得專利權(quán)實(shí)現(xiàn)四沖程理論奧托循環(huán)。

此后，英國(guó)科學(xué)家對(duì)奧托四沖程內(nèi)燃機(jī)進(jìn)行改進(jìn)

在一臺(tái)內(nèi)燃機(jī)中加上一個(gè)氣缸——多缸機(jī)；從而使輸出的動(dòng)力更均勻。1882年戴姆勒離開奧托公司目的：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)裝在一輛自行車上，制造出第一臺(tái)摩托車。五、汽油機(jī)汽車問世1886年將小汽油機(jī)和轉(zhuǎn)向器裝在一輛四輪車上。該車氣缸總排量為469cm3，時(shí)速達(dá)到了16公里。這輛車的性能：

—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)用汽車之一。從此用小汽油機(jī)驅(qū)動(dòng)車

“馬車的機(jī)械化”。1885年，本茨購(gòu)買了奧托內(nèi)燃機(jī)的專利，把一個(gè)四沖程內(nèi)燃機(jī)裝在一輛不太穩(wěn)固的三輪車上，開創(chuàng)現(xiàn)代汽車史。后又將一臺(tái)功率0.8馬力，單缸2沖程小內(nèi)燃機(jī)裝在一輛三輪車上，時(shí)速達(dá)到15公里。亨利·福特：美國(guó)發(fā)明家和農(nóng)民企業(yè)家1892年由杜里埃兄弟研制出第一輛汽車美國(guó)1896年福特制造出第一臺(tái)汽車。1903年創(chuàng)立福特汽車公司，生產(chǎn)A型車；1908年推出舉世聞名的T型車，其特點(diǎn)：設(shè)計(jì)精良、堅(jiān)固耐用，維修簡(jiǎn)便；1910年創(chuàng)造生產(chǎn)流水線，

“世界生產(chǎn)方式歷史性變革”，使汽車大眾化。六、福特——汽車工業(yè)時(shí)代

汽車工業(yè)史上的三次變革1914年美國(guó)福特汽車公司的汽車裝配流水線帶來了汽車工業(yè)史上的第一次