內(nèi)燃機(jī)發(fā)展簡史

1、2內(nèi)燃機(jī)構(gòu)造 第1章緒論教學(xué)提示：緒論主要使學(xué)生概括地認(rèn)識內(nèi)燃機(jī)。教學(xué)要求：本章主要了解常見的動力裝置種類、內(nèi)燃機(jī)的發(fā)展簡史和應(yīng)用領(lǐng)域。1.1熱機(jī)當(dāng)今，機(jī)械設(shè)備運(yùn)行的動力絕大多數(shù)來源于熱機(jī)，熱機(jī)全稱熱力發(fā)動機(jī)，是將熱源的部分熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的機(jī)器。熱源可以是燒煤的蒸汽爐，汽車發(fā)動機(jī)的燃燒室，也可以是太陽能的蒸汽爐，地?zé)岷秃朔磻?yīng)堆。根據(jù)燃燒器位置的不同，熱機(jī)分為內(nèi)燃機(jī)和外燃機(jī)兩類：(1)外燃機(jī)是燃料在發(fā)動機(jī)外部燃燒產(chǎn)生熱，熱能通過工質(zhì)帶入機(jī)內(nèi)，再轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，如蒸汽機(jī)和汽輪機(jī)等，蒸汽機(jī)已淘汰，汽輪機(jī)用于火電廠與核電站驅(qū)動發(fā)電機(jī)；(a)蒸汽機(jī)圖1.1外燃機(jī)(2)內(nèi)燃機(jī)是燃料在發(fā)動機(jī)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(jī)械能，它是移動機(jī)械和小型電站的最主要動力。廣義上的內(nèi)燃機(jī)包括往復(fù)活塞式內(nèi)燃機(jī)、旋轉(zhuǎn)活塞式發(fā)動機(jī)、自由活塞式發(fā)動機(jī)和旋轉(zhuǎn)葉輪式的燃?xì)廨啓C(jī)、噴氣式發(fā)動機(jī)等，但通常所說的內(nèi)燃機(jī)是指往復(fù)活塞式內(nèi)燃機(jī)，又以其中的汽油機(jī)、柴油機(jī)應(yīng)用最為廣泛，其保有量大大超過了任何其它種類熱機(jī)，本書主要介紹汽油機(jī)、柴油機(jī)的構(gòu)造。與其它熱機(jī)相比，內(nèi)燃機(jī)有如下優(yōu)點(diǎn)：內(nèi)燃機(jī)的工質(zhì)在循環(huán)中的平均吸熱溫度高，熱效率一般達(dá)到30-46%，是熱機(jī)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(jī)重量與其標(biāo)定功率的比值)較小，

3、便于移動；起動迅速，操作簡便，機(jī)動性強(qiáng)；運(yùn)行維護(hù)比較簡便。但也存在缺點(diǎn)：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(jī)功率的提高受到限制；低速運(yùn)轉(zhuǎn)時輸出轉(zhuǎn)矩較小，往往不能適應(yīng)被帶負(fù)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(jī)構(gòu)；一般熱力發(fā)動機(jī)都存在“公害”，而內(nèi)燃機(jī)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(jī)(c)燃?xì)廨啓C(jī)(b)三角轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)燃燒室(d)噴氣式發(fā)動機(jī)圖1.2內(nèi)燃機(jī)另外，相對于熱機(jī)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(jī)驅(qū)動機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)，這種方式高效、無污染，但成本很高

4、。1.2內(nèi)燃機(jī)發(fā)展簡史人類先是利用人力、蓄力、風(fēng)車、水車等自然力，18世紀(jì)后熱力發(fā)動機(jī)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(jì)出如圖1.3所示的內(nèi)燃機(jī)草圖，少量的火藥在氣缸里燃燒,提升活塞，當(dāng)氣體冷卻時，大氣壓力便將活塞向下推，進(jìn)行做功沖程，雖因火藥燃燒難以控制沒有研制成功，卻導(dǎo)致了蒸汽機(jī)的誕生，促成了歐洲的工業(yè)革命。但蒸汽機(jī)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(shí)用且效率更高的發(fā)動機(jī)。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(jì)。之后人們

5、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。1860年，法國的勒努瓦模仿蒸汽機(jī)的結(jié)構(gòu)，制造了第一臺實(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)，這臺煤氣機(jī)的熱效率為4%左右。A圖1.3惠更斯繪制的內(nèi)燃機(jī)方案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)家羅夏對內(nèi)燃機(jī)熱力過程進(jìn)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(jī)1876年，德國發(fā)明家奧托創(chuàng)制了第一臺往復(fù)活塞式、單缸、臥式、3.2千瓦的四

6、沖程內(nèi)燃機(jī)，它以煤氣為燃料，采用火焰點(diǎn)火，轉(zhuǎn)速為156.7轉(zhuǎn)/分，壓縮比為2.66，熱效率達(dá)到14%，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)。在當(dāng)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(jī)，并在巴黎博覽會上展出。奧托內(nèi)燃機(jī)得到推廣，性能不斷提高。1880年單機(jī)功率達(dá)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(dá)到2026%。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，1883年，德國的戴姆勒制造出第一臺燃用汽油的立式汽油機(jī)，當(dāng)時，其他內(nèi)燃機(jī)的轉(zhuǎn)速不超過200轉(zhuǎn)/分，它卻一

7、躍而達(dá)到800轉(zhuǎn)/分，因而機(jī)器輕了很多，特別適應(yīng)交通運(yùn)輸機(jī)械。18851886年，德國人本茨和戴姆勒發(fā)明了以汽油機(jī)為動力的汽車，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(diǎn)火內(nèi)燃機(jī)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(jī)1897年制成了第一臺壓縮點(diǎn)火的內(nèi)燃機(jī)。最初，狄塞爾力圖實(shí)現(xiàn)奧托循環(huán)，以獲得最高的熱效率，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

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(jī)。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年用作商船動力，1904年裝于艦艇，1913年第一臺以柴油機(jī)為動力的內(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。在往復(fù)活塞式內(nèi)燃機(jī)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(jī)，提出了各種各樣的旋轉(zhuǎn)式內(nèi)燃機(jī)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(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，按奧托循環(huán)工作，被稱為汪克爾發(fā)動機(jī)。這種發(fā)動機(jī)功率高、比質(zhì)量小、振動

9、小、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)簡單、維修方便，但由于燃料經(jīng)濟(jì)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(jì)了帶廢氣渦輪增壓器的增壓發(fā)動機(jī)，50年代后市場上才普及生產(chǎn)增壓內(nèi)燃機(jī)，此后增壓技術(shù)得到了迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用。20世紀(jì)60年代后期內(nèi)燃機(jī)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(jìn)入電子時代,21世紀(jì)的內(nèi)燃機(jī)也將步入“內(nèi)燃機(jī)電子時代”。第1章緒論起5第1章緒論起5 #20世紀(jì)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(jī)，促使內(nèi)燃機(jī)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(jī)和柴油機(jī)

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(jī)。1.3內(nèi)燃機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)燃機(jī)熱效率高、功率范圍大、適應(yīng)性好，已廣泛應(yīng)用于交通運(yùn)輸業(yè)、工農(nóng)業(yè)和軍事裝備等領(lǐng)域。1）汽車與機(jī)車內(nèi)燃機(jī)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(jī)現(xiàn)在也仍是鐵路機(jī)車的主要動力。2）航空燃?xì)廨啓C(jī)和噴氣式發(fā)動機(jī)幾乎是民航飛機(jī)和軍用飛機(jī)的唯一動力裝置。優(yōu)點(diǎn)：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(diǎn)：熱效率低，燃料消耗高。私人飛機(jī)、教練飛機(jī)、直升飛機(jī)和其它輕型飛機(jī)則使用往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)。3）工程機(jī)械起重機(jī)、挖掘機(jī)、壓路機(jī)、鏟車等工程機(jī)械、礦山和建筑機(jī)械大多用內(nèi)燃機(jī)作動力，自行式工程機(jī)械則全部采用柴油機(jī)、汽油機(jī)作動力。4）船舶內(nèi)河船舶全部采用柴油機(jī)作動力，在遠(yuǎn)洋海輪方面大型低速柴油機(jī)也是主要動力，原因是最經(jīng)濟(jì)。5）農(nóng)業(yè)隨農(nóng)業(yè)機(jī)械化的飛速發(fā)展，拖拉機(jī)和農(nóng)田作業(yè)機(jī)械、排灌機(jī)械、農(nóng)副產(chǎn)品加工機(jī)、中小漁船和林牧機(jī)械都大量使用內(nèi)燃機(jī)作動