九年級(jí)物理全冊(cè)13.3內(nèi)燃機(jī)拓展素材(新版)滬科版

1、 內(nèi)燃機(jī)拓展 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(wèn)世以來(lái)，經(jīng)過(guò)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(lái)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。 活塞式內(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(guó)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。18

2、33年，英國(guó)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(guò)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(guó)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(wú) 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(guó)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(guó)科學(xué)家羅沙對(duì)內(nèi)燃機(jī)熱力過(guò)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

3、工作循環(huán)。 1876年，德國(guó)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、 3.2千瓦（4.4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 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(shí)，無(wú)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1115千瓦（1520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 15.5%, 1897年已高達(dá)2026%。1881年，英國(guó)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

4、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(guó)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(guò) 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。18851886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-2 - 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(guó)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(guò)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)

5、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(wèn)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

6、到1954年，聯(lián)邦德國(guó)工程師汪克爾解決了密封問(wèn)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(jiǎn)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。 二、現(xiàn)代火箭發(fā)動(dòng)機(jī) 現(xiàn)代火箭發(fā)動(dòng)機(jī)主要分固體推進(jìn)劑和液體推進(jìn)劑發(fā)動(dòng)機(jī)。 所謂“推進(jìn)劑”就是燃料 （燃 燒劑）加氧化劑的合稱。 1.固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī) 固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)為使用固體推進(jìn)劑的化學(xué)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。 固體推進(jìn)劑有聚氨酯、聚丁二烯、 端羥基聚丁二烯、硝

7、酸酯增塑聚醚等。 固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)由藥柱、燃燒室、噴管組件和點(diǎn)火裝置等組成。藥柱是由推進(jìn)劑與少量 添加劑制成的中空?qǐng)A柱體（中空部分為燃燒面，其橫截面形狀有圓形、星形等）。藥柱置于 燃燒室（一般即為發(fā)動(dòng)機(jī)殼體）中。在推進(jìn)劑燃燒時(shí)，燃燒室須承受 25003500度的高溫 和1022X 107帕的高壓力，所以須用高強(qiáng)度合金鋼、 鈦合金或復(fù)合材料制造， 并在藥柱與 燃燒內(nèi)壁間裝備隔熱襯。 點(diǎn)火裝置用于點(diǎn)燃藥柱，通常由電發(fā)火管和火藥盒（裝黑火藥或煙火劑）組成。通電后 由電熱絲點(diǎn)燃黑- 3 - 火藥，再由黑火藥點(diǎn)火燃藥拄。 噴管除使燃?xì)馀蛎浖铀佼a(chǎn)生推力外， 為了控制推力方向， 常與推力向量控制系統(tǒng)組成噴 管

8、組件。該系統(tǒng)能改變?nèi)細(xì)鈬娚浣嵌?，從而?shí)現(xiàn)推力方向的改變。 藥柱燃燒完畢，發(fā)動(dòng)機(jī)便停止工作。 固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)與液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)相比較， 具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單， 推進(jìn)劑密度大， 推進(jìn)劑可以 儲(chǔ)存在燃燒到中常備待用和操縱方便可靠等優(yōu)點(diǎn)。 缺點(diǎn)是“比沖”小 （也叫比推力， 是發(fā)動(dòng) 機(jī)推力與每秒消耗推進(jìn)劑重量的比值，單位為秒）。固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)比沖在 250300秒， 工作時(shí)間短，加速度大導(dǎo)致推力不易控制，重復(fù)起動(dòng)困難，從而不利于載人飛行。 固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)主要用作火箭彈、 導(dǎo)彈和探空火箭的發(fā)動(dòng)機(jī)， 以及航天器發(fā)射和飛機(jī)起 飛的助推發(fā)動(dòng)機(jī)。 2. 液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī) 液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)是指液體推進(jìn)劑的化學(xué)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。 常用的

9、液體氧化劑有液態(tài)氧、 四氧 化二氮等，燃燒劑由液氫、偏二甲肼、煤油等。氧化劑和燃燒劑必須儲(chǔ)存在不同的儲(chǔ)箱中。 液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)一般由推力室、推進(jìn)劑供應(yīng)系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)組成。 推力室是將液體推進(jìn)劑的化學(xué)能轉(zhuǎn)變成推進(jìn)力的重要組件。它由推進(jìn)劑噴嘴、燃燒室、 噴管組件等組成，見圖。 推進(jìn)劑通過(guò)噴注器注入燃燒室， 經(jīng)霧化， 蒸發(fā)， 混合和燃燒等過(guò)成 生成燃燒產(chǎn)物， 以高速 （ 2500 一 5000 米秒）從噴管中沖出而產(chǎn)生推力。燃燒室內(nèi)壓力可 達(dá)2O0大氣壓（約 20OMPa、溫度300C4000C，故需要冷卻。 推進(jìn)劑供應(yīng)系統(tǒng)的功用是按要求的流量和壓力向燃燒室輸送推進(jìn)劑。按輸送方式不同， 有擠壓式 （氣壓式） 和泵壓式兩類供應(yīng)系統(tǒng)。 擠壓式供應(yīng)系統(tǒng)是利用高壓氣體經(jīng)減壓器減壓 后（氧化劑、燃燒劑的流量是靠減壓器調(diào)定的壓力控制）進(jìn)入氧化劑、燃燒劑貯箱，將其分 別擠壓到燃燒室中。 擠壓式供應(yīng)系統(tǒng)只用于小推力發(fā)動(dòng)機(jī)。 大推力發(fā)動(dòng)機(jī)則用泵壓式供應(yīng)系 統(tǒng)，這種系統(tǒng)是用液壓泵輸送推進(jìn)劑。 發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的功用是對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作程序和工作參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制。 工作程序包 括發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)、