發(fā)動機原理課件-緒論林學東版

1、發(fā)動機原理2內燃機內燃機：燃料在機器內部內部燃燒而將能量釋放并對外做功的機械設備。工質燃燒前為燃油與空氣的混合物，燃燒后為燃燒產物。 本課程主要內容本課程主要內容：往復往復式活塞內燃機 點燃式發(fā)動機壓燃式發(fā)動機從內燃機草圖從內燃機草圖蒸汽機發(fā)明蒸汽機發(fā)明汽車的發(fā)展汽車的發(fā)展內燃機內燃機一、內燃機概念的形成一、內燃機概念的形成惠更斯的草圖惠更斯的草圖產生于產生于1673年，惠更斯在凡爾賽宮用水過程中借年，惠更斯在凡爾賽宮用水過程中借助動力來代替體力勞動過程中的構想。助動力來代替體力勞動過程中的構想。 第一章第一章 緒論緒論1.11.1內燃機的發(fā)展內燃機的發(fā)展凡爾賽宮塞納河柯柯惠惠更斯更斯（Chr

2、istian Christian Huygens)Huygens)：荷蘭物理學家：荷蘭物理學家負責庭院里的樹木澆水負責庭院里的樹木澆水和噴水池的噴水和噴水池的噴水從塞納河汲水。從塞納河汲水。1673-16801673-1680惠更斯首先提出了惠更斯首先提出了：真空活塞式火藥燃燒的高溫燃氣在氣缸中冷卻后形成真空而帶動活塞做功；在人類歷史上第一次第一次把燃氣與活塞聯系起來，實現“內燃內燃”。自方案問世后，經12年后的1685年,設計制造出14臺直徑12m的水車，可滿足凡爾賽宮一天3000m3的用水要求。當時科學背景：當時科學背景： 十六世紀末和十七世紀初的三大實驗：十六世紀末和十七世紀初的三大實驗

3、：英國包爾塔的英國包爾塔的蒸汽壓力蒸汽壓力實驗；實驗；托里拆利托里拆利（Evangelista Torricelli）和帕斯卡和帕斯卡（ Blaise Pascal）的的大大氣壓力氣壓力實驗；實驗；格里凱格里凱（Otto von Guericke）的的真空作用真空作用實驗實驗“馬德堡半球試驗” 。三大實驗的作用： 人們開始認識蒸汽、大氣和真空蒸汽、大氣和真空的相互作用。 這些重大的實驗成果為早期蒸汽動力技術的開發(fā)奠定了牢固的科學實驗基礎。從惠更期草圖到蒸汽機經歷了三次技術革新三次技術革新第一次技術創(chuàng)新：法國物理學家工程師巴本（第一次技術創(chuàng)新：法國物理學家工程師巴本（Denis Papin 16

4、47-1712），最先應用蒸汽動力技術。），最先應用蒸汽動力技術。（巴本在火藥機試驗不斷失敗后，采用了相當于真空原理的用水蒸氣作工質的活塞式發(fā)動機，成為近代蒸汽機的直接祖先）二、從內燃機草圖到蒸汽機二、從內燃機草圖到蒸汽機實驗：先將汽缸底部注入少量水，加熱。當汽缸內的水沸騰后，蒸汽推動活塞慢慢上升；然后，從汽缸底部抽掉火，汽缸內蒸汽慢慢冷凝汽缸內產生真空，在大氣壓力推動下，活塞慢慢下降。結論：結論：利用蒸汽壓力、大氣壓力、真空的相互作用，利用蒸汽壓力、大氣壓力、真空的相互作用，可以推動汽缸內活塞作往返直線運動?？梢酝苿悠變然钊魍抵本€運動。這種運動所產生的機械動力可以帶動其他機械這種運動所

5、產生的機械動力可以帶動其他機械運動。運動。 發(fā)明帶有活塞的蒸汽泵后，考慮到蒸汽壓力大可能發(fā)明帶有活塞的蒸汽泵后，考慮到蒸汽壓力大可能會使汽缸爆炸，于會使汽缸爆炸，于1680年發(fā)明了年發(fā)明了安全閥安全閥。第一臺可以第一臺可以把熱能轉變?yōu)闄C械能的實驗型蒸汽泵，于把熱能轉變?yōu)闄C械能的實驗型蒸汽泵，于1680年在英國年在英國試驗成功。試驗成功。 第二次技術突破：第二次技術突破：英國機械工程師英國機械工程師賽維利賽維利（T.Savery 1650-1715）。）。 設計依據：設計依據：基于包爾塔的蒸汽力原理，其蒸汽泵主要由汽缸與鍋爐汽缸與鍋爐組成。特點：特點：汽缸中未采用活塞，只是在其中接有吸水管、排水

6、管和進汽管。與巴本汽缸不同點原理：原理：蒸汽從鍋爐經汽管進入汽缸后被冷卻時所造成的真空把礦井中的水從吸水管中吸進來再將蒸汽注入汽缸，由進入汽缸的蒸汽壓力把水從排水管中排出。第三次技術革新：托馬斯第三次技術革新：托馬斯紐可門（紐可門（Thomas Newcomen）針針對賽維利蒸汽泵兩大缺點改進對賽維利蒸汽泵兩大缺點改進:缺點一：熱效率太低。 改進措施：冷卻水不直接進入汽缸，而是通過一個細小龍頭向汽缸內噴水冷卻。缺點二：只是一種抽水泵，不輸出動力。 改進措施：引入活塞裝置。靠蒸汽壓力、大氣壓力和真空度的相互作用推動活塞作往復式機械運動對外輸出功蒸汽機。1712年紐可門蒸汽機問世。但熱效率依然不到

7、1%。紐可門蒸汽機原型：紐可門蒸汽機原型：將氣缸和活塞置于鍋上部；加熱鍋產生的蒸汽導入汽缸，推動活塞上升；向氣缸噴水，關閉閥門，缸內蒸汽被冷卻變成水，產生真空，活塞下降，抽水泵抽水。三、蒸汽革命三、蒸汽革命蒸汽汽車時代蒸汽汽車時代詹姆斯詹姆斯瓦特：瓦特： 瓦特掌管格拉斯哥大學實驗教具的機械員。瓦特掌管格拉斯哥大學實驗教具的機械員。 1764年受命格拉斯哥大學教學用紐可門年受命格拉斯哥大學教學用紐可門發(fā)動機的修理工作。發(fā)動機的修理工作。在修理紐可門蒸汽機中，發(fā)現其兩大缺點：在修理紐可門蒸汽機中，發(fā)現其兩大缺點： 燃料消耗量大而效率低只能作往復直線運動。 因此，除了用于礦井抽水之外，無其他用途，浪

8、費蒸氣達八成以上。故障診斷故障診斷第一個專利：第一個專利：啟蒙：啟蒙：1765年的春天，針對紐可門蒸汽機年的春天，針對紐可門蒸汽機熱效率低的原因熱效率低的原因是蒸汽在缸內冷凝造成的是蒸汽在缸內冷凝造成的能否讓蒸汽在缸外冷凝能否讓蒸汽在缸外冷凝產產生采用分離冷凝器的初步設想。生采用分離冷凝器的初步設想。解決措施解決措施：利用蒸汽具有“彈性” 特點，把汽缸和另一個容器相連接，讓蒸汽接入其中，就不需要一再冷卻汽缸，而浪費許多熱量。同年設計一個與汽缸分離的冷凝器，并在汽缸外面加絕熱套汽缸保持汽缸保持在高溫工作狀態(tài)。在高溫工作狀態(tài)。p從1766年1769年受他人贊助制出第一臺樣機，熱效率可達3%。同年，

9、瓦特因發(fā)明冷凝器而獲得在革新紐可門蒸汽機革新紐可門蒸汽機過程中的第一項專利第一項專利。帶冷凝器的蒸汽機雖試制成功，但相對紐可門蒸汽機，除了熱效率顯著帶冷凝器的蒸汽機雖試制成功，但相對紐可門蒸汽機，除了熱效率顯著提高外，還是無法作為真正的動力機械。提高外，還是無法作為真正的動力機械。致命缺陷：致命缺陷：活塞只能作往復直線運動。第一個專利的問題第一個專利的問題 1781年，在參加圓月學社活動過程中，受到圓周運動的啟發(fā)想到把活塞往復直線運動變?yōu)樾D運動就可以使動力傳給任何工作機械。同年，研制出一套“太陽和行星”齒輪聯動裝置；活塞的直線運動轉變?yōu)辇X輪的旋轉運動；為使轉動更加均勻，安裝一個飛輪。p這一機

10、構的重大革新，瓦特蒸汽機才真正成為動力機械。瓦特蒸汽機才真正成為動力機械。p1781年底，以發(fā)明帶有齒輪和拉桿的機械聯動裝置獲得第二個專利。第二個專利。p直線運動旋轉運動方案措施：讓蒸汽從兩端進入和排出，就可以讓蒸汽即能推動活塞向上運動又能推動活塞向下運動 效率就可以提高一倍。第三項專利第三項專利：針對蒸汽機效率不高的原因：蒸汽單項運動；針對蒸汽機效率不高的原因：蒸汽單項運動；即從一端進入、另一端出來。即從一端進入、另一端出來。p1782年，試制出一種帶有雙向裝置的新汽缸p獲得第三項專利。第三項專利。1784年以帶有飛輪、齒輪聯動裝置和雙向裝置的高壓蒸汽機綜合組裝，取得第四項專利；第四項專利；

11、1788年，又發(fā)明離心調速器和節(jié)氣閥；年，又發(fā)明離心調速器和節(jié)氣閥；1790年，發(fā)明汽缸示功器。年，發(fā)明汽缸示功器。 至此完成了蒸汽機發(fā)明的全過程至此完成了蒸汽機發(fā)明的全過程蒸汽動力裝置蒸汽動力裝置。在改進紐可門蒸汽機過程中的三次飛躍三次飛躍三個專利三個專利，首次把引入汽缸的蒸汽蒸汽由低壓低壓變?yōu)楦邏焊邏杭~可門蒸汽機瓦特蒸汽動力裝置。迎來蒸汽革命迎來蒸汽革命四、四沖程理論與內燃機的發(fā)明四、四沖程理論與內燃機的發(fā)明瓦特蒸汽機存在的問題：瓦特蒸汽機存在的問題： 蒸汽機體積龐大，熱效率低。蒸汽機體積龐大，熱效率低。要克服這一缺點，必須解決鍋爐與汽缸分離的要克服這一缺點，必須解決鍋爐與汽缸分離的問題問

12、題使鍋爐與汽缸合二為一。使鍋爐與汽缸合二為一。前期探索工作：如前期探索工作：如利用燃燒煙氣冷卻后產生的真空來抽水；利用燃燒煙氣冷卻后產生的真空來抽水；利用火藥在汽缸內爆炸時產生的壓力來驅動活塞；利用火藥在汽缸內爆炸時產生的壓力來驅動活塞；用氫氣和空氣的混合燃料來推動活塞。用氫氣和空氣的混合燃料來推動活塞。 根源根源途徑途徑對前人的研究成果進行深入分析后，找到問題的癥結：設計方案缺少提高效率的有效途徑。設計方案缺少提高效率的有效途徑。法國科學家德羅夏，立志要法國科學家德羅夏，立志要“站在瓦特肩膀上站在瓦特肩膀上”，解決這些問題。，解決這些問題。 1862年法國科學家德羅夏在卡諾（法國）熱力學研究

13、的基礎上，提出了四沖程內燃機工作原理。他認為高效率內燃機，必須具備兩個必要條件：他認為高效率內燃機，必須具備兩個必要條件： 第一，點火前要高壓第一，點火前要高壓壓縮過程；壓縮過程； 第二，燃料必須迅速膨脹，達到最大膨脹比。第二，燃料必須迅速膨脹，達到最大膨脹比。實現的具體方案：把活塞運動分成實現的具體方案：把活塞運動分成4個沖程，即個沖程，即 進氣進氣壓縮壓縮點火燃燒膨脹做功點火燃燒膨脹做功排氣。排氣。四沖程理論的建立：四沖程理論的建立：德國商人奧托一直關注內燃機研制情況。從蒸汽機的廣泛應用中，看到內燃機的發(fā)展前途；從德羅夏的理論設計中看到希望。p奧托對德羅夏方案，反復研讀，深刻領會其設計思想

14、；奧托對德羅夏方案，反復研讀，深刻領會其設計思想；p并全心投入內燃機的研制工作并全心投入內燃機的研制工作。 德羅夏雖建立四沖程理論，但未能制造出德羅夏雖建立四沖程理論，但未能制造出! 奧托的實驗：奧托的實驗：目的目的在發(fā)動機氣缸里實現煙囪冒煙現象（燃燒向稀薄區(qū)傳播）。手段手段用透明氣缸和手動活塞以及側式進排氣管模型，將香煙的煙放入進氣閥反復觀察結果結果：研究出空氣與煤氣的添加混合方法 同時，1858年法國人里諾發(fā)明了燃氣機： 用煤氣和空氣的混合氣取代蒸汽機的蒸汽； 用電池和感應線圈產生電火花點燃混合氣。此煤氣機: 有氣缸、活塞、連桿、飛輪等。是內燃機的初級內燃機的初級產品，但壓縮比為零。產品，

15、但壓縮比為零。奧托受里諾煤氣機煤氣機啟發(fā)，認為如果用液體燃料，其用途將更為拓寬，為此設計了汽化器汽化器。18621862：法國人羅徹斯(Beau de Rochas ）描述了四沖程發(fā)動機描述了四沖程發(fā)動機工作原理工作原理（但沒有足夠的錢去維護他的專利）。1862年年2月，奧托制造出一臺四沖程樣機。月，奧托制造出一臺四沖程樣機。指標：5% Pmax=4.5kw 整機重量大 1863年獲得專利，并建立年獲得專利，并建立“奧托公司奧托公司” 18671867年：大氣壓力式內燃機，年：大氣壓力式內燃機，Otto,LangenOtto,Langen指標：11%，Pmax=28kw ，整機重量4000磅利

16、用燃燒所產生的缸內壓力升高，在膨脹行程時加速一個自由活塞和齒條機構，它們的動量將使氣缸產生真空，然后大氣壓力推動活塞內行。齒條通過滾輪離合器與輸出軸嚙合，輸出功率。 1876年，奧托又設計出一種改進型點火系統(tǒng)，同年年，奧托又設計出一種改進型點火系統(tǒng)，同年5月研月研制出第一臺四沖程內燃機，翌年獲得專利權制出第一臺四沖程內燃機，翌年獲得專利權實現四沖實現四沖程理論程理論奧托循環(huán)。奧托循環(huán)。 （進氣、著火前的壓縮、燃燒膨脹與排氣）指標：14% Pmax=80kw 整機重量1250磅。此后，英國科學家對奧托四沖程內燃機進行改進此后，英國科學家對奧托四沖程內燃機進行改進在一在一臺內燃機中加上一個氣缸臺內

17、燃機中加上一個氣缸多缸機；多缸機；從而使輸出的動力更均勻。從而使輸出的動力更均勻。1892年，德國工程師魯道夫德國工程師魯道夫狄狄塞爾塞爾（Rudolf Diesel)提出了一種新型內燃機的專利，即在壓縮終了將液體燃料噴入缸內，利用壓縮終了氣體的高溫將燃氣點燃，它可以采用大的壓縮比和膨脹比，沒有爆燃。熱效率可比當時其它的內燃機高一倍。構想于五年后變成現實，即壓燃式發(fā)動機機壓燃式發(fā)動機機柴油機。柴油機。笨重的第一臺柴油機此后，學者們曾提出了各種各樣回轉發(fā)動機方案，直到19571957年，汪汪克爾克爾（F.Wankel）成功地試驗了他發(fā)明的轉子發(fā)動轉子發(fā)動機。機。第一章第一章 緒論緒論1.21.2

18、內燃機在汽車上的應用內燃機在汽車上的應用早在1769年，法國人瓊諾（N.J.Cugnot）就利用當時生產的蒸汽機制作了世界最初的蒸汽三輪汽車黑煙、噪聲、車速慢無馬的汽車1927年，徹底停止了蒸汽汽車的生產 雖然奧托發(fā)明了奧托循環(huán)，實現了四沖程理論，但在成功之后并沒能把成果推向汽車領域1881年戴姆勒離開奧托公司 目的：把奧托發(fā)動機應用到交通工具上。1883年，發(fā)明化油器，在奧托四沖程煤氣機的基礎上，研制出一臺小型單缸汽油機轉速達700900r/min；功率1.1馬力，空氣冷卻奧托發(fā)動機最大轉速180200r/min。1885年，將這臺小汽油機裝在一輛自行車上，制造出第一臺摩托車。1886年將小

19、汽油機和轉向器裝在一輛四輪車上。 該車氣缸總排量為469cm3，時速達到了16公里。這輛車的性能： 有風扇冷卻； 內燃機下墊著減振橡膠塊； 還有發(fā)動機預熱系統(tǒng)。 成為第一輛實用汽車之一。從此用小汽油機驅動車“馬車的機械化”。 1885年，本茨購買了奧托內燃機的專利，把一個四沖程內燃機裝在一輛不太穩(wěn)固的三輪車上，開創(chuàng)現代汽車史。后又將一臺功率0.8馬力，單缸2沖程小內燃機裝在一輛三輪車上，時速達到15公里。 亨利福特：美國發(fā)明家和農民企業(yè)家1892年由杜里埃兄弟（現代汽車的開山鼻祖）研制出第一輛汽車1896年福特制造出第一臺汽車。1903年創(chuàng)立福特汽車公司，生產A型車；1908年推出舉世聞名的T

20、型車，其特點： 設計精良、堅固耐用，維修簡便；1910年創(chuàng)造生產流水線， “世界生產方式歷史性變革”，使汽車大眾化。 汽車工業(yè)史上的三次變革汽車工業(yè)史上的三次變革 1914年美國福特汽車公司的汽車裝裝配流水線配流水線帶來了汽車工業(yè)史上的第第一次變革。一次變革。 第二次變革第二次變革發(fā)生在20世紀50年代。拆除當時歐洲內部的關稅壁壘，拆除當時歐洲內部的關稅壁壘，使歐洲市場空前繁榮，有力地推動了汽車制造工業(yè)的發(fā)展。20世紀60年代末，日本汽車工業(yè)創(chuàng)奇跡，生產物美價廉汽車物美價廉汽車，使得世界汽車工業(yè)發(fā)生第三次變革。第三次變革。亨利亨利.福特與其兒子坐在他的福特與其兒子坐在他的T型暢銷車內。型暢銷車內。 內燃機汽車發(fā)展的幾個階段提高性能提高性能主動安全主動安全被動安全被動安全環(huán)境保護環(huán)境保護節(jié)能節(jié)能二戰(zhàn)后，汽車工業(yè)復興到今天，汽車的發(fā)展經歷了幾個階