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1、 1 内燃机拓展内燃机拓展 一 一 内燃机的发展历史内燃机的发展历史 活塞式内燃机自 19 世纪 60 年代问世以来 经过不断改进和发展 已是比较完善的机 械 它热效率高 功率和转速范围宽 配套方便 机动性好 所以获得了广泛的应用 全 世界各种类型的汽车 拖拉机 农业机械 工程机械 小型移动电站和战车等都以内燃机 为动力 海上商船 内河船舶和常规舰艇 以及某些小型飞机也都由内燃机来推进 世界 上内燃机的保有量在动力机械中居首位 它在人类活动中占有非常重要的地位 活塞式内燃机起源于用火药爆炸获取动力 但因火药燃烧难以控制而未获成功 1794 年 英国人斯特里特提出从燃料的燃烧中获取动力 并且第一
2、次提出了燃料与空气混合的 概念 1833 年 英国人赖特提出了直接利用燃烧压力推动活塞作功的设计 之后人们又提出过各种各样的内燃机方案 但在十九世纪中叶以前均未付诸实用 直 到 1860 年 法国的勒努瓦模仿蒸汽机的结构 设计制造出第一台实用的煤气机 这是一种 无压缩 电点火 使用照明煤气的内燃机 勒努瓦首先在内燃机中采用了弹力活塞环 这 台煤气机的热效率为 4 左右 英国的巴尼特曾提倡将可燃混合气在点火之前进行压缩 随后又有人著文论述对可燃 混合气进行压缩的重要作用 并且指出压缩可以大大提高勒努瓦内燃机的效率 1862 年 法国科学家罗沙对内燃机热力过程进行理论分析之后 提出提高内燃机效率的
3、要求 这就 是最早的四冲程工作循环 1876 年 德国发明家奥托运用罗沙的原理 创制成功第一台往复活塞式 单缸 卧式 3 2 千瓦 4 4 马力 的四冲程内燃机 仍以煤气为燃料 采用火焰点火 转速为 156 7 转 分 压缩比为 2 66 热效率达到 14 运转平稳 在当时 无论是功率还是热效率 它都 是最高的 奥托内燃机获得推广 性能也在提高 1880 年单机功率达到 11 15 千瓦 15 20 马力 到 1893 年又提高到 150 千瓦 由于压缩比的提高 热效率也随之增高 1886 年热效率为 15 5 1897 年已高达 20 26 1881 年 英国工程师克拉克研制成功第一台二冲程
4、的煤 气机 并在巴黎博览会上展出 随着石油的开发 比煤气易于运输携带的汽油和柴油引起了人们的注意 首先获得试 用的是易于挥发的汽油 1883 年 德国的戴姆勒创制成功第一台立式汽油机 它的特点是 轻型和高速 当时其他内燃机的转速不超过 200 转 分 它却一跃而达到 800 转 分 特别 2 适应交通动输机械的要求 1885 1886 年 汽油机作为汽车动力运行成功 大大推动了汽 车的发展 同时 汽车的发展又促进了汽油机的改进和提高 不久汽油机又用作了小船的 动力 1892 年 德国工程师狄塞尔受面粉厂粉尘爆炸的启发 设想将吸入气缸的空气高度压 缩 使其温度超过燃料的自燃温度 再用高压空气将燃
5、料吹入气缸 使之着火燃烧 他首 创的压缩点火式内燃机 柴油机 于 1897 年研制成功 为内燃机的发展开拓了新途径 狄塞尔开始力图使内燃机实现卡诺循环 以求获得最高的热效率 但实际上做到的是 近似的等压燃烧 其热效率达 26 压缩点火式内燃机的问世 引起了世界机械业的极大 兴趣 压缩点火式内燃机也以发明者而命名为狄塞尔引擎 这种内燃机以后大多用柴油为燃料 故又称为柴油机 1898 年 柴油机首先用于固定 式发电机组 1903 年用作商船动力 1904 年装于舰艇 1913 年第一台以柴油机为动力的 内燃机车制成 1920 年左右开始用于汽车和农业机械 早在往复活塞式内燃机诞生以前 人们就曾致力
6、于创造旋转活塞式的内燃机 但均未 获成功 直到 1954 年 联邦德国工程师汪克尔解决了密封问题后 才于 1957 年研制出旋 转活塞式发动机 被称为汪克尔发动机 它具有近似三角形的旋转活塞 在特定型面的气 缸内作旋转运动 按奥托循环工作 这种发动机功率高 体积小 振动小 运转平稳 结 构简单 维修方便 但由于它燃料经济性较差 低速扭矩低 排气性能不理想 所以还只 是在个别型号的轿车上得到采用 二 二 现代火箭发动机现代火箭发动机 现代火箭发动机主要分固体推进剂和液体推进剂发动机 所谓 推进剂 就是燃料 燃烧剂 加氧化剂的合称 1 固体火箭发动机固体火箭发动机 固体火箭发动机为使用固体推进剂的
7、化学火箭发动机 固体推进剂有聚氨酯 聚丁二 烯 端羟基聚丁二烯 硝酸酯增塑聚醚等 固体火箭发动机由药柱 燃烧室 喷管组件和点火装置等组成 药柱是由推进剂与少 量添加剂制成的中空圆柱体 中空部分为燃烧面 其横截面形状有圆形 星形等 药柱 置于燃烧室 一般即为发动机壳体 中 在推进剂燃烧时 燃烧室须承受 2500 3500 度的 高温和 102 2 107 帕的高压力 所以须用高强度合金钢 钛合金或复合材料制造 并在 药柱与燃烧内壁间装备隔热衬 3 点火装置用于点燃药柱 通常由电发火管和火药盒 装黑火药或烟火剂 组成 通电 后由电热丝点燃黑火药 再由黑火药点火燃药拄 喷管除使燃气膨胀加速产生推力外
8、 为了控制推力方向 常与推力向量控制系统组成 喷管组件 该系统能改变燃气喷射角度 从而实现推力方向的改变 药柱燃烧完毕 发动机便停止工作 固体火箭发动机与液体火箭发动机相比较 具有结构简单 推进剂密度大 推进剂可 以储存在燃烧到中常备待用和操纵方便可靠等优点 缺点是 比冲 小 也叫比推力 是 发动机推力与每秒消耗推进剂重量的比值 单位为秒 固体火箭发动机比冲在 250 300 秒 工作时间短 加速度大导致推力不易控制 重复起动困难 从而不利于载人飞行 固体火箭发动机主要用作火箭弹 导弹和探空火箭的发动机 以及航天器发射和飞机 起飞的助推发动机 2 液体火箭发动机液体火箭发动机 液体火箭发动机是
9、指液体推进剂的化学火箭发动机 常用的液体氧化剂有液态氧 四 氧化二氮等 燃烧剂由液氢 偏二甲肼 煤油等 氧化剂和燃烧剂必须储存在不同的储箱 中 液体火箭发动机一般由推力室 推进剂供应系统 发动机控制系统组成 推力室是将液体推进剂的化学能转变成推进力的重要组件 它由推进剂喷嘴 燃烧室 喷管组件等组成 见图 推进剂通过喷注器注入燃烧室 经雾化 蒸发 混合和燃烧等过 成生成燃烧产物 以高速 2500 一 5000 米 秒 从喷管中冲出而产生推力 燃烧室内压 力可达 2O0 大气压 约 20OMPa 温度 300O 4000 故需要冷却 推进剂供应系统的功用是按要求的流量和压力向燃烧室输送推进剂 按输
10、送方式不同 有挤压式 气压式 和泵压式两类供应系统 挤压式供应系统是利用高压气体经减压器减 压后 氧化剂 燃烧剂的流量是靠减压器调定的压力控制 进入氧化剂 燃烧剂贮箱 将 其分别挤压到燃烧室中 挤压式供应系统只用于小推力发动机 大推力发动机则用泵压式 供应系统 这种系统是用液压泵输送推进剂 发动机控制系统的功用是对发动机的工作程序和工作参数进行调节和控制 工作程序 包括发动机起动 工作 关机三个阶段 这一过程是按预定程序自动进行的 工作参数主 要指推力大小 推进剂的混合比 液体火箭发动机的优点是比冲高 25O 5OO 秒 推力范围大 单台推力在 1 克 力 700 吨力 能反复起动 能控制推力大小 工作时间较长等 液体火箭发动机主要 4 用作航天器发射 姿态修正与控制 轨道转移等
