发动机的历史与发展资料

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1、发动机的历史与发展,BEIJING INSTITUTE OF TECHNOLOGY,内燃机基本结构、概念回顾,何谓内燃机？,内燃机基本结构、原理回顾,一个重要参数：压缩比,讲解内容,一 发动机的诞生 二 军用动力与近代史 三 内燃机行业前途问题,一 发动机的诞生,惠更斯绘制的发动机设计方案图（1673年）,1. 第一台发动机,设计者惠更斯：(荷兰物理学家，法国巴黎凡尔塞宫的汲水总管。发现了土星光环、动量守恒，发明钟摆，提出光的波动学说等) 凡尔塞宫：耗水3000m3/天 （来自塞那河）,火力内燃机 （1673设计 1685研制出来）,一 发动机的诞生,需求是第一位的，技术推动是第二位的。 12

2、年后 1685惠更斯的学生根据老师的原理图，设计并研制了14台直径12m的水车，满足了凡尔塞宫供水的要求。,意大利人的达芬奇于1509年绘出了类似的火力发动机（设计构想）！,2 第一台蒸汽机,纽科门蒸汽机（1712英国铁匠），设计者巴黎医学院学生巴平 ）,蒸汽力赫更斯的火力发动机的火药爆炸膨胀力,需求推动煤矿排水。,英国铁匠纽科门,2 第一台蒸汽机,参数与指标 H10m，D=1454mm，S=2100mm，Pe=25马力，n=9r/min，=1，e1% 。,缺点： 效率低 体积大 要依靠重力工作。只能立放，未脱离火力发动机模式。,纽可门蒸汽机活塞,未能广泛普及。对当时的工业推动小，没有得到历史

3、发明权 。,3 瓦特蒸汽机,1763年提出改进设计 1776年研制出来）,瓦特：英国格拉斯大学实验室设备修理工。在维修纽科门蒸汽机的过程中得到启发。,问题一：体积大、功率小。 解决措施：增加蒸汽量；,问题二：增加蒸汽量后冷却用水量增加壁温降低需进一步增加蒸汽量；,问题三：外加冷凝器后，蒸汽通过狭窄的冷凝器阻力很大； 解决措施：给汽缸蒸汽加压，=1 =2* 低速汽油机Otto奥托循环理论效率：=1-1/ k-1,解决措施：外加冷凝器*；让蒸汽在冷凝器内冷却；,3 瓦特蒸汽机,发明的关键：冷凝器、 =2 e=3% （4倍）,重要的效果是：该蒸汽机可不借助于重力工作，布置使用更加方便，因而迅速推广、

4、改进、提高。 1784年装上了曲轴和飞轮，在各行各业普及使用，极大地促进了当时的工业发展。被历史公认为蒸汽机的发明人。,促成了第一次工业革命。,3 第一台内燃机 （纽科门的蒸汽机发明155年后，1860年）,经过很多人70多年的努力，法国人勒诺瓦尔（兰诺）于1860用”煤气+空气”代替200年前火力发动机中的火药研制了第一台内燃机。 压缩比 =1，效率4.5%，最大功率4.5kW 18601865年共生产了约5000台,当时蒸汽机的效率已近10%。,为什么所研制内燃机效率这样低?,勒诺瓦尔的错误理论： 爆发冲击太大，是造成热效率低的原因，应进行缓慢燃烧。,著名物理学家勒诺瓦尔 理论奥托的研究与

5、思考,当时内燃机特点：效率低，体积小、重量轻。如果能提高效率，其应用前景是非常广阔的。,问题： 1.没有在上止点附近燃烧，膨胀不充分； 2.没有压缩过程，压缩比1； 3.还要借助于大气压力使活塞复位,4 奥托的4冲程点燃式煤气机,（1876年）由错误结论导致的伟大发明。 也是“执著+灵感+运气”的结果,应该在缸内实现“分层燃烧”！,研究采用了“可视观察法”,如何降低燃烧速度？,稀燃！,如何保证正常点燃？,如何在缸内实现“分层燃烧”？,4 奥托的4冲程点燃式煤气机,奥托制作了透明的汽缸，用烟代替燃料（煤气）来研究如何实现分层燃烧。,实现方案： （1）进气过程形成稀薄混合气； （2）在点火前，在火

6、花塞附近形成浓混合气。,4 奥托的4冲程点燃式煤气机,问题： 当时的发动机都是两冲程的（膨胀和排气），与现在的主冲程为膨胀和压缩的两冲程发动机不同，进气在活塞上止点附近完成（ =1 ）。,由于没有独立的进气冲程，很难实现分层燃烧。,解决措施： 增加独立的进气冲程，提出采用4冲程发动机。第四个冲程即为“压缩冲程”！,4 奥托的4冲程点燃式煤气机,奥托不仅提出了“四冲程发动机的设想”，而且在得力助手梅巴哈的帮助下于1876年研制了第一台4冲程点燃式煤气机。由于有独立的压缩冲程，可以说不得不实现较高的压缩比。,该煤气机为单缸、四冲程、卧式、按等容燃烧，=2.5， Pe=4PS， e=14%，运转平稳

7、，体积小，质量减小了70%。很快得到推广应用，从而形成了内燃机工业。,奥托4冲程点燃式煤气机的快速发展,当人们真正知道了“提高压缩比可以提高效率”后 1880年功率达1520PS，1893年则达到200PS。 1886年热效率达到15.5%，1894年热效率高达20%。,理论指导的重要性！,功不可没的梅巴哈,（1）十字头连杆。解决活塞与缸套间的磨损与密封。 （2）减压装置。启动用。,梅巴哈：后任戴姆勒公司总工程师，设计了二战战斗机上的戴姆勒发动机等。,14年前1862年法国铁路工程师“罗沙”已经发表了四冲程内燃机原理的论文并申请了专利。,第一台内燃机,5 “卡诺循环”理论,1.卡诺其人、其书、

8、其预言 (奥托机前52年，1824年，卡诺28岁),卡诺服役期间出版了一本火力发动机的研究考察一书。5060年后人们才真正认识该书的重要性和先见性。,卡诺的贡献,1）卡诺循环 2）压缩比与效率的结论 3）发动机评价体系 4）对蒸汽机未来发展的预言,奥托发动机效率高的根本原因是提高了压缩比。 意味着：要得到就要先付出；付出得越多，得到得越多。,“卡诺循环”理论效率提高的方向,5“卡诺循环”理论,2）压缩比与效率的结论 卡诺通过大量统计、研究得出：要想提高发动机的效率必须提高压缩比。,1）卡诺循环 工作在高低温热源间热机所能达到的最高理论效率。carnot=1-T1/T2 卡诺循环的弱点: Pzm

9、ax很高；循环指示功很低。,5“卡诺循环”理论,4）对蒸汽机未来发展的预言 在蒸汽机的鼎盛时期，作出了蒸汽机必将被另一种发动机所代替的预言 。蒸汽机实现高温、高压缩比都很困难。,3）发动机评价体系 提出了非常全面的发动机评价指标体系：动力性、经济性、可靠性、适应性、紧凑性等。,二 军用动力与近代史,1. FF方式,73年的石油危机使美国的汽车行业第一次亏损，仅通用GM汽车公司一年亏损就达8亿美金。以通用GM汽车公司为主的一个研究机构，经过深入研究，1979年提出了一系列提高汽车（发动机）经济性的措施。这些措施可以分成四类： 1）小型化、轻量化 2）最佳化 3）减少各种损失 4）采用 FF方式,

10、FF方式与克里斯蒂,FF方式是美国人“克里斯蒂”于1904年提出。并研制了V4，排量45.9L的横置发动机前置前轮驱动汽车。,当时汽车差速器等的制造技术还不行，FF方式汽车的振动、噪声大，未能普及。 克里斯蒂还研制了4*4“兰鸟”牌汽车。,2“克里斯蒂”与T34坦克发动机,一战期间（1915年）应军方要求克里斯蒂关闭了他心爱的FF方式汽车研究所，专门研究坦克。,克里斯蒂对坦克的设计要求：速度与机动性。 克里斯蒂认为坦克的作用：包抄、突袭、集团作战 远远超过了一战和二战初期对坦克的要求步兵的挡箭牌。 克里斯蒂要求其坦克：道路（去履带）速度130km/h，野外（带履带）64km/h。因此必须具有高

11、功率。,2“克里斯蒂”与T34坦克发动机,19191930年克里斯蒂按他的思路研制出多种坦克，包括水陆坦克。样车成本35000$。 8辆坦克，克里斯蒂向军方要价83000$，但军方只准备付15000$； 波兰1辆30000$，制造权90000$；未谈成 苏联1辆55000$购买了两辆10吨坦克，于1930年12月24日圣诞节前夕，拆除武器，作为农用机械运回苏联。 该坦克的发动机（原型机）为航空发动机： D=150、V12、750PS、汽油机。,3 T34坦克开发过程,1939年与日本。日本希望两边夹击苏联与希特勒汇合,日本坦克速度26km/h BT坦克野外64km/h，防护和火力也强得多,缺点

12、：汽油机,1939年,1930年12月购买,4 T34坦克发动机,T34坦克发动机：(1939年） V12柴油机。V型夹角60o D/S=150/180(186.7)、主副连杆 4气门、直喷、排量38.8L 500PS/1800r/min，nmax=2000r/min、Pe=550600PS be=231g/kw.h(170g/ps.h)，国际7080年代水平。 当时先进水平270 g/kw.h,1943年T34坦克产量已达24000辆。防御、火力，特别是速度远远超过德国坦克，行驶半径是德国坦克的34倍。为苏联赢得二战胜利起到了非常关键的作用。被誉为：功勋坦克 曾经每月生产1300辆，异常简单

13、，可靠性高，适应性极高 首次使用斜装甲；火力、防御力、机动性、适应性都达到了极致 古往今来的坦克至尊；埃及依然在使用改进的T-34坦克,三 内燃机行业前途问题,问题1 内燃机还能发展多少年？,问题2 内燃机或汽车行业是高新技术行业吗？,问题3 内燃机还有创新的空间吗？,问题4 国外内燃机水平高在哪里？,问题1：内燃机还能发展多少年？,1）石油还能维持多少年？,2）内燃机是否在近期会被其它动力所取代？,（1）内燃机的优势,（2）内燃机的劣势,能量、功率密度高 经济性高，CO2排放低。 （工艺成熟）,能量单一 排放难以治理（有矛盾）,内燃机的优势,1）能量、功率密度高,2）经济性高，CO2排放低。

14、 （工艺成熟）,太阳能电池：7% ；蓄电池：使用成本、污染 燃料电池：H2,g100 W,内燃机的劣势,1）能量单一（有可再生的代用燃料醇类燃料、生物燃料） 2）排放难以治理（有矛盾）,问题2：内燃机或汽车行业是高新技术行业吗？,（1）国内无力研制高档内燃机或汽车！只有技术发达国家能够拥有自己研制的高档车或先进动力；,（2）有最复杂的电子系统。,（3）要求最高、最复杂的安全、自动驾驶系统。,（4）高频使用、压力很高，加工精度、控制精度要求最高的液力系统。,（5）内燃机具有各种很复杂的柔性调节、智能控制装置。,（6）汽车是最精美的艺术品。,轿车上的电子系统,发动机电控 电子调速系统(EDC):

15、电子可调燃油喷射 电子点火(汽油机) 氧调节系统 增压空气压力调节系统 (涡轮增压的发动机)。 等等。,电子变速器控制,动力装置,在车诊断系统,控制单元间网络连接(CAN),通讯,语言输出,利用语言的功能控制(语音识别),听力电器,车用计算机,车载电话,新的显示技术(显示器、投影仪),上网和PC机,总线，如CAN,系统诊断,导航GPS,视频,安全性,防抱死制动系统(ABS),驱动装置防侧滑调节系统(ASR),电子稳定性程序(ESP),前照灯调整和清洗,刮水和清洗控制,保养时间显示,燃油和磨损点监控系统,安全气囊、安全带张紧器和安全带转动杆松开系统,汽车安全系统,轮胎压力系统,控制单元间网络连接

16、(CAN),系统诊断,舒适性,车速调节,车速适应性调节(雷达传感器),采暖和车内气候调节,座椅位置调节,中央闭锁系统,底盘调节系统,后室监控,控制单元间网络连接(CAN),系统诊断,1远程雷达，77GHz，作用范围120m 2远、近程红外夜视仪 3外部视频，夜视，作用范围 40m 4近程雷达， 24GHz，作用范围10m 5内部视频 6超声波，作用范围 1.5m,汽车周围的系统（安全、自动驾驶）,全球定位(导航)系统GPS 防抱死系统ABS 防侧滑系统ASR 安全气囊 车载在线故障诊断系统OBD ,高压共轨供油系统 The Common Rail System,高压共轨式电控喷射系统的特点（简）,高喷压200MPa；喷压独立于发动机转速；调节喷油率的形状，实现理想喷油规律。,实现多级喷射（在压缩上止点附近，34ms内，精确控制喷射5、6次；实现不同的目的）,