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1、发动机原理2内燃机内燃机：燃料在机器内部内部燃烧而将能量释放并对外做功的机械设备。工质燃烧前为燃油与空气的混合物，燃烧后为燃烧产物。 本课程主要内容本课程主要内容：往复往复式活塞内燃机 点燃式发动机压燃式发动机从内燃机草图从内燃机草图蒸汽机发明蒸汽机发明汽车的发展汽车的发展内燃机内燃机一、内燃机概念的形成一、内燃机概念的形成惠更斯的草图惠更斯的草图产生于产生于1673年，惠更斯在凡尔赛宫用水过程中借年，惠更斯在凡尔赛宫用水过程中借助动力来代替体力劳动过程中的构想。助动力来代替体力劳动过程中的构想。 第一章第一章 绪论绪论1.11.1内燃机的发展内燃机的发展凡尔赛宫塞纳河柯柯惠惠更斯更斯（Chr
2、istian Christian Huygens)Huygens)：荷兰物理学家：荷兰物理学家负责庭院里的树木浇水负责庭院里的树木浇水和喷水池的喷水和喷水池的喷水从塞纳河汲水。从塞纳河汲水。1673-16801673-1680惠更斯首先提出了惠更斯首先提出了：真空活塞式火药燃烧的高温燃气在气缸中冷却后形成真空而带动活塞做功；在人类历史上第一次第一次把燃气与活塞联系起来，实现“内燃内燃”。自方案问世后，经12年后的1685年,设计制造出14台直径12m的水车，可满足凡尔赛宫一天3000m3的用水要求。当时科学背景：当时科学背景： 十六世纪末和十七世纪初的三大实验：十六世纪末和十七世纪初的三大实验
3、：英国包尔塔的英国包尔塔的蒸汽压力蒸汽压力实验；实验；托里拆利托里拆利（Evangelista Torricelli）和帕斯卡和帕斯卡（ Blaise Pascal）的的大大气压力气压力实验；实验；格里凯格里凯（Otto von Guericke）的的真空作用真空作用实验实验“马德堡半球试验” 。三大实验的作用： 人们开始认识蒸汽、大气和真空蒸汽、大气和真空的相互作用。 这些重大的实验成果为早期蒸汽动力技术的开发奠定了牢固的科学实验基础。从惠更期草图到蒸汽机经历了三次技术革新三次技术革新第一次第一次技术创新：法国物理学家工程师巴本（技术创新：法国物理学家工程师巴本（Denis Papin 16
4、47-1712），最先应用蒸汽动力技术），最先应用蒸汽动力技术。（巴本在火药机试验不断失败后，采用了相当于真空原理的用水蒸气作工质的活塞式发动机，成为近代蒸汽机的直接祖先）二、从内燃机草图到蒸汽机二、从内燃机草图到蒸汽机实验：先将汽缸底部注入少量水，加热。当汽缸内的水沸腾后，蒸汽推动活塞慢慢上升；然后，从汽缸底部抽掉火，汽缸内蒸汽慢慢冷凝汽缸内产生真空，在大气压力推动下，活塞慢慢下降。结论：结论：利用蒸汽压力、大气压力、真空的相互作用，利用蒸汽压力、大气压力、真空的相互作用，可以推动汽缸内活塞作往返直线运动。可以推动汽缸内活塞作往返直线运动。这种运动所产生的机械动力可以带动其他机械这种运动所产
5、生的机械动力可以带动其他机械运动。运动。 发明带有活塞的蒸汽泵后，考虑到蒸汽压力大可能发明带有活塞的蒸汽泵后，考虑到蒸汽压力大可能会使汽缸爆炸，于会使汽缸爆炸，于1680年发明了年发明了安全阀安全阀。第一台可以第一台可以把热能转变为机械能的实验型蒸汽泵，于把热能转变为机械能的实验型蒸汽泵，于1680年在英国年在英国试验成功。试验成功。第二次技术突破：第二次技术突破：英国机械工程师英国机械工程师赛维利赛维利（T.Savery 1650-1715）。）。设计依据：设计依据：基于包尔塔的蒸汽力原理，其蒸汽泵主要由汽缸与锅炉汽缸与锅炉组成。特点：特点：汽缸中未采用活塞，只是在其中接有吸水管、排水管和进
6、汽管。与巴本汽缸不同点原理：原理：蒸汽从锅炉经汽管进入汽缸后被冷却时所造成的真空把矿井中的水从吸水管中吸进来再将蒸汽注入汽缸，由进入汽缸的蒸汽压力把水从排水管中排出。第三次技术革新：托马斯第三次技术革新：托马斯纽可门（纽可门（Thomas Newcomen）针针对赛维利蒸汽泵两大缺点改进对赛维利蒸汽泵两大缺点改进:缺点一：热效率太低。 改进措施：冷却水不直接进入汽缸，而是通过一个细小龙头向汽缸内喷水冷却。缺点二：只是一种抽水泵，不输出动力。 改进措施：引入活塞装置。靠蒸汽压力、大气压力和真空度的相互作用推动活塞作往复式机械运动对外输出功蒸汽机。1712年纽可门蒸汽机问世。但热效率依然不到1%。
7、纽可门蒸汽机原型：纽可门蒸汽机原型：将气缸和活塞置于锅上部；加热锅产生的蒸汽导入汽缸，推动活塞上升；向气缸喷水，关闭阀门，缸内蒸汽被冷却变成水，产生真空，活塞下降，抽水泵抽水。三、蒸汽革命三、蒸汽革命蒸汽汽车时代蒸汽汽车时代詹姆斯詹姆斯瓦特：瓦特： 瓦特掌管格拉斯哥大学实验教具的机械员。瓦特掌管格拉斯哥大学实验教具的机械员。 1764年受命格拉斯哥大学教学用纽可门年受命格拉斯哥大学教学用纽可门发动机的修理工作。发动机的修理工作。在修理纽可门蒸汽机中，发现其两大缺点：在修理纽可门蒸汽机中，发现其两大缺点： 燃料消耗量大而效率低只能作往复直线运动。 因此，除了用于矿井抽水之外，无其他用途，浪费蒸气
8、达八成以上。故障诊断故障诊断第一个专利：第一个专利：启蒙：启蒙：1765年的春天，针对纽可门蒸汽机年的春天，针对纽可门蒸汽机热效率低的原因热效率低的原因是蒸汽在缸内冷凝造成的是蒸汽在缸内冷凝造成的能否让蒸汽在缸外冷凝能否让蒸汽在缸外冷凝产产生采用分离冷凝器的初步设想。生采用分离冷凝器的初步设想。解决措施解决措施：利用蒸汽具有“弹性” 特点，把汽缸和另一个容器相连接，让蒸汽接入其中，就不需要一再冷却汽缸，而浪费许多热量。同年设计一个与汽缸分离的冷凝器，并在汽缸外面加绝热套汽缸保持汽缸保持在高温工作状态。在高温工作状态。p从1766年1769年受他人赞助制出第一台样机，热效率可达3%。同年，瓦特因
9、发明冷凝器而获得在革新纽可门蒸汽机革新纽可门蒸汽机过程中的第一项专利第一项专利。带冷凝器的蒸汽机虽试制成功，但相对纽可门蒸汽机，除了热效率显著带冷凝器的蒸汽机虽试制成功，但相对纽可门蒸汽机，除了热效率显著提高外，还是无法作为真正的动力机械。提高外，还是无法作为真正的动力机械。致命缺陷：致命缺陷：活塞只能作往复直线运动。第一个专利的问题第一个专利的问题 1781年，在参加圆月学社活动过程中，受到圆周运动的启发想到把活塞往复直线运动变为旋转运动就可以使动力传给任何工作机械。同年，研制出一套“太阳和行星”齿轮联动装置；活塞的直线运动转变为齿轮的旋转运动；为使转动更加均匀，安装一个飞轮。p这一机构的重
10、大革新，瓦特蒸汽机才真正成为动力机械。瓦特蒸汽机才真正成为动力机械。p1781年底，以发明带有齿轮和拉杆的机械联动装置获得第二个专利。第二个专利。p直线运动旋转运动方案措施：让蒸汽从两端进入和排出，就可以让蒸汽即能推动活塞向上运动又能推动活塞向下运动 效率就可以提高一倍。第三项专利第三项专利：针对蒸汽机效率不高的原因：蒸汽单项运动；针对蒸汽机效率不高的原因：蒸汽单项运动；即从一端进入、另一端出来。即从一端进入、另一端出来。p1782年，试制出一种带有双向装置的新汽缸p获得第三项专利。第三项专利。1784年以带有飞轮、齿轮联动装置和双向装置的高压蒸汽机综合组装，取得第四项专利；第四项专利；178
11、8年，又发明离心调速器和节气阀；年，又发明离心调速器和节气阀；1790年，发明汽缸示功器。年，发明汽缸示功器。 至此完成了蒸汽机发明的全过程至此完成了蒸汽机发明的全过程蒸汽动力装置蒸汽动力装置。在改进纽可门蒸汽机过程中的三次飞跃三次飞跃三个专利三个专利，首次把引入汽缸的蒸汽蒸汽由低压低压变为高压高压纽可门蒸汽机瓦特蒸汽动力装置。迎来蒸汽革命迎来蒸汽革命四、四冲程理论与内燃机的发明四、四冲程理论与内燃机的发明瓦特蒸汽机存在的问题：瓦特蒸汽机存在的问题： 蒸汽机体积庞大，热效率低。蒸汽机体积庞大，热效率低。要克服这一缺点，必须解决锅炉与汽缸分离的要克服这一缺点，必须解决锅炉与汽缸分离的问题问题使锅
12、炉与汽缸合二为一。使锅炉与汽缸合二为一。前期探索工作：如前期探索工作：如利用燃烧烟气冷却后产生的真空来抽水；利用燃烧烟气冷却后产生的真空来抽水；利用火药在汽缸内爆炸时产生的压力来驱动活塞；利用火药在汽缸内爆炸时产生的压力来驱动活塞；用氢气和空气的混合燃料来推动活塞。用氢气和空气的混合燃料来推动活塞。 根源根源途径途径对前人的研究成果进行深入分析后，找到问题的症结：设计方案缺少提高效率的有效途径。设计方案缺少提高效率的有效途径。法国科学家德罗夏，立志要法国科学家德罗夏，立志要“站在瓦特肩膀上站在瓦特肩膀上”，解决这些问题。，解决这些问题。 1862年法国科学家德罗夏在卡诺（法国）热力学研究的基础
13、上，提出了四冲程内燃机工作原理。他认为高效率内燃机，必须具备两个必要条件：他认为高效率内燃机，必须具备两个必要条件： 第一，点火前要高压第一，点火前要高压压缩过程；压缩过程； 第二，燃料必须迅速膨胀，达到最大膨胀比。第二，燃料必须迅速膨胀，达到最大膨胀比。实现的具体方案：把活塞运动分成实现的具体方案：把活塞运动分成4个冲程，即个冲程，即 进气进气压缩压缩点火燃烧膨胀做功点火燃烧膨胀做功排气。排气。四冲程理论的建立：四冲程理论的建立：德国商人奥托一直关注内燃机研制情况。从蒸汽机的广泛应用中，看到内燃机的发展前途；从德罗夏的理论设计中看到希望。p奥托对德罗夏方案，反复研读，深刻领会其设计思想；奥托
14、对德罗夏方案，反复研读，深刻领会其设计思想；p并全心投入内燃机的研制工作并全心投入内燃机的研制工作。 德罗夏虽建立四冲程理论，但未能制造出德罗夏虽建立四冲程理论，但未能制造出! 奥托的实验：奥托的实验：目目的的在发动机气缸里实现烟囱冒烟现象（燃烧向稀薄区传播）。手手段段用透明气缸和手动活塞以及侧式进排气管模型，将香烟的烟放入进气阀反复观察结果结果：研究出空气与煤气的添加混合方法 同时，1858年法国人里诺发明了燃气机： 用煤气和空气的混合气取代蒸汽机的蒸汽； 用电池和感应线圈产生电火花点燃混合气。此煤气机: 有气缸、活塞、连杆、飞轮等。是内内燃燃机机的的初初级级产品，但压缩比为零。产品，但压缩
15、比为零。奥托受里诺煤煤气气机机启发，认为如果用液体燃料，其用途将更为拓宽，为此设计了汽化器汽化器。18621862：法国人罗彻斯(Beau de Rochas ）描描述述了了四四冲冲程程发发动动机机工作原理工作原理（但没有足够的钱去维护他的专利）。1862年年2月，奥托制造出一台四冲程样机。月，奥托制造出一台四冲程样机。指标：5% Pmax=4.5kw 整机重量大 1863年获得专利，并建立年获得专利，并建立“奥托公司奥托公司” 18671867年：大气压力式内燃机，年：大气压力式内燃机，Otto,LangenOtto,Langen指标：11%，Pmax=28kw ，整机重量4000磅利用燃烧
16、所产生的缸内压力升高，在膨胀行程时加速一个自由活塞和齿条机构，它们的动量将使气缸产生真空，然后大气压力推动活塞内行。齿条通过滚轮离合器与输出轴啮合，输出功率。 1876年，奥托又设计出一种改进型点火系统，同年年，奥托又设计出一种改进型点火系统，同年5月研月研制出第一台四冲程内燃机，翌年获得专利权制出第一台四冲程内燃机，翌年获得专利权实现四冲实现四冲程理论程理论奥托循环。奥托循环。 （进气、着火前的压缩、燃烧膨胀与排气）指标：14% Pmax=80kw 整机重量1250磅。此后，英国科学家对奥托四冲程内燃机进行改进此后，英国科学家对奥托四冲程内燃机进行改进在一在一台内燃机中加上一个气缸台内燃机中
17、加上一个气缸多缸机；多缸机；从而使输出的动力更均匀。从而使输出的动力更均匀。1892年，德国工程师鲁道夫德国工程师鲁道夫狄狄塞尔塞尔（Rudolf Diesel)提出了一种新型内燃机的专利，即在压缩终了将液体燃料喷入缸内，利用压缩终了气体的高温将燃气点燃，它可以采用大的压缩比和膨胀比，没有爆燃。热效率可比当时其它的内燃机高一倍。构想于五年后变成现实，即压燃式发动机机压燃式发动机机柴油机。柴油机。笨重的第一台柴油机此后，学者们曾提出了各种各样回转发动机方案，直到19571957年，汪汪克尔克尔（F.Wankel）成功地试验了他发明的转子发动机。转子发动机。第一章第一章 绪论绪论1.21.2内燃机
18、在汽车上的应用内燃机在汽车上的应用早在1769年，法国人琼诺（N.J.Cugnot）就利用当时生产的蒸汽机制作了世界最初的蒸汽三轮汽车黑烟、噪声、车速慢无马的汽车1927年，彻底停止了蒸汽汽车的生产 虽然奥托发明了奥托循环，实现了四冲程理论，但在成功之后并没能把成果推向汽车领域1881年戴姆勒离开奥托公司 目的：把奥托发动机应用到交通工具上。1883年，发明化油器，在奥托四冲程煤气机的基础上，研制出一台小型单缸汽油机转速达700900r/min；功率1.1马力，空气冷却奥托发动机最大转速180200r/min。1885年，将这台小汽油机装在一辆自行车上，制造出第一台摩托车。1886年将小汽油机
19、和转向器装在一辆四轮车上。 该车气缸总排量为469cm3，时速达到了16公里。这辆车的性能： 有风扇冷却； 内燃机下垫着减振橡胶块； 还有发动机预热系统。 成为第一辆实用汽车之一。从此用小汽油机驱动车“马车的机械化”。1885年，本茨购买了奥托内燃机的专利，把一个四冲程内燃机装在一辆不太稳固的三轮车上，开创现代汽车史。后又将一台功率0.8马力，单缸2冲程小内燃机装在一辆三轮车上，时速达到15公里。 亨利福特：美国发明家和农民企业家1892年由杜里埃兄弟（现代汽车的开山鼻祖）研制出第一辆汽车1896年福特制造出第一台汽车。1903年创立福特汽车公司，生产A型车；1908年推出举世闻名的T型车，其
20、特点： 设计精良、坚固耐用，维修简便；1910年创造生产流水线， “世界生产方式历史性变革”，使汽车大众化。 汽车工业史上的三次变革汽车工业史上的三次变革 1914年美国福特汽车公司的汽车装装配配流流水水线线带来了汽车工业史上的第第一次变革。一次变革。 第第二二次次变变革革发生在20世纪50年代。拆拆除除当当时时欧欧洲洲内内部部的的关关税税壁壁垒垒，使欧洲市场空前繁荣，有力地推动了汽车制造工业的发展。20世纪60年代末，日本汽车工业创奇迹，生产物物美美价价廉廉汽汽车车，使得世界汽车工业发生第三次变革。第三次变革。亨利亨利.福特与其儿子坐在他的福特与其儿子坐在他的T型畅销车内。型畅销车内。 内燃
21、机汽车发展的几个阶段提高性能提高性能主动安全主动安全被动安全被动安全环境保护环境保护节能节能二战后，汽车工业复兴到今天，汽车的发展经历了几个阶段提高性能提高性能：车速快，操作更方便，价格更便宜交通事故行驶的凶器主动安全主动安全各汽车公司开始开发研究汽车的安全技术被动安全被动安全为预防事故发生而采取的一系列措施，如制动系统制动系统的开发与完善当事故不可避免的发生时，用来保护乘客和驾驶员的安全技术，保险杠、安全带、气囊等环境保护环境保护1943年9月，美国洛杉矶发生的光化学烟雾事件光化学烟雾事件促使了以法以法律形式控制汽车排放。律形式控制汽车排放。19601960年首次制定了防止汽车尾气污染的法案
22、，并从年首次制定了防止汽车尾气污染的法案，并从19651965年开始实施年开始实施。转子发动机转子发动机因其燃烧温度低，NOX排放少而受到青睐，于1967年达到量产化。日本本田技研工业于1972年首先发明了稀薄燃烧技术稀薄燃烧技术废气再循环废气再循环（EGR）技术、电控汽油喷射技术电控汽油喷射技术、三效催化转化三效催化转化装置等。石油能源危机：1945年和1972年的两次石油危机使世界各汽车制造业大力研制节能技术节能技术美国通用公司采用减小外形尺寸减小外形尺寸来减轻整车质量减轻整车质量福特汽车公司则通过提高铝等合金以及塑料等氧化脂材料的提高铝等合金以及塑料等氧化脂材料的使用率使用率，达到减轻整车质量减轻整车质量发动机前置前轮驱动或后置后轮驱动，通过变速箱直接驱动差速器及半轴，提高传动效率，减轻传动系统质量提高传动效率，减轻传动系统质量。提高发动机单位质量输出功率单位质量输出功率（比功率），采用V型四缸或V型六缸机。改善整车燃油经济性。改善整车燃油经济性。措施谢谢 谢谢 大大 家家
