发动机的历史与发展.ppt
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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年后 1685
2、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,没有得到历史发明权。,3 瓦特蒸汽机,
3、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、改进、提高。1784年装上了曲轴和飞轮,在
4、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思考,当时内燃机特点:效率低,体积小、重量轻。如果能提
5、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
6、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,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
7、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、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
8、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:Pzmax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,
9、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,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
10、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
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