發(fā)動機的歷史與發(fā)展課件

發(fā)動機的歷史與發(fā)展BEIJINGINSTITUTEOFTECHNOLOGY

內燃機基本結構、概念回顧何謂內燃機？內燃機基本結構、原理回顧一個重要參數(shù)：壓縮比ε講解內容一發(fā)動機的誕生二軍用動力與近代史三內燃機行業(yè)前途問題一發(fā)動機的誕生需求是第一位的，技術推動是第二位的。

12年后1685惠更斯的學生根據(jù)老師的原理圖，設計并研制了14臺直徑12m的水車，滿足了凡爾塞宮供水的要求。

★意大利人的達芬奇于1509年繪出了類似的火力發(fā)動機（設計構想）！2第一臺蒸汽機紐科門蒸汽機（1712英國鐵匠），設計者—巴黎醫(yī)學院學生巴平）

蒸汽力赫更斯的火力發(fā)動機的火藥爆炸膨脹力需求推動—煤礦排水。英國鐵匠紐科門2

第一臺蒸汽機參數(shù)與指標H~10m，D=1454mm，S=2100mm，Pe=25馬力，n=9r/min，=1，e<1%。

缺點：①效率低②體積大③要依靠重力工作。只能立放，未脫離火力發(fā)動機模式。紐可門蒸汽機活塞

未能廣泛普及。對當時的工業(yè)推動小，沒有得到歷史發(fā)明權。3

瓦特蒸汽機

發(fā)明的關鍵：冷凝器、=2

e=3%（4倍）重要的效果是：該蒸汽機可不借助于重力工作，布置使用更加方便，因而迅速推廣、改進、提高。1784年裝上了曲軸和飛輪，在各行各業(yè)普及使用，極大地促進了當時的工業(yè)發(fā)展。被歷史公認為蒸汽機的發(fā)明人。★促成了第一次工業(yè)革命。3第一臺內燃機

（紐科門的蒸汽機發(fā)明155年后，1860年）經過很多人70多年的努力，法國人勒諾瓦爾（蘭諾）于1860用”煤氣+空氣”代替200年前火力發(fā)動機中的火藥研制了第一臺內燃機。壓縮比=1，效率4.5%，最大功率4.5kW1860~1865年共生產了約5000臺當時蒸汽機的效率已近10%。為什么所研制內燃機效率這樣低?勒諾瓦爾的錯誤理論：爆發(fā)沖擊太大，是造成熱效率低的原因，應進行緩慢燃燒。著名物理學家勒諾瓦爾理論奧托的研究與思考

當時內燃機特點：效率低，體積小、重量輕。如果能提高效率，其應用前景是非常廣闊的。p0Vp0大氣壓式內燃機示功圖問題：1.沒有在上止點附近燃燒，膨脹不充分；2.沒有壓縮過程，壓縮比~1；3.還要借助于大氣壓力使活塞復位4

奧托的4沖程點燃式煤氣機奧托制作了透明的汽缸，用煙代替燃料（煤氣）來研究如何實現(xiàn)分層燃燒。實現(xiàn)方案：（1）進氣過程形成稀薄混合氣；（2）在點火前，在火花塞附近形成濃混合氣。4

奧托的4沖程點燃式煤氣機問題：當時的發(fā)動機都是兩沖程的（膨脹和排氣），與現(xiàn)在的主沖程為膨脹和壓縮的兩沖程發(fā)動機不同，進氣在活塞上止點附近完成（=1）。由于沒有獨立的進氣沖程，很難實現(xiàn)分層燃燒。解決措施：

增加獨立的進氣沖程，提出采用4沖程發(fā)動機。第四個沖程即為“壓縮沖程”！4

奧托的4沖程點燃式煤氣機奧托不僅提出了“四沖程發(fā)動機的設想”，而且在得力助手梅巴哈的幫助下于1876年研制了第一臺4沖程點燃式煤氣機。由于有獨立的壓縮沖程，可以說不得不實現(xiàn)較高的壓縮比。

該煤氣機為單缸、四沖程、臥式、按等容燃燒，=2.5，Pe=4PS，e=～14%，運轉平穩(wěn)，體積小，質量減小了～70%。很快得到推廣應用，從而形成了內燃機工業(yè)。功不可沒的梅巴哈（1）十字頭連桿。解決活塞與缸套間的磨損與密封。（2）減壓裝置。啟動用。梅巴哈：后任戴姆勒公司總工程師，設計了二戰(zhàn)戰(zhàn)斗機上的戴姆勒發(fā)動機等。14年前1862年法國鐵路工程師“羅沙”已經發(fā)表了四沖程內燃機原理的論文并申請了專利。第一臺內燃機5“卡諾循環(huán)”理論1.卡諾其人、其書、其預言(奧托機前52年，1824年，卡諾28歲)卡諾服役期間出版了一本《火力發(fā)動機的研究考察》一書。50~60年后人們才真正認識該書的重要性和先見性。5“卡諾循環(huán)”理論

2）壓縮比與效率的結論卡諾通過大量統(tǒng)計、研究得出：要想提高發(fā)動機的效率必須提高壓縮比。1）卡諾循環(huán)

工作在高低溫熱源間熱機所能達到的最高理論效率。carnot=1-T1/T2卡諾循環(huán)的弱點:

Pzmax很高；循環(huán)指示功很低。5“卡諾循環(huán)”理論4）對蒸汽機未來發(fā)展的預言在蒸汽機的鼎盛時期，作出了蒸汽機必將被另一種發(fā)動機所代替的預言。蒸汽機實現(xiàn)高溫、高壓縮比都很困難。

3）發(fā)動機評價體系

提出了非常全面的發(fā)動機評價指標體系：動力性、經濟性、可靠性、適應性、緊湊性等。二軍用動力與近代史1.FF方式73年的石油危機使美國的汽車行業(yè)第一次虧損，僅通用GM汽車公司一年虧損就達8億美金。以通用GM汽車公司為主的一個研究機構，經過深入研究，1979年提出了一系列提高汽車（發(fā)動機）經濟性的措施。這些措施可以分成四類：

1）小型化、輕量化2）最佳化3）減少各種損失4）采用FF方式2“克里斯蒂”與T34坦克發(fā)動機一戰(zhàn)期間（1915年）應軍方要求克里斯蒂關閉了他心愛的FF方式汽車研究所，專門研究坦克?？死锼沟賹μ箍说脑O計要求：速度與機動性?？死锼沟僬J為坦克的作用：包抄、突襲、集團作戰(zhàn)遠遠超過了一戰(zhàn)和二戰(zhàn)初期對坦克的要求——步兵的擋箭牌。克里斯蒂要求其坦克：道路（去履帶）速度130km/h，野外（帶履帶）64km/h。因此必須具有高功率。2“克里斯蒂”與T34坦克發(fā)動機

1919~1930年克里斯蒂按他的思路研制出多種坦克，包括水陸坦克。樣車成本35000$。8輛坦克，克里斯蒂向軍方要價83000$，但軍方只準備付15000$；

波蘭1輛30000$，制造權90000$；未談成蘇聯(lián)1輛55000$購買了兩輛10噸坦克，于1930年12月24日圣誕節(jié)前夕，拆除武器，作為農用機械運回蘇聯(lián)。該坦克的發(fā)動機（原型機）為航空發(fā)動機： D=150、V12、750PS、汽油機。1943年T34坦克產量已達24000輛。防御、火力，特別是速度遠遠超過德國坦克，行駛半徑是德國坦克的3~4倍。為蘇聯(lián)贏得二戰(zhàn)勝利起到了非常關鍵的作用。被譽為：功勛坦克曾經每月生產1300輛，異常簡單，可靠性高，適應性極高首次使用斜裝甲；火力、防御力、機動性、適應性都達到了極致古往今來的坦克至尊；埃及依然在使用改進的T-34坦克三內燃機行業(yè)前途問題

問題1

內燃機還能發(fā)展多少年？

問題2

內燃機或汽車行業(yè)是高新技術行業(yè)嗎？問題3

內燃機還有創(chuàng)新的空間嗎？問題4國外內燃機水平高在哪里？問題1：內燃機還能發(fā)展多少年？1）石油還能維持多少年？

2）內燃機是否在近期會被其它動力所取代？

（1）內燃機的優(yōu)勢

（2）內燃機的劣勢

①能量、功率密度高②經濟性高，CO2排放低。（工藝成熟……）①能量單一②排放難以治理（有矛盾）內燃機的優(yōu)勢1）能量、功率密度高2）經濟性高，CO2排放低。（工藝成熟……）

太陽能電池：7%；蓄電池：使用成本、污染

燃料電池：H2g100

∝W內燃機的劣勢

1）能量單一（有可再生的代用燃料——醇類燃料、生物燃料）2）排放難以治理（有矛盾）問題2：內燃機或汽車行業(yè)是高新技術行業(yè)嗎？（1）國內無力研制高檔內燃機或汽車！只有技術發(fā)達國家能夠擁有自己研制的高檔車或先進動力；（2）有最復雜的電子系統(tǒng)。（3）要求最高、最復雜的安全、自動駕駛系統(tǒng)。（4）高頻使用、壓力很高，加工精度、控制精度要求最高的液力系統(tǒng)。（5）內燃機具有各種很復雜的柔性調節(jié)、智能控制裝置。（6）汽車是最精美的藝術品?！I車上的電子系統(tǒng)發(fā)動機電控電子調速系統(tǒng)(EDC):電子可調燃油噴射電子點火(汽油機)氧調節(jié)系統(tǒng)增壓空氣壓力調節(jié)系統(tǒng)(渦輪增壓的發(fā)動機)。等等。

電子變速器控制

動力裝置在車診斷系統(tǒng)控制單元間網絡連接(CAN)通訊

語言輸出

利用語言的功能控制(語音識別)聽力電器

車用計算機車載電話新的顯示技術(顯示器、投影儀)上網和PC機總線，如CAN系統(tǒng)診斷導航GPS視頻

安全性

防抱死制動系統(tǒng)(ABS)驅動裝置防側滑調節(jié)系統(tǒng)(ASR)電子穩(wěn)定性程序(ESP)前照燈調整和清洗刮水和清洗控制保養(yǎng)時間顯示燃油和磨損點監(jiān)控系統(tǒng)安全氣囊、安全帶張緊器和安全帶轉動桿松開系統(tǒng)汽車安全系統(tǒng)輪胎壓力系統(tǒng)控制單元間網絡連接(CAN)系統(tǒng)診斷舒適性車速調節(jié)車速適應性調節(jié)(雷達傳感器)采暖和車內氣候調節(jié)座椅位置調節(jié)中央閉鎖系統(tǒng)底盤調節(jié)系統(tǒng)后室監(jiān)控控制單元間網絡連接(CAN)系統(tǒng)診斷1——遠程雷達，77GHz，作用范圍120m2——遠、近程紅外夜視儀3——外部視頻，夜視，作用范圍40m4——近程雷達，24GHz，作用范圍10m5——內部視頻6——超聲波，作用范圍1.5m汽車周圍的系統(tǒng)（安全、自動駕駛）全球定位(導航)系統(tǒng)GPS防抱死系統(tǒng)ABS防側滑系統(tǒng)ASR安全氣囊車載在線故障診斷系統(tǒng)OBD…………高壓共軌供油系統(tǒng)

TheCommonRailSystem高壓共軌式電控噴射系統(tǒng)的特點（簡）①高噴壓>200MPa；噴壓獨立于發(fā)動機轉速；調節(jié)噴油率的形狀，實現(xiàn)理想噴油規(guī)律。②實現(xiàn)多級噴射（在壓縮上止點附近，3~4ms內，精確控制噴射5、6次；實現(xiàn)不同的目的）③眾多微小精密對。（電控噴油器、泵、共軌腔調節(jié)裝置）Injection

Rate-60 TDC +60 +120°CA

柔性內燃機

結構可變的柔性內燃機，在工況變化頻繁的車用內燃機特別是小轎車用汽油機上得到廣泛的采用。因為車用內燃機對動力性、加速性、起動性、排放性等要求要高。

車用內燃機可變機構主要有：1.可變壓縮比2.可變進氣系統(tǒng)3.可變配氣機構4.可變進氣渦流5.可變供油(或噴油)定時6.可變增壓系統(tǒng)7.可調冷卻、潤滑系統(tǒng)………

綜合管理系統(tǒng)結構柔性內燃機性能彈性內燃機綜合智能內燃機難度：高速、準確、可調寶馬可變配氣機構問題3：內燃機還有創(chuàng)新的空間嗎？（1）目前，內燃機還有許多問題沒有解決或沒能真正解決,還遠遠沒有達到人們對它的要求。例如：HCCI（柴油均值預混合燃燒方式），等

內燃機企業(yè)不創(chuàng)新就不可能生存！迅速提高的排放要求是目前內燃機新技術迅速推出、應用的主要動力之一。除排放之外，下一個技術推動力應該是噪聲問題、可再生代用燃料問題，等。內燃機高、新技術新型動力絕熱內燃機絕熱復合式內燃機回熱式內燃機

自由活塞內燃機…………內燃機高、新技術新概念燃燒方式均勻充量壓縮燃燒HCCI低溫預混合燃燒MK預混壓縮點火燃燒PCI當量燃燒汽油機分層燃燒系統(tǒng)…………汽油機缸內直噴燃燒控制系統(tǒng)汽油機缸內滾流控制與分層燃燒1.直噴均質燃燒2.

3.直噴稀薄分層燃燒4.直噴擴散燃燒內燃機高、新技術石油重整汽油RFG重整柴油RFDLPGCNGLNG二甲醚DME甲醇

F-T柴油

H2

乙醇

大豆甲酯

天然氣天然氣生物質：玉米等大豆B20、B30、B50RFDM15、M20RFGF-T50RFDE10、E15、E20RFG汽油機、柴油機、燃料電池燃料的來源F-T柴油是用Fischer-Tropsch法從天然氣、煤或生物質（如玉米稈）中制成的柴油二甲醚DME、甲醇也可從天然氣、煤或生物質（如玉米稈）中制成從大豆油殘渣脂化后生成大豆甲酯或大豆乙酯

燃料設計——采用多種燃料（包括清潔燃料在內），按一定比例混合，制成混合燃料，使其綜合的理化性能最適合某類發(fā)動機的需要。燃料內燃機高、新技術供油技術電控單體泵泵噴嘴PT供油系統(tǒng)

高壓供軌系統(tǒng)…………特色循環(huán)米勒循環(huán)阿特金森循環(huán)增壓中冷循環(huán)…………康明斯公司內燃機高、新技術可變機構電磁式氣門驅動電液式氣門驅動可調工作循環(huán)多氣門技術…………Siemens可變進氣機構1-蓄壓室；2-電磁閥3-液力挺柱；4-凸輪5-搖臂；6-氣門彈簧7-進氣門內燃機高、新技術混合動力電-內燃機液壓儲能飛輪電機壓縮空氣動力…………新材料應用陶瓷、鈦合金碳素纖維纖維增強塑料