1知識資料劉帆

朽木易折，金石可鏤。千里之行，始于足下。第頁/共頁內(nèi)燃機機構的發(fā)展變遷引言內(nèi)燃機是我們熟知的發(fā)動機中的一種（此外還有外燃機，電動機等），它是一部由多個機構組成的機器（可以稱之為機構系統(tǒng)），能將液體或氣體燃料與空氣舉行混合，再直接輸入汽缸內(nèi)部的高壓燃燒室燃燒爆發(fā)從而產(chǎn)生動力。即內(nèi)燃機是能將燃料的化學能轉化機械能的一種熱機。在生活中可以看見到內(nèi)燃機也有著異常廣泛的應用，汽車、船舶、飛機、火箭等的發(fā)動機基本都是內(nèi)燃機，其最常見的例子即為車用汽油機與柴油機。正是如此，人們對于內(nèi)燃機的研究從來都是不遺余力，作為工業(yè)時代大機器生產(chǎn)中許多機器的“心臟”，其發(fā)展也有著至關重要的作用。本文將從內(nèi)燃機的發(fā)展變遷入手，著力探索其機構特點。2，內(nèi)燃機機構概述通過查閱相關資料可以了解到，內(nèi)燃機最早起源于荷蘭物理學家惠更斯用火藥爆炸獲取動力的研究，但是因為火藥燃燒難以控制而未獲勝利，卻形成了現(xiàn)代“內(nèi)燃機”的工作原理。。1860年，比利時工程師艾蒂安·勒努瓦以蒸汽機為藍本，制成了首臺燃氣發(fā)動機（以天然氣為燃料），同時也是世界上第一臺實用的內(nèi)燃機，盡管效率惟獨2%左右，但卻宣告了外燃機（蒸汽機）時代的結束。在此之后，內(nèi)燃機更是有了長足的發(fā)展，其熱機效率也不斷提高，并進而導致了其在汽車，飛機等上的廣泛應用。對于一部詳細的內(nèi)燃機，可以將其分為兩大機構——曲柄連桿滑塊機構，配氣機構，五大系統(tǒng)——燃料供養(yǎng)，潤滑，冷卻，點火，起動系統(tǒng)等。下面簡要的談談內(nèi)燃機的兩大機構及其特點。(1)曲柄滑塊機構曲柄滑塊機構是內(nèi)燃機的主體機構，它可以看作是由缸體、活塞、連桿和曲軸組成的，當燃氣在缸體內(nèi)腔燃燒膨脹而推進活塞移動時，通過連桿帶動曲軸繞其軸線轉動。活塞作為輸入，將運動和力傳遞給曲軸作為輸出?？梢钥闯?，曲柄滑塊機構是內(nèi)燃機實現(xiàn)工作循環(huán)并完成能量轉化的主要機構，在作功過程中，它可以將燃料燃燒產(chǎn)生的熱能通過活塞往復運動、由曲軸旋轉運動改變?yōu)闄C械能，對外輸出動力；在另外的幾個過程中，依賴曲軸的轉動慣性、通過連桿帶動活塞上下運動，完成循環(huán)過程。通過力學上的分析可知，該機構是單自由度的系統(tǒng)，但卻在實現(xiàn)能量轉化的同時，也實現(xiàn)了運動形式的轉化，其作用正如交流電的浮上對電力發(fā)展的貢獻。下圖為曲柄滑塊機構。（2）配氣機構配氣機構普通由氣門組，氣門傳動組和藹門驅(qū)動組組成，它是按照內(nèi)燃機的工作順序與過程，定時開啟和關閉進出氣門，從而使可燃混合氣進入氣缸，再使廢氣能從氣缸內(nèi)排出，實現(xiàn)換氣過程，為曲柄滑塊機構持續(xù)的往復運動做基礎。按照進出氣門在內(nèi)燃機上的布置方式可以分為側置氣門和頂置氣門兩類。前者結構容易，但進、排氣阻力大，燃燒室難以設計得緊湊，高速性差且燃料消耗率高，因而現(xiàn)代內(nèi)燃機已很少采用。頂置氣門則彌補了上述不足，其動力性能和經(jīng)濟性能都優(yōu)于側置氣門式，在柴油機和汽油機中得到廣泛應用。頂置氣門式配氣機構又可分為下置凸輪軸和頂置凸輪軸兩種。此外，按照曲軸與凸輪軸間的傳動方式配氣機構還可分為齒輪傳動、鏈傳動、齒形帶傳動三種。分離都有其適用方面，下圖分離為配氣機構與下置凸輪軸的頂置氣門式配氣機構。3，內(nèi)燃機機構的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢內(nèi)燃機均需要借助于燃料燃燒，按照工作原理的不同，內(nèi)燃機可表現(xiàn)出不同的燃燒方式，或者機械能產(chǎn)生與利用方式的區(qū)別。從工作原理上大致可分為往復活塞式內(nèi)燃機、轉子發(fā)動機、燃氣渦輪發(fā)動機和噴氣發(fā)動機（少量噴氣發(fā)動機不屬于內(nèi)燃機）。（1）往復活塞式內(nèi)燃機往復活塞式內(nèi)燃機是一種利用一個或者多個活塞將壓力轉換成旋轉動能的內(nèi)燃機。最常用的是利用汽油或者柴油產(chǎn)生壓力的。通常都不止一個活塞，每個活塞都在氣缸內(nèi)，燃料－空氣混合物被注入其內(nèi)，然后被點燃。熱氣膨脹，推進活塞向后運動?；钊倪@種直線運動通過連桿和曲軸轉換成圓周運動。然而，活塞內(nèi)燃機現(xiàn)在利用并不是無數(shù)，在較小功率的發(fā)動機如摩托車發(fā)動機上較為常見，它已經(jīng)被更為高效的渦輪機所取代，并被更多的運用到轎車領域中。（2）轉子發(fā)動機轉子發(fā)動機的基本結構是在一個橢圓形的空間中，置入一個曲邊三角形形狀的轉子，轉子的三個面將橢圓形空間劃分為三個自立的燃燒室。因為轉子采偏心運轉，因此這些被分隔的自立燃燒室在運轉過程中，容積會不斷地改變，此型引擎就是利用密閉空間變化的特質(zhì)來達成四行程運轉所需要的進氣、壓縮、點火與排氣過程。其優(yōu)點是轉子每轉一圈就做功三次，且體積小，分量輕，故障率小，同時運行平順，噪音小。再者，轉子發(fā)動機無需氣門開關，高速運轉下也能正常啟閉，減少了機械損失獲得更大功率。不足之處是提升功率較為復雜，點火系統(tǒng)要求鄭重切混合汽油因為燃燒時光短燃燒不徹低會排出碳氫化合物造成空氣污染。因為轉子發(fā)動機體積小巧、構造容易，美國柏克萊加州大學的微機電系統(tǒng)汪克爾引擎研究室已經(jīng)發(fā)展出直徑1毫米、排氣量0.1c.c.的轉子發(fā)動機；組成的材質(zhì)包括硅和壓縮空氣。他們總算的目標是開辟出一具可以供養(yǎng)100毫瓦特電力的內(nèi)燃機。下圖為轉子發(fā)動機模型。（3）燃氣渦輪發(fā)動機燃氣渦輪發(fā)動機主要由壓縮器、燃燒室及渦輪等部份構成?？諝庥蛇M氣道進入燃氣輪機后，首先由壓縮器加壓成高壓氣體，接著由噴油嘴噴出燃油與空氣混合后在燃燒室舉行燃燒成為高溫高壓氣體，然后進入渦輪段推進渦輪，將熱能轉換成機械能輸出，最后的廢氣由排氣管排出。在由渦輪輸出的機械能中，一部份會用來驅(qū)動壓縮器，另一部份則經(jīng)由傳動軸輸出，用以驅(qū)動我們希翼驅(qū)動的機構如發(fā)電機、傳動系統(tǒng)等。因為其良好的性能，燃氣渦輪機也有著廣泛的應用并有著長足的發(fā)展?，F(xiàn)在的中大型飛機幾乎都使用渦輪發(fā)動機作為動力來源，因其體積較小而輸出動力大，更重要的是沒有螺旋槳在高速時所會遭碰到的音障問題，因此也是普通超音速飛機的唯一挑選。另一方面，微型渦輪發(fā)動機的研究也十分火熱。1990年代，麻省理工學院教授AlanH.Epstein帶領開始研擬個人用的燃渦機可以達成所有現(xiàn)代電力需求，其公厘尺寸燃渦機能量比已達鋰電池6倍，更有望達到其10倍以上。澳洲發(fā)現(xiàn)家已經(jīng)開始研究這種微電機系統(tǒng)科技(MEMS)為便攜式裝置供電的可能性，其發(fā)明采用芯片產(chǎn)業(yè)科技，大多以硅為原料，理論上這種燃氣渦輪發(fā)動機可以接上發(fā)電機來提供電力。（4）噴氣發(fā)動機噴氣發(fā)動機是通過加速和排出的高速流體做功的內(nèi)燃機，既可以輸出推力也可以輸出軸功率。其基本原理就是我們異常認識的牛頓第三定律——作使勁與反作使勁的關系。噴氣發(fā)動機的研究有著悠久的歷史，早期實踐大多因為分量較大推力不足而失敗。解決問題的關鍵是使用由燃氣驅(qū)動的渦輪來驅(qū)動壓氣機，這樣就可以省掉熱噴氣發(fā)動機里面多余的活塞發(fā)動機并且提供更大的推力。19世紀三、四十年代，對于噴氣發(fā)動機的研究主要應用于戰(zhàn)爭機，但在客觀上也為后來航空航天事業(yè)的發(fā)展做出了貢獻。作為當代最先進的內(nèi)燃機之一，其今后的發(fā)展前景也是很廣大的，如氫燃料吸入式發(fā)動機，但因為其本身存儲的安全性而停歇在原型機階段。還有核動力噴氣發(fā)動機，顯然，如何實現(xiàn)安全可控的核反應成為研究的難點，所以直到現(xiàn)在，核動力噴氣發(fā)動機還是處在實驗室研究的階段。但現(xiàn)在的工作方式已經(jīng)傾向于使用核聚變能。4，結論通過以上的文獻調(diào)研可以發(fā)現(xiàn)，內(nèi)燃機的發(fā)展經(jīng)歷了一個異常長的歷程，但本質(zhì)與核心都是圍繞著怎樣通過機構設計獲得高能量比的機型舉行的。無論是活塞內(nèi)燃機的頂置氣門與側置氣門，還是轉子發(fā)動機的龐大改進，再到航空航天上有著廣泛應用的渦輪機和噴氣機的發(fā)現(xiàn)與廣泛應用，都體現(xiàn)了這一點?？?/p>