發(fā)動(dòng)機(jī)的歷史與發(fā)展

發(fā)動(dòng)機(jī)的歷史與發(fā)展

BEIJINGINSTITUTEOFTECHNOLOGY2021/5/91內(nèi)燃機(jī)基本結(jié)構(gòu)、概念回顧何謂內(nèi)燃機(jī)？內(nèi)燃機(jī)基本結(jié)構(gòu)、原理回顧一個(gè)重要參數(shù)：壓縮比ε2021/5/92講解內(nèi)容一發(fā)動(dòng)機(jī)的誕生二軍用動(dòng)力與近代史三內(nèi)燃機(jī)行業(yè)前途問題2021/5/93一發(fā)動(dòng)機(jī)的誕生惠更斯繪制的發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)方案圖（1673年）1.第一臺發(fā)動(dòng)機(jī)

設(shè)計(jì)者惠更斯：(荷蘭物理學(xué)家，法國巴黎凡爾塞宮的汲水總管。發(fā)現(xiàn)了土星光環(huán)、動(dòng)量守恒，發(fā)明鐘擺，提出光的波動(dòng)學(xué)說等)凡爾塞宮：耗水3000m3/天（來自塞那河）

火力內(nèi)燃機(jī)（1673設(shè)計(jì)

1685研制出來）2021/5/94一發(fā)動(dòng)機(jī)的誕生需求是第一位的，技術(shù)推動(dòng)是第二位的。

12年后1685惠更斯的學(xué)生根據(jù)老師的原理圖，設(shè)計(jì)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(dá)芬奇于1509年繪出了類似的火力發(fā)動(dòng)機(jī)（設(shè)計(jì)構(gòu)想）！2021/5/952第一臺蒸汽機(jī)

紐科門蒸汽機(jī)（1712英國鐵匠），設(shè)計(jì)者—巴黎醫(yī)學(xué)院學(xué)生巴平）

蒸汽力

赫更斯的火力發(fā)動(dòng)機(jī)的火藥爆炸膨脹力需求推動(dòng)—煤礦排水。英國鐵匠紐科門2021/5/962

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

缺點(diǎn)：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(dòng)機(jī)模式。紐可門蒸汽機(jī)活塞

未能廣泛普及。對當(dāng)時(shí)的工業(yè)推動(dòng)小，沒有得到歷史發(fā)明權(quán)。2021/5/973

瓦特蒸汽機(jī)

1763年提出改進(jìn)設(shè)計(jì)

1776年研制出來）瓦特：英國格拉斯大學(xué)實(shí)驗(yàn)室設(shè)備修理工。在維修紐科門蒸汽機(jī)的過程中得到啟發(fā)。問題一：體積大、功率小。解決措施：增加蒸汽量；問題二：增加蒸汽量后冷卻用水量增加壁溫降低需進(jìn)一步增加蒸汽量；

問題三：外加冷凝器后，蒸汽通過狹窄的冷凝器阻力很大；

解決措施：給汽缸蒸汽加壓，=1

=2***低速汽油機(jī)Otto奧托循環(huán)理論效率：=1-1/

k-1解決措施：外加冷凝器**；讓蒸汽在冷凝器內(nèi)冷卻；2021/5/983

瓦特蒸汽機(jī)

發(fā)明的關(guān)鍵：冷凝器、=2

e=3%（4倍）重要的效果是：該蒸汽機(jī)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(jìn)、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(jìn)了當(dāng)時(shí)的工業(yè)發(fā)展。被歷史公認(rèn)為蒸汽機(jī)的發(fā)明人?！锎俪闪说谝淮喂I(yè)革命。2021/5/993第一臺內(nèi)燃機(jī)

（紐科門的蒸汽機(jī)發(fā)明155年后，1860年）經(jīng)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(dòng)機(jī)中的火藥研制了第一臺內(nèi)燃機(jī)。壓縮比

=1，效率4.5%，最大功率4.5kW1860~1865年共生產(chǎn)了約5000臺當(dāng)時(shí)蒸汽機(jī)的效率已近10%。2021/5/910為什么所研制內(nèi)燃機(jī)效率這樣低?勒諾瓦爾的錯(cuò)誤理論：爆發(fā)沖擊太大，是造成熱效率低的原因，應(yīng)進(jìn)行緩慢燃燒。著名物理學(xué)家勒諾瓦爾

理論

奧托的研究與思考

當(dāng)時(shí)內(nèi)燃機(jī)特點(diǎn)：效率低，體積小、重量輕。如果能提高效率，其應(yīng)用前景是非常廣闊的。p0Vp0大氣壓式內(nèi)燃機(jī)示功圖問題：1.沒有在上止點(diǎn)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(fù)位2021/5/9114

奧托的4沖程點(diǎn)燃式煤氣機(jī)

（1876年）——由錯(cuò)誤結(jié)論導(dǎo)致的偉大發(fā)明。也是“執(zhí)著+靈感+運(yùn)氣”的結(jié)果應(yīng)該在缸內(nèi)實(shí)現(xiàn)“分層燃燒”！研究采用了“可視觀察法”如何降低燃燒速度？稀燃！如何保證正常點(diǎn)燃？如何在缸內(nèi)實(shí)現(xiàn)“分層燃燒”？2021/5/9124

奧托的4沖程點(diǎn)燃式煤氣機(jī)奧托制作了透明的汽缸，用煙代替燃料（煤氣）來研究如何實(shí)現(xiàn)分層燃燒。實(shí)現(xiàn)方案：（1）進(jìn)氣過程形成稀薄混合氣；（2）在點(diǎn)火前，在火花塞附近形成濃混合氣。2021/5/9134

奧托的4沖程點(diǎn)燃式煤氣機(jī)問題：當(dāng)時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)不同，進(jìn)氣在活塞上止點(diǎn)附近完成（

=1）。由于沒有獨(dú)立的進(jìn)氣沖程，很難實(shí)現(xiàn)分層燃燒。解決措施：

增加獨(dú)立的進(jìn)氣沖程，提出采用4沖程發(fā)動(dòng)機(jī)。第四個(gè)沖程即為“壓縮沖程”！2021/5/9144

奧托的4沖程點(diǎn)燃式煤氣機(jī)奧托不僅提出了“四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)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(diǎn)燃式煤氣機(jī)。由于有獨(dú)立的壓縮沖程，可以說不得不實(shí)現(xiàn)較高的壓縮比。

該煤氣機(jī)為單缸、四沖程、臥式、按等容燃燒，

=2.5，Pe=4PS，

e=～14%，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，體積小，質(zhì)量減小了～70%。很快得到推廣應(yīng)用，從而形成了內(nèi)燃機(jī)工業(yè)。2021/5/915奧托4沖程點(diǎn)燃式煤氣機(jī)的快速發(fā)展當(dāng)人們真正知道了“提高壓縮比可以提高效率”后……1880年功率達(dá)15～20PS，1893年則達(dá)到200PS。1886年熱效率達(dá)到15.5%，1894年熱效率高達(dá)20%。理論指導(dǎo)的重要性！2021/5/916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(dòng)用。梅巴哈：后任戴姆勒公司總工程師，設(shè)計(jì)了二戰(zhàn)戰(zhàn)斗機(jī)上的戴姆勒發(fā)動(dòng)機(jī)等。14年前1862年法國鐵路工程師“羅沙”已經(jīng)發(fā)表了四沖程內(nèi)燃機(jī)原理的論文并申請了專利。2021/5/917第一臺內(nèi)燃機(jī)2021/5/9185“卡諾循環(huán)”理論1.卡諾其人、其書、其預(yù)言(奧托機(jī)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(dòng)機(jī)的研究考察》一書。50~60年后人們才真正認(rèn)識該書的重要性和先見性。2021/5/919卡諾的貢獻(xiàn)1）卡諾循環(huán)2）壓縮比與效率的結(jié)論3）發(fā)動(dòng)機(jī)評價(jià)體系4）對蒸汽機(jī)未來發(fā)展的預(yù)言

奧托發(fā)動(dòng)機(jī)效率高的根本原因是提高了壓縮比。意味著：要得到就要先付出；付出得越多，得到得越多。

“卡諾循環(huán)”理論—效率提高的方向

2021/5/9205“卡諾循環(huán)”理論

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

工作在高低溫?zé)嵩撮g熱機(jī)所能達(dá)到的最高理論效率。

carnot=1-T1/T2卡諾循環(huán)的弱點(diǎn):

Pzmax很高；循環(huán)指示功很低。2021/5/9215“卡諾循環(huán)”理論4）對蒸汽機(jī)未來發(fā)展的預(yù)言在蒸汽機(jī)的鼎盛時(shí)期，作出了蒸汽機(jī)必將被另一種發(fā)動(dòng)機(jī)所代替的預(yù)言。蒸汽機(jī)實(shí)現(xiàn)高溫、高壓縮比都很困難。

3）發(fā)動(dòng)機(jī)評價(jià)體系

提出了非常全面的發(fā)動(dòng)機(jī)評價(jià)指標(biāo)體系：動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性、適應(yīng)性、緊湊性等。2021/5/922二軍用動(dòng)力與近代史1.FF方式73年的石油危機(jī)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(dá)8億美金。以通用GM汽車公司為主的一個(gè)研究機(jī)構(gòu)，經(jīng)過深入研究，1979年提出了一系列提高汽車（發(fā)動(dòng)機(jī)）經(jīng)濟(jì)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2021/5/923FF方式與克里斯蒂

FF方式是美國人“克里斯蒂”于1904年提出。并研制了V4，排量45.9L的橫置發(fā)動(dòng)機(jī)前置前輪驅(qū)動(dòng)汽車。

當(dāng)時(shí)汽車差速器等的制造技術(shù)還不行，F(xiàn)F方式汽車的振動(dòng)、噪聲大，未能普及。

克里斯蒂還研制了4*4“蘭鳥”牌汽車。2021/5/9242“克里斯蒂”與T34坦克發(fā)動(dòng)機(jī)一戰(zhàn)期間（1915年）應(yīng)軍方要求克里斯蒂關(guān)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(shè)計(jì)要求：速度與機(jī)動(dòng)性。克里斯蒂認(rèn)為坦克的作用：包抄、突襲、集團(tuán)作戰(zhàn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了一戰(zhàn)和二戰(zhàn)初期對坦克的要求——步兵的擋箭牌?？死锼沟僖笃涮箍耍旱缆罚ㄈヂ膸В┧俣?30km/h，野外（帶履帶）64km/h。因此必須具有高功率。2021/5/9252“克里斯蒂”與T34坦克發(fā)動(dòng)機(jī)

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$。8輛坦克，克里斯蒂向軍方要價(jià)83000$，但軍方只準(zhǔn)備付15000$；

波蘭

1輛30000$，制造權(quán)90000$；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(nóng)用機(jī)械運(yùn)回蘇聯(lián)。該坦克的發(fā)動(dòng)機(jī)（原型機(jī)）為航空發(fā)動(dòng)機(jī)： D=150、V12、750PS、汽油機(jī)。2021/5/9263T34坦克開發(fā)過程1939年與日本。日本希望兩邊夾擊蘇聯(lián)與希特勒匯合日本坦克速度26km/hBT坦克野外64km/h，防護(hù)和火力也強(qiáng)得多缺點(diǎn)：汽油機(jī)1939年1930年12月購買克里斯蒂坦克美國BT坦克菲亞特柴油機(jī)T34坦克諾門坎大口徑炮重裝甲情報(bào)戰(zhàn)略研究T34坦克開發(fā)過程模仿模仿2021/5/9274T34坦克發(fā)動(dòng)機(jī)T34坦克發(fā)動(dòng)機(jī)：(1939年）V12柴油機(jī)。V型夾角60oD/S=150/180(186.7)、主副連桿4氣門、直噴、排量38.8L500PS/1800r/min，nmax=2000r/min、Pe=550~600PS

be=231g/kw.h(170g/ps.h)，國際70~80年代水平。當(dāng)時(shí)先進(jìn)水平270g/kw.h2021/5/9281943年T34坦克產(chǎn)量已達(dá)24000輛。防御、火力，特別是速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(guān)鍵的作用。被譽(yù)為：功勛坦克曾經(jīng)每月生產(chǎn)1300輛，異常簡單，可靠性高，適應(yīng)性極高首次使用斜裝甲；火力、防御力、機(jī)動(dòng)性、適應(yīng)性都達(dá)到了極致古往今來的坦克至尊；埃及依然在使用改進(jìn)的T-34坦克2021/5/929三內(nèi)燃機(jī)行業(yè)前途問題

問題1

內(nèi)燃機(jī)還能發(fā)展多少年？

問題2

內(nèi)燃機(jī)或汽車行業(yè)是高新技術(shù)行業(yè)嗎？問題3

內(nèi)燃機(jī)還有創(chuàng)新的空間嗎？問題4國外內(nèi)燃機(jī)水平高在哪里？2021/5/930問題1：內(nèi)燃機(jī)還能發(fā)展多少年？1）石油還能維持多少年？

2）內(nèi)燃機(jī)是否在近期會被其它動(dòng)力所取代？

（1）內(nèi)燃機(jī)的優(yōu)勢

（2）內(nèi)燃機(jī)的劣勢

①能量、功率密度高②經(jīng)濟(jì)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）2021/5/931內(nèi)燃機(jī)的優(yōu)勢1）能量、功率密度高2）經(jīng)濟(jì)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

∝W2021/5/932內(nèi)燃機(jī)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）2021/5/933問題2：內(nèi)燃機(jī)或汽車行業(yè)是高新技術(shù)行業(yè)嗎？（1）國內(nèi)無力研制高檔內(nèi)燃機(jī)或汽車！只有技術(shù)發(fā)達(dá)國家能夠擁有自己研制的高檔車或先進(jìn)動(dòng)力；（2）有最復(fù)雜的電子系統(tǒng)。（3）要求最高、最復(fù)雜的安全、自動(dòng)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(nèi)燃機(jī)具有各種很復(fù)雜的柔性調(diào)節(jié)、智能控制裝置。（6）汽車是最精美的藝術(shù)品?！?021/5/934轎車上的電子系統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)電控電子調(diào)速系統(tǒng)(EDC):電子可調(diào)燃油噴射電子點(diǎn)火(汽油機(jī))氧調(diào)節(jié)系統(tǒng)增壓空氣壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)(渦輪增壓的發(fā)動(dòng)機(jī))。等等。

電子變速器控制

動(dòng)力裝置在車診斷系統(tǒng)控制單元間網(wǎng)絡(luò)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(jì)算機(jī)車載電話新的顯示技術(shù)(顯示器、投影儀)上網(wǎng)和PC機(jī)總線，如CAN系統(tǒng)診斷導(dǎo)航GPS視頻

安全性

防抱死制動(dòng)系統(tǒng)(ABS)驅(qū)動(dòng)裝置防側(cè)滑調(diào)節(jié)系統(tǒng)(ASR)電子穩(wěn)定性程序(ESP)前照燈調(diào)整和清洗刮水和清洗控制保養(yǎng)時(shí)間顯示燃油和磨損點(diǎn)監(jiān)控系統(tǒng)安全氣囊、安全帶張緊器和安全帶轉(zhuǎn)動(dòng)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(wǎng)絡(luò)連接(CAN)系統(tǒng)診斷舒適性車速調(diào)節(jié)車速適應(yīng)性調(diào)節(jié)(雷達(dá)傳感器)采暖和車內(nèi)氣候調(diào)節(jié)座椅位置調(diào)節(jié)中央閉鎖系統(tǒng)底盤調(diào)節(jié)系統(tǒng)后室監(jiān)控控制單元間網(wǎng)絡(luò)連接(CAN)系統(tǒng)診斷2021/5/9351——遠(yuǎn)程雷達(dá)，77GHz，作用范圍120m2——遠(yuǎn)、近程紅外夜視儀3——外部視頻，夜視，作用范圍40m4——近程雷達(dá)，24GHz，作用范圍10m5——內(nèi)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(dòng)駕駛）全球定位(導(dǎo)航)系統(tǒng)GPS防抱死系統(tǒng)ABS防側(cè)滑系統(tǒng)ASR安全氣囊車載在線故障診斷系統(tǒng)OBD…………2021/5/936高壓共軌供油系統(tǒng)

TheCommonRailSystem2021/5/9372021/5/938高壓共軌式電控噴射系統(tǒng)的特點(diǎn)（簡）①高噴壓>200MPa；噴壓獨(dú)立于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速；調(diào)節(jié)噴油率的形狀，實(shí)現(xiàn)理想噴油規(guī)律。②實(shí)現(xiàn)多級噴射（在壓縮上止點(diǎn)附近，3~4ms內(nèi)，精確控制噴射5、6次；實(shí)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(diào)節(jié)裝置）Injection

Rate-60 TDC +60 +120°CA

2021/5/939柔性內(nèi)燃機(jī)

結(jié)構(gòu)可變的柔性內(nèi)燃機(jī)，在工況變化頻繁的車用內(nèi)燃機(jī)特別是小轎車用汽油機(jī)上得到廣泛的采用。因?yàn)檐囉脙?nèi)燃機(jī)對動(dòng)力性、加速性、起動(dòng)性、排放性等要求要高。

車用內(nèi)燃機(jī)可變機(jī)構(gòu)主要有：1.可變壓縮比2.可變進(jìn)氣系統(tǒng)3.可變配氣機(jī)構(gòu)4.可變進(jìn)氣渦流5.可變供油(或噴油)定時(shí)6.可變增壓系統(tǒng)7.可調(diào)冷卻、潤滑系統(tǒng)………

綜合管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)柔性內(nèi)燃機(jī)性能彈性內(nèi)燃機(jī)綜合智能內(nèi)燃機(jī)難度：高速、準(zhǔn)確、可調(diào)2021/5/940寶馬可變配氣機(jī)構(gòu)2021/5/941問題3：內(nèi)燃機(jī)還有創(chuàng)新的空間嗎？（1）目前，內(nèi)燃機(jī)還有許多問題沒有解決或沒能真正解決,還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有達(dá)到人們對它的要求。例如：HCCI（柴油均值預(yù)混合燃燒方式），等

內(nèi)燃機(jī)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(nèi)燃機(jī)新技術(shù)迅速推出、應(yīng)用的主要?jiǎng)恿χ弧３欧胖?，下一個(gè)技術(shù)推動(dòng)力應(yīng)該是噪聲問題、可再生代用燃料問題，等。2021/5/942內(nèi)燃機(jī)高、新技術(shù)新型動(dòng)力絕熱內(nèi)燃機(jī)絕熱復(fù)合式內(nèi)燃機(jī)回?zé)崾絻?nèi)燃機(jī)

自由活塞內(nèi)燃機(jī)…………2021/5/943內(nèi)燃機(jī)高、新技術(shù)新概念燃燒方式均勻充量壓縮燃燒HCCI低溫預(yù)混合燃燒MK預(yù)混壓縮點(diǎn)火燃燒PCI當(dāng)量燃燒汽油機(jī)分層燃燒系統(tǒng)…………汽油機(jī)缸內(nèi)直噴燃燒控制系統(tǒng)汽油機(jī)缸內(nèi)滾流控制與分層燃燒1.直噴均質(zhì)燃燒2.

3.直噴稀薄分層燃燒4.直噴擴(kuò)散燃燒2021/5/944內(nèi)燃機(jī)高、新技術(shù)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(zhì)：玉米等大豆B20、B30、B50

RFDM15、M20

RFGF-T50

RFDE10、E15、E20

RFG汽油機(jī)、柴油機(jī)、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(zhì)（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(zhì)（如玉米稈）中制成從大豆油殘?jiān)笊纱蠖辜柞セ虼蠖挂阴?/p>

燃料設(shè)計(jì)——采用多種燃料（包括清潔燃料在內(nèi)），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(dòng)機(jī)的需要。燃料2021/5/945內(nèi)燃機(jī)高、新技術(shù)供油技術(shù)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2021/5/946內(nèi)燃機(jī)高、新技術(shù)可變機(jī)構(gòu)電磁式氣門驅(qū)動(dòng)電液式氣門驅(qū)動(dòng)可調(diào)工作循環(huán)多氣門技術(shù)…………Siemen