发动机的历史与发展

发动机的历史与发展BEIJINGINSTITUTEOFTECHNOLOGY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ε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H~10m，D=1454mm，S=2100mm，Pe=25马力，n=9r/min，=1，e1%。缺点：①效率低②体积大③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4.5kW1860~1865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。如果能提高效率，其应用前景是非常广阔的。p0Vp0大气压式内燃机示功图问题：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冲程点燃式煤气机的快速发展0%2%4%6%8%10%12%14%16%18%20%187618861894效率020406080100120140160180200187618801893功率PS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15～20PS，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《火力发动机的研究考察》一书。50~60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，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1919~1930年克里斯蒂按他的思路研制出多种坦克，包括水陆坦克。样车成本35000$。8辆坦克，克里斯蒂向军方要价83000$，但军方只准备付15000$；波兰1辆30000$，制造权90000$；未谈成苏联1辆55000$购买了两辆10吨坦克，于1930年12月24日圣诞节前夕，拆除武器，作为农用机械运回苏联。该坦克的发动机（原型机）为航空发动机：D=150、V12、750PS、汽油机。3T34坦克开发过程1939年与日本。日本希望两边夹击苏联与希特勒汇合日本坦克速度26km/hBT坦克野外64km/h，防护和火力也强得多缺点：汽油机1939年1930年12月购买克里斯蒂坦克美国BT坦克菲亚特柴油机T34坦克诺门坎大口径炮重装甲情报战略研究T34坦克开发过程模仿模仿4T34坦克发动机T34坦克发动机：(1939年）V12柴油机。V型夹角60oD/S=150/180(186.7)、主副连杆4气门、直喷、排量38.8L500PS/1800r/min，nmax=2000r/min、Pe=550~600PSbe=231g/kw.h(170g/ps.h)，国际70~80年代水平。当时先进水平270g/kw.h1943年T34坦克产量已达24000辆。防御、火力，特别是速度远远超过德国坦克，行驶半径是德国坦克的3~4倍。为苏联赢得二战胜利起到了非常关键的作用。被誉为：功勋坦克曾经每月生产1300辆，异常简单，可靠性高，适应性极高首次使用斜装甲；火力、防御力、机动性、适应性都达到了极致古往今来的坦克至尊；埃及依然在使用改进的T-34坦克三内燃机行业前途问题问题1内燃机还能发展多少年？问题2内燃机或汽车行业是高新技术行业吗？问题3内燃机还有创新的空间吗？问题4国外内燃机水平高在哪里？问题1：内燃机还能发展多少年？1）石油还能维持多少年？2）内燃机是否在近期会被其它动力所取代？（1）内燃机的优势（2）内燃机的劣势①能量、功率密度高②经济性高，CO2排放低。（工艺成熟……）①能量单一②排放难以治理（有矛盾）内燃机的优势1）能量、功率密度高2）经济性高，CO2排放低。（工艺成熟……）太阳能电池：7%；蓄电池：使用成本、污染燃料电池：H2g100∝W内燃机的劣势1）能量单一（有可再生的代用燃料——醇类燃料、生物燃料）2）排放难以治理（有矛盾）问题2：内燃机或汽车行业是高新技术行业吗？（1）国内无力研制高档内燃机或汽车！只有技术发达国家能够拥有自己研制的高档车或先进动力；（2）有最复杂的电子系统。（3）要求最高、最复杂的安全、自动驾驶系统。（4）高频使用、压力很高，加工精度、控制精度要求最高的液力系统。（5）内燃机具有各种很复杂的柔性调节、智能控制装置。（6）汽车是最精美的艺术品。…………轿车上的电子系统•发动机电控•电子调速系统(EDC):•电子可调燃油喷射•电子点火(汽油机)•氧调节系统•增压空气压力调节系统(涡轮增压的发动机)。等等。•电子变速器控制•动力装置•在车诊断系统•控制单元间网络连接(CAN)•通讯•语言输出•利用语言的功能控制(语音识别)•听力电器•车用计算机•车载电话•新的显示技术(显示器、投影仪)•上网和PC机•总线，如CAN•系统诊断•导航GPS•视频•安全性•防抱死制动系统(ABS)•驱动装置防侧滑调节系统(ASR)•电子稳定性程序(ESP)•前照灯调整和清洗•刮水和清洗控制•保养时间显示•燃油和磨损点监控系统•安全气囊、安全带张紧器和安全带转动杆松开系统•汽车安全系统•轮胎压力系统•控制单元间网络连接(CAN)•系统诊断•舒适性•车速调节•车速适应性调节(雷达传感器)•采暖和车内气候调节•座椅位置调节•中央闭锁系统•底盘调节系统•后室监控•控制单元间网络连接(CAN)•系统诊断1——远程雷达，77GHz，作用范围120m2——远、近程红外夜视仪3——外部视频，夜视，作用范围40m4——近程雷达，24GHz，作用范围10m5——内部视频6——超声波，作用范围1.5m汽车周围的系统（安全、自动驾驶）全球定位(导航)系统GPS防抱死系统ABS防侧滑系统ASR安全气囊车载在线故障诊断系统OBD…………高压共轨供油系统TheCommonRailSystem高压共轨式电控喷射系统的特点（简）①高喷压200MPa；喷压独立于发动机转速；调节喷油率的形状，实现理想喷油规律。②实现多级喷射（在压缩上止点附近，3~4ms内，精确控制喷射5、6次；实现不同的目的）③众多微小精密对。（电控喷油器、泵、共轨腔调节装置）InjectionRate-60TDC+60+120°CA柔性内燃机结构可变的柔性内燃机，在工况变化频繁的车用内燃机特别是小轿车用汽油机上得到广泛的采用。因为车用内燃机对动力性、加速性、起