曲柄连杆机构动力学分析与计算

第一章绪论

1.1内燃机概述

汽车自19世纪诞生至今，已经有100多年的历史了。汽车工业从无到有，以惊人的速度在发展着，汽车工业给人类的近代文明带来翻天覆地的变化，在人类的文明进程中写下了宏伟的篇章。汽车工业是衡量一个国家是否强大的重要标准之一，而内燃机在汽车工业中始终占据核心的地位。内燃机是将燃料中的化学能转变为机械能的一种机器。由于内燃机的热效率高（是当今热效率最高的热力发动机）、功率范围广、适应性好、结构简单、移动方便、比质量（单位输出功率质量）轻、可以满足不同要求等特点，已经广泛的应用于工程机械、农业机械、交通运输（陆地、内河、海上和航空）和国防建设事业当中。因此，内燃机工业的发展对整个国民经济和国防建设都有着十分重要的作用。

1.1.1世界内燃机简史

内燃机的出现和发明可以追溯到1860年，来诺伊尔（J.J.E.Lenoir1822~1900年）首先发明了一种叫做大气压力式的内燃机，这种内燃机的大致工作过程是：空气和煤气在活塞的上半个行程被吸入气缸内，然后混合气体被火花点燃；后半个行程是膨胀行程，燃烧的煤气推动着活塞下行，然后膨胀做功；活塞上行时开始排气。这种内燃机和现代主流的四冲程内燃机相比，在燃烧前没有压缩行程，但基本思想已经有了雏形。这种内燃机的热效率低于5%，最大功率只有4.5KW，1860~1865年间，共生产了约5000台。1867年奥拓（Nicolaus A.Otto，1832~1891

年）和浪琴（Eugen Langen，1833~1895年）发明了一种更为成功的大气压力式内燃机。这种内燃机是利用燃烧所产生的缸内压力，随着缸内压力的升高，在膨胀行程时加速一个自由活塞和齿条机构，他们的动量将使得缸内产生真空，然后大气压力推动活塞内行。齿条则通过滚轮离合器和输出轴相啮合，然后输出功率。这种发动机的热效率可以达到11%，共生产了近5000台。

由于煤气机必须使用气体燃料，而当时的气体燃料的来源非常困难，这从某种意义上讲就阻碍了煤气机的进一步发展。1885年德国人戈特利布·戴姆勒（Gottlieb ·Daimler）仿照四冲程煤气机的工作原理，成功地制造了第一台汽油机，并于1886年搭载这台汽油机驱动汽车问世。由于这种内燃机的体积小、重量轻、价格便宜;起动性好,最大功率时的转速高，工作中的噪声和振动小，运转平稳等优点，迅速在运输车辆上得到了广泛的应用。

紧接着，在1890年英国的克拉克（Dugald Clerk，1854~1913年）和罗宾逊（James Robson 1833~1913年）、德国的卡尔·奔驰（Karl Benz，1844~1929年）成功的发明了二冲程内燃机，即在膨胀行程末期和压缩行程初期进行进气和排气行程。二冲程内燃机和四冲程内燃机相比，二冲程内燃机具有较高的单位容积功率和比较均匀的扭矩，并且结构简单、使用和维修方便；二冲程的燃油及润滑油耗量较高，冷却比较困难，耐用性较差。目前二冲程内燃机多用于摩托车、割草机、大型船舶等，而四冲程内燃机多用于汽车行业，并且比较广泛。

1892年德国工程师鲁道夫·迪塞尔（Rudolf Diesel，1858~1913年）提出了一种新型的内燃机，即在压缩终了时，将液体燃料喷人缸内，利用压缩终了的气体高温将燃料点燃。这种内燃机可以采用大的压缩比和膨胀比，没有爆燃，热效率可以比当时其他的内燃机高出一倍。迪塞尔的构想在5年后终于变成了现实，一种崭新的压燃式发动机——柴油机。之后，学者们曾提出了各种各样的回转式内燃机的结构方案，但直到1957年才由汪克尔（F.Wankel）成功地实验了他发明的转子发动机。这种发动机通过多年的努力和发展，在解决了密封和缸体震纹之后，也在一定领域获得了较好的应用。现代汽车企业中，马自达仍有转子发动机技术，马自达官方说是技术储备了,但并不是不再研究了,是因为就现在的科技来讲满足不了转子发动机的用钢需求。

1.1.2内燃机的燃料

燃料在内燃机的发展中起着非常重要的作用。内燃机最早使用的燃料是煤气，1900年之后，原油中的轻溜分油（汽油）成为商品，出现了将这种油料汽化并与空气混合的化油器。在1905年之前，为了避免爆燃（由于气体压力和温度过高，在燃烧室内离点燃中心较远处的末端可燃混合气自燃而造成的一种不正常的燃烧），压缩比用得普遍较低，汽油机的性能与供应都存在问题，高挥发性的油料使发动机起动容易，在寒冷地区使用有较好的性能。在1907~1915年，汽油的需求量增加了5倍。

第一次世界大战以后，随着对内燃机工业的进一步发展，人们对爆燃问题有了进一步的理解，通用汽车公司发明了四乙铅的抗爆作用，1923年美国便开始将它作为汽油的添加剂。尤金·赫德莱（Eugene Houdry）发明了催化裂化法，这种方法既提高了发动机的动力性能，同时又使汽油的抗爆性能更好，从而使发动机的压缩比不断增加。后来他提出了增加缸内压力的发明专利，也就是后来说的机械增压。1907年美国宾夕法尼亚的一家工厂试制成功了世界上第一台增压发动机。第二次世界大战后，增压技术开始在压燃式发动机中得到广泛应用，并且逐步扩展到汽油机中。

近30年来，影响发动机设计和运行的主要因素则是控制发动机排放对环境的污染。20世纪40年代，在美国洛杉矶出现了由汽车排放物行成的空气污染事件后，1952年哈琴·施密特（A.J.Haagen Smit）阐明了光化学烟雾，它是来自日照下氮氧化合物和碳氢化合物的化学反应，而碳氢化合物、氮氧化合物以及一氧化碳主要都来自汽车排气。柴油机则是微粒和氮氧化合物的主要来源。于是美国在加州建立了世界上首个汽车排放标准。

内燃机和汽车给世界带来了现代物质文明，在经过了超过一个世纪的发展之后，它的发展远远没有达到其顶点，在动力性、经济性和排放性上还可以不断地改善。新材料的出现给内燃机带来的是进一步轻质量、降低成本和热损失。目前内燃机主要使用压缩天然气（Compressed Natural Gas—CNG）、液化天然气（Liquified Natural Gas—LNG）、液化石油气（Liquified Petrol Gas—LPG）。各种新型模式内燃机都将会有更好的应用和美好的前景。

1.1.3中国内燃机工业简史

中国内燃机工业从1908年广州均和安机器厂制造成第一台煤气机开始，