动力机发展史

斯特林发动机
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热气机示意图
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热气机示意图
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热气机的优缺点 优点 与内燃机比较热气机所具备的优点： 适用于各种能源，无论是液态的、气态的或固态的燃料，当采用载 热系统(如热管)间接加热时，几乎可以使用任何高温热源(太阳能放射性 同位素和核反应等)，而发动机本身(除加热器外)不需要作任何更改。同 时热气机无需压缩机增压，使用一般风机即可满足要求，并允许燃料具 有较高的杂质含量。 热气机在运行时，由于燃料在气缸外的燃烧室内连续燃烧，独立于 燃气的工质通过加热器吸热，并按斯特林循环对外做功，因此避免了类 似内燃机的爆震做功和间歇燃烧过程，从而实现了高效、低噪和低排放 运行。 高效：总能效率达到80%以上；低噪：1米处裸机噪音底于68dBA； 低排放：尾气排放达到欧5标准。热气机单机容量小，机组容量从20－ 50kw，可以因地制宜的增减系统容量。结构简单，零件数比内燃机少 40%，降价空间大，同时维护成本也较低。 缺点 热气机尚存在的主要问题和缺点是制造成本较高，工质密封技术较 难，密封件的可靠性和寿命还存在问题，功率调节控制系统较复杂，机 器较为笨重。
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火花塞式汽油内燃机
1879年的新年钟声响起时，也响起了汽 油机的运转声，本茨在德国曼海姆研制成功 了火花塞点火汽油机。这是世界上策一辆汽 车。1886年1月29日，这辆汽车在德意志注 册了世界上第一项汽车发明专利证，专利人 为本茨。正是这一日期被确认为是汽车的诞 生日，本茨也被称为“汽车之父”。 本茨的第一辆三轮汽车是单杠四冲程汽油 机，自身质量为254kg，排量为0.785t，功 率为0.654KW，最高车速为18km/h。装有 三个实心橡胶轮胎的车轮，具备了现代汽车 的基本特点，如火花点火、水冷循环、前轮 转向、钢管车架、后轮驱动、带制动手柄， 是世界上最早装备差动齿轮装置的汽车。
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可燃混合气形成装置
化油器
汽油机可燃混合气形成装置的主要作用，是将汽油与空气均匀混合形 成可燃混合气体，供给发动机燃烧做功。传统的混合气形成装置是化油器。 世界上第一只化油器，是德国人奥托于1861年研制成功的，用在煤气 机上，起调节阀的作用，当时叫增炭器。 德国人马尔库斯于1875年研制成了轮刷式雾化器，这是使用在汽油机上 最早的化油器。 英国人兰切斯特少1879午制造了灯芯式化油器。 戴姆勒发明的汽油机使用的化油器，是他的同事边巴赫 发明的蒸汽式化油器，也叫泡化式化油器，这种化油器带 有浮子室。 1900牛，共四人巴勒特将文多利原理应用到浮子式化 油器，将喉管截面减小，以利于汽油的雾化，即喉管式 化油器。 1941年，别克轿车装用了四腔化油器。
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斯特林发动机
双作用式热气机
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双缸V型曲柄连杆斯特林 发动机模型，模型有一个热气 缸与一个冷气缸（为剖面表 示），两气缸的轴线相互垂直。 热气缸通过加热器、回热器、 冷却器与冷气缸连通，连通回 路的容积（流通容积）要尽量 小，两气缸内充满工质（一般 为氦气、氢气、氮气或空气）， 工质不会泄漏。加热器、冷却 器对流过的工质要有最小的阻 力与很好的导热性，回热器有 较大的热容量有最小的阻力与 很好的导热性。加热器有加热 源对通过的工质进行加热，冷 却器有冷却源吸收通过工质的 热量，加热源由炉火表示，冷 却源用风扇表示。
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往复活塞式内燃机
• 煤气内燃机 • 火花塞点火汽油机 • 压燃式柴油发动机
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煤气内燃机
1860年，法国的勒诺巴赫 (1822一1900年)制成了煤气内燃 机，主要问题是功率小，消耗的 煤气太多。 1861年，法国的铁路工程师罗 夏发表了进气、压缩、膨胀、排 气的四冲程内燃机理论。 1866年，德国工程师尼古拉斯 · 奥托(1832一1891年)成功地试制出立式四冲程煤气内燃机。 1876年，奥托又试制成一台卧式四冲程煤气内燃，这台闻 名于世的内燃机被称作奥托内燃机。奥托于1877年8月4日 取得四冲程内燃机的专利。后来，人们一直将四冲程循环 称为奥托循环，奥托作为内燃机奠基人被载入史册。 奥托内燃机获得推广，性能也在提高。1880年单机功 率达到11～15千瓦(15～20马力)，到1893年又提高到150 千瓦。由于压缩比的提高，热效率也随之增高，1886年热 效率为15.5%，1897年已高达20～26％。1881年，英国工 程师克拉克研制成功第一台二冲程的煤气机，并在巴黎博 览会上展出。
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内燃机
往复活塞式内燃机 旋转活塞式发动机 自由活塞式发动机 旋转叶轮式燃气轮机 航空发动机 火箭发动机
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内燃机
内燃机，是一种动力机械，它是通过使燃料在机器内部燃烧，并 将其放出的热能直接转换为动力的热力发动机。 广义上的内燃机不仅包括往复活塞式内燃机、旋转活塞式发动机和自 由活塞式发动机，也包括旋转叶轮式的燃气轮机、喷气式发动机等， 但通常所说的内燃机是指活塞式内燃机。 活塞式内燃机起源于荷兰物理学家惠更斯用火药爆炸获取动力的 研究，但因火药燃烧难以控制而未获成功。1794年， 英国人斯特里特提出从燃料的燃烧中获取动力，并且 第一次提出了燃料与空气混合的概念。1833年，英国 人赖特提出了直接利用燃烧压力推动活塞作功的设计。
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纽 科 门 蒸 汽 机 工 作 原 理
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单流蒸汽机
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纽 科 门 双 动 蒸 汽 机
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瓦特蒸汽机
瓦特运用科学理论，逐渐发 现了这种纽科门蒸汽机的毛病所 在。从1765年到1790年，他进行 了一系列发明，比如分离式冷凝 器、汽缸外设置绝热层、用油润 滑活塞、行星式齿轮、平行运动 连杆机构、离心式调速器、节气 阀、压力计等等，使蒸汽机的效 率提高到原来纽科门机的3倍多， 最终发明出了现代意义上的蒸汽 机。
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19世纪中期，科学家完善了通过燃烧煤气，汽油和柴油等产生的热转 化机械动力的理论。这为内燃机的发明奠定了基础。活塞式内燃机自19 世纪60年代问世以来，经过不断改进和发展，已是比较完善的机械。 之后人们又提出过各种各样的内燃机方案，但在十九世纪中叶以前均 未付诸实用。直到1860年，法国的勒努瓦模仿蒸汽机的结构，设计制造 出第一台实用的煤气机。这是一种无压缩、电点火、使用照明煤气的内 燃机。勒努瓦首先在内燃机中采用了弹力活塞环。这台煤气机的热效率 为4%左右。 英国的巴尼特曾提倡将可燃混合气在点火之前进行压缩，随后又有人 著文论述对可燃混合气进行压缩的重要作用，并且指出压缩可以大大提 高勒努瓦内燃机的效率。1862年法国科学家罗沙对内燃机 热力过程进行理论分析之后，提出提高内燃机效率的要求， 这就是最早的四冲程工作循环。 1876年，德国发明家奥托（Otto）运用罗沙的原理， 创制成功第一台往复活塞式、单缸、卧式、3.2千瓦(4.4马 力)的四冲程内燃机，仍以煤气为燃料，采用火焰点火，转 速为156.7转/分，压缩比为2.66，热效率达到14％，运转 平稳。在当时，无论是功率还是热效率，它都是最高的。
瓦特蒸汽机
1784年，瓦特的蒸汽机已装 上曲轴、飞轮，活塞可以靠 从两边进来的蒸汽连续推动， 再不用人力去调节活门，世 界上第一台真正的蒸汽机诞 生了。
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瓦特蒸汽机
在蒸汽机车中，十字头通常与传动杆相连，从那里连到联杆，由 联杆驱动机车的轮子。结构通常如下所示： 在这个示意图中，十字头与传动杆连接，而传动杆则与火车的三 个驱动轮中的一个连接。这三个轮子通过联杆连接在一起，所以 它们同步转动。 锅炉
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蒸汽轮机
就凝汽式汽轮机而言，从锅 炉产生的新蒸汽经由主阀门进入 高压缸，再进入中压缸，再进入 低压缸，最终进入凝汽器。蒸汽 的热能在汽轮机内消耗，变为蒸 汽的动能，然后推动装有叶片的 汽轮机转子，最终转化为机械能。 除了凝汽式汽轮机，还有背 压式汽轮机和抽汽式汽轮机，背 压式汽轮机可以理解为没有低压 缸和凝汽器的凝汽式汽轮机，它 的出口压力较大，可以提供给供 热系统或其它热交换系统。抽汽 式汽轮机则是指在蒸汽流通过程 中抽取一部分用于供热和或再热 的汽轮机。
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随着石油的开发，比煤气易于运输携带的汽油和柴油引起了人们的注 意，首先获得试用的是易于挥发的汽油。1883年，德国的戴姆勒Daimler 创制成功第一台立式汽油机，它的特点是轻型和高速。当时其他内燃机 的转速不超过200转/分，它却一跃而达到800转/分，特别适应交通动输机 械的要求。1885～1886年，汽油机作为汽车动力运行成功，大大推动了 汽车的发展。同时，汽车的发展又促进了汽油机的改进和提高。不久汽 油机又用作了小船的动力。 1892年，德国工程师狄塞尔（Diesel）受面粉厂粉尘爆炸的启发，设 想将吸入气缸的空气高度压缩，使其温度超过燃料的自燃温度，再用高 压空气将燃料吹入气缸，使之着火燃烧。他首创的压缩点火式内燃机(柴 油机)于1897年研制成功，为内燃机的发展开拓了新途径。 狄塞尔开始力图使内燃机实现卡诺循环，以求获得最高的 热效率，但实际上做到的是近似的等压燃烧，其热效率达 26％。压缩点火式内燃机的问世，引起了世界机械业的极 大兴趣，压缩点火式内燃机也以发明者而命名为狄塞尔引 擎。 这种内燃机以后大多用柴油为燃料，故又称为柴油机。 1898年，柴油机首先用于固定式发电机组，1903年用作 商船动力，1904年装于舰艇，1913年第一台以柴油机为 动力的内燃机车制成，1920年左右开始用于汽车和农业机械。
3即主轴的转速为活塞绕偏心轴颈的转速的3倍返回章节返回章节自由活塞式发动机自由活塞燃气轮机组返回章节返回章节自由活塞式发动机所谓自由活塞是指发动机没有通常内燃机的曲柄连杆机构见曲柄滑块机构活塞组运动规律由作用在它上面的气体压力决定并随发动机工况变化
目录
• 外燃机 • 内燃机 • 新技术应用
外燃机
纽科门蒸汽机 瓦特蒸汽机 斯特林发动机 热气机 蒸汽轮机
第一个巨大的改善是将气缸 与凝结缸通过一个阀门分开。瓦 特在伯明翰发明了这个改进。这 个改进提高了蒸汽机的效率。下 一个改进是将阀门的操作自动化。
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一天，他一边喝茶，一边看着那一动 一动的壶盖。他看看炉子上的壶又看 看手中的杯子，突然灵感来了：茶水 要凉，倒在杯里；蒸汽要冷，何不也 把它从汽缸里也“倒”出来呢？这样 想着，瓦特立即设计了一个和汽缸分 开的冷凝器，这下热效率提高了三倍， 用的煤只有原来的四分之一。这关键 的地方一突破，瓦特顿然觉得前程光 明。他又到大学里 向布莱克教授请教 了一些理论问题， 教授又介绍他认识 了发明镗床的威尔 金技师，这位技师 立即用镗炮筒的方 法制了汽缸和活塞 ，解决了那个最头 疼的漏气问题。 Nhomakorabea返回章节
斯特林发动机
外燃机是一种外燃的闭式循环往复活塞式热 力发动机，有别于依靠燃料在发动机内部燃 烧获得动力的内燃机。新型外燃机使用氢气 作为工质，在四个封闭的气缸内充有一定容 积的工质。气缸一端为热腔，另一端为冷腔。 工质在低温冷腔中压缩，然后流到高温热腔 中迅速加热，膨胀做功。燃料在气缸外的燃 烧室内连续燃烧，通过加热器 传给工质，工质不直接参与燃 烧，也不更换。
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蒸汽轮机
汽轮机是将蒸汽的能量转换成为机械功的旋转式动力机械。又称蒸 汽透平。主要用作发电用的原动机，也可直接驱动各种泵、风机、压缩 机和船舶螺旋桨等。还可以利用汽轮机的排汽或中间抽汽满足生产和生 活上的供热需要 。 汽轮机按照工作原理分为冲动式汽轮机和反动式汽轮机。 ——冲动式汽轮机蒸汽主要在静叶中膨胀，在动叶中只有 少量的膨胀。 ——反动式汽轮机蒸汽在静叶和动叶中膨胀，而且膨胀程 度相同。 汽轮机按照蒸汽参数（压力和温度）分为： —— 低压汽轮机：主蒸汽压力小于1.47Mpa； —— 中压汽轮机：主蒸汽压力在1.96—3.92Mpa； —— 高压汽轮机：主蒸汽压力在5.88—9.8Mpa； —— 超高压汽轮机：主蒸汽压力在11.77—13.93Mpa； —— 亚临界压力汽轮机：主蒸汽压力在15.69—17.65Mpa； —— 超临界压力汽轮机：主蒸汽压力大于22.15Mpa； —— 超超临界压力汽轮机：主蒸汽压力大于32Mpa；
配气活塞式热气机
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斯特林发动机
斯特林发动机是独特的热 机，因为他们理论上的效率 几乎等于理论最大效率，称 为卡诺循环效率。斯特林发 动机是通过气体受热膨胀、 遇冷压缩而产生动力的。这 是一种外燃发动机，使燃料 连续地燃烧，蒸发的膨胀氢 气（或氦）作为动力气体使 活塞运动，膨胀气体在冷气 室冷却，反复地进行这样的 循环过程。
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纽科门蒸汽机
纽科门机器的压强不受限于 蒸汽压强，当蒸汽凝结，在汽缸 里形成真空时，则由大气压强将 活塞推下。有记载的第一台纽科 门蒸汽机是1712年在斯塔福德郡 的达德利堡附近安装的。为了在 汽缸里造成真空，纽科门发明了 内凝喷嘴和自动阀动装置。利用 相当于大气压的蒸汽，他保持材 料在其工作极限以内。