发动机原理课件-绪论 林学东版

3000m3的用水要求。
当时科学背景：
十六世纪末和十七世纪初的三大实验： 英国包尔塔的蒸汽压力实验； 托里拆利（Evangelista Torricelli）和帕斯卡（ Blaise Pascal）的大 气压力实验； 格里凯（Otto von Guericke）的真空作用实验“马德堡半球试
无马的汽车
1881年戴姆勒离开奥托公司 目的：把奥托发动机应用到交通工具上。 1883年，发明化油器，在奥托四冲程 煤气机的基础上，研制出一台小型单缸 汽油机转速达700~900r/min； 功率1.1马力，空气冷却 奥托发动机最大转速180~200r/min。 1885年，将这台小汽油机装在一辆 自行车上，制造出第一台摩托车。
断失败后，采用了相当于真空原理的用水蒸气作工质的活塞式发动机，成为 近代蒸汽机的直接祖先）

实验：先将汽缸底部注入少量水，加热。当汽缸内的水沸腾后，蒸汽推 动活塞慢慢上升；然后，从汽缸底部抽掉火，汽缸内蒸汽慢慢冷凝汽 缸内产生真空，在大气压力推动下，活塞慢慢下降。
结论： 利用蒸汽压力、大气压力、真空的相互作用， 可以推动汽缸内活塞作往返直线运动。 这种运动所产生的机械动力可以带动其他机械 运动。
1867年：大气压力式内燃机，Otto,Langen
指标：η<11%，Pmax=28kw ，整机重量4000磅 利用燃烧所产生的缸内压力升高，
在膨胀行程时加速一个自由活塞和齿条机构，它们的动量将使气缸 产生真空，然后大气压力推动活塞内行。齿条通过滚轮离合器与
输出轴啮合，输出功率。
1876年，奥托又设计出一种改进型点火系统，同年5月研
1886年将小汽油机和转向器装在一辆四轮车上。
该车气缸总排量为 469cm3 ，时速达到了 16 公里。
这辆车的性能： —有风扇冷却； —内燃机下垫着减振橡胶块； —还有发动机预热系统。
成为第一辆实用汽车之一。
从此用小汽油机驱动车“马车的机械化”。
1885年，本茨购买了奥托内燃机的专利，把一个 四冲程内燃机装在一辆不太稳固的三轮车上，开 创现代汽车史。 后又将一台功率0.8马力，单缸2冲程小内燃机装 在一辆三轮车上，时速达到15公里。
车大众化。
汽车工业史上的三次变革
1914 年美国福特汽车公司的汽车装 配流水线带来了汽车工业史上的第 一次变革。 第二次变革发生在 20 世纪50 年代。 拆除当时欧洲内部的关税壁垒，使 欧洲市场空前繁荣，有力地推动了 汽车制造工业的发展。
亨利.福特与其儿子坐在他的T型畅销车内。
20 世纪60 年代末，日本汽车工业创
塞尔（Rudolf Diesel)提出了一
种新型内燃机的专利，即在压缩 终了将液体燃料喷入缸内，利用
压缩终了气体的高温将燃气点燃，
它可以采用大的压缩比和膨胀比， 没有爆燃。热效率可比当时其它 的内燃机高一倍。构想于五年后 变成现实，即压燃式发动机机— —柴油机。
笨重的第一台柴油机
此后，学者们曾
提出了各种各样
特点：汽缸中未采用活塞，只是在其中接有吸水管、排水管和进汽 管。——与巴本汽缸不同点
原理：蒸汽从锅炉经汽管进入汽缸后被冷却时所造成的真空把矿井中 的水从吸水管中吸进来再将蒸汽注入汽缸，由进入汽缸的蒸汽压力 把水从排水管中排出。
第三次技术革新：托马斯· 纽可门（Thomas Newcomen）针 对赛维利蒸汽泵两大缺点改进:
验”
。
三大实验的作用： 人们开始认识蒸汽、大气和真空的相互作用。 这些重大的实验成果为早期蒸汽动力技术的开发奠定了牢固的科 学实验基础。
二、从内燃机草图到蒸汽机 从惠更期草图到蒸汽机经历了三次技术革新
第一次技术创新：法国物理学家工程师巴本（Denis Papin 1647-1712），最先应用蒸汽动力技术。（巴本在火药机试验不
对前人的研究成果进行深入分析后，找到问题的 症结：设计方案缺少提高效率的有效途径。
他认为高效率内燃机，必须具备两个必要条件： 第一，点火前要高压压缩过程； 第二，燃料必须迅速膨胀，达到最大膨胀比。
实现的具体方案：把活塞运动分成4个冲程，即 进气—压缩—点火燃烧膨胀做功—排气。
德罗夏虽建立四冲程理论，但未能制造出!
要克服这一缺点，必须解决锅炉与汽缸分离的 问题使锅炉与汽缸合二为一。
根源 途径
前期探索工作：如 利用燃烧烟气冷却后产生的真空来抽水； 利用火药在汽缸内爆炸时产生的压力来驱动活塞； 用氢气和空气的混合燃料来推动活塞。
四冲程理论的建立：
法国科学家德罗夏，立志要“站在瓦特肩膀上”，解决这些问题。 1862年法国科学家德罗夏在卡诺（法国）热力学研究的基础上，提出了四冲程 内燃机工作原理。
缺点一：热效率太低。 改进措施：冷却水不直接进入汽缸，而是通过一个细小龙 头向汽缸内喷水冷却。 缺点二：只是一种抽水泵，不输出动力。 改进措施：引入活塞装臵。靠蒸汽压力、大气压力和真空 度的相互作用推动活塞作往复式机械运动对外输出功 蒸汽机。 1712年纽可门蒸汽机问世。但热效率依然不到1%。
同时，1858年法国人里诺发明了燃气机： 用煤气和空气的混合气取代蒸汽机的蒸汽； 用电池和感应线圈产生电火花点燃混合气。
此煤气机: 有气缸、活塞、连杆、飞轮等。是内燃机的初级
产品，但压缩比为零。 奥托受里诺煤气机启发，认为如果用液体燃料，其用途将 更为拓宽，为此设计了汽化器。
1862：法国人罗彻斯(Beau de Rochas ）描述了四冲程发动机 工作原理（但没有足够的钱去维护他的专利）。 1862年2月，奥托制造出一台四冲程样机。 指标：η<5% Pmax=4.5kw 整机重量大 1863年获得专利，并建立“奥托公司”
故障诊断
在修理纽可门蒸汽机中，发现其两大缺点：

燃料消耗量大而效率低
只能作往复直线运动。
因此，除了用于矿井抽水之外，无其他用途，浪费蒸气达八成以上。
第一个专利：
启蒙：1765年的春天，针对纽可门蒸汽机热效率低的原因
是蒸汽在缸内冷凝造成的能否让蒸汽在缸外冷凝产 生采用分离冷凝器的初步设想。
解决措施：利用蒸汽具有“弹性” 特点，把汽缸和另一个容器相连接， 让蒸汽接入其中，就不需要一再冷却汽缸，而浪费许多热量。 同年设计一个与汽缸分离的冷凝器，并在汽缸外面加绝热套汽缸保持 在高温工作状态。
发明带有活塞的蒸汽泵后，考虑到蒸汽压力大可能 会使汽缸爆炸，于1680年发明了安全阀。第一台可以 把热能转变为机械能的实验型蒸汽泵，于1680年在英国 试验成功。
• 第二次技术突破：英国机械工程师赛维利
（T.Savery 1650-1715）。
• 设计依据：基于包尔塔的蒸汽力原理，其蒸汽泵 主要由汽缸与锅炉组成。
凡尔赛宫
柯· 惠更斯（Christian Huygens)：荷兰物理学家 负责庭院里的树木浇水 和喷水池的喷水 从塞纳河汲水。
塞纳河
1673-1680惠更斯首先提出了：真空活塞式火 药燃烧的高温燃气在气缸中冷却后形成真空而 带动活塞做功； 在人类历史上第一次把燃气与活塞联系起来， 实现“内燃”。 自方案问世后，经12年后的1685年,设计制造出 14台直径12m的水车，可满足凡尔赛宫一天
德国商人奥托一直关注内燃机研制情况。 从蒸汽机的广泛应用中， 看到内燃机的发展前途； 从德罗夏的理论设计中看到希望。

奥托对德罗夏方案，反复研读，深刻领会其设计思想；

并全心投入内燃机的研制工作。
奥托的实验：
目的—在发动机气缸里实现烟囱冒烟现象 （燃烧向稀 薄区传播）。
手段—用透明气缸和手动活塞以及侧式进排气管模 型，将香烟的烟放入进气阀反复观察 结果：研究出空气与煤气的添加混合方法
奇迹，生产物美价廉汽车，使得世 界汽车工业发生第三次变革。
二战后， 汽车工 业复兴 到今天， 汽车的 发展经 历了几 个阶段
提高性能 内燃机 汽车发 展的几 个阶段 主动安全 被动安全 环境保护 节能
提高性能：车速快，操作更方便，价格更便宜 交通事故 行驶的凶器
各汽车公司开始开发研究汽车的安全技术 主动安全 被动安全
1784年以带有飞轮、齿轮联动装臵和双向装臵的 高压蒸汽机综合组装，取得第四项专利； 1788年，又发明离心调速器和节气阀； 1790年，发明汽缸示功器。 至此完成了蒸汽机发明的全过程蒸汽动力装臵。
迎来蒸汽革命
四、四冲程理论与内燃机的发明 瓦特蒸汽机存在的问题： 蒸66年~1769年受他人赞助制出第一台样机，热效率可达3%。同年， 瓦特因发明冷凝器而获得在革新纽可门蒸汽机过程中的第一项专利。
第一个专利的问题
带冷凝器的蒸汽机虽试制成功，但相对纽可门蒸汽机，除了热效率显 著提高外，还是无法作为真正的动力机械。 致命缺陷：活塞只能作往复直线运动。
1781年，在参加圆月学社活动过程中，受到圆周运动的启发
回转发动机方案， 直到1957年，汪
克尔（F.Wankel）
成功地试验了他 发明的转子发动 机。
第一章 绪论——1.2内燃机在汽车上的应用
早在1769年，法国人琼诺（N.J.Cugnot） 黑烟、噪声、 就利用当时生产的蒸汽机制作了世界最 初的蒸汽三轮汽车 1927年，彻底停止了蒸汽汽车的生产
虽然奥托发明了奥托循环，实现了四冲程理论，但在成功之后 并没能把成果推向汽车领域 车速慢
制出第一台四冲程内燃机，翌年获得专利权实现四冲
程理论奥托循环。 （进气、着火前的压缩、燃烧膨胀与排气） 指标：η<14% Pmax=80kw 整机重量1250磅。 此后，英国科学家对奥托四冲程内燃机进行改进在一 台内燃机中加上一个气缸——多缸机； 从而使输出的动力更均匀。
1892年，德国工程师鲁道夫〃狄
纽可门蒸汽机原型： 将气缸和活塞臵于锅上部； 加热锅产生的蒸汽导入汽缸， 推动活塞上升； 向气缸喷水，关闭阀门，缸 内蒸汽被冷却变成水，产生 真空，活塞下降，抽水泵抽 水。
三、蒸汽革命——蒸汽汽车时代
詹姆斯· 瓦特： 瓦特掌管格拉斯哥大学实验教具的机械员。 1764年受命格拉斯哥大学教学用纽可门 发动机的修理工作。
为预防事故发生而采取的
当事故不可避免的发生 时，用来保护乘客和驾 驶员的安全技术，保险 杠、安全带、气囊等
一系列措施，如制动系统
的开发与完善
环境保护 1943年9月，美国洛杉矶发生的光化学烟雾事件促使了以法 律形式控制汽车排放。
1960年首次制定了防止汽车尾气污染的法案，并从1965年开始实施。
发动机原理
2
内燃机：燃料在机器内部燃烧而将能量释放并对外做功的机
械设备。工质燃烧前为燃油与空气的混合物，燃烧后为燃
烧产物。 本课程主要内容：往复式活塞内燃机 点燃式发动机
压燃式发动机
第一章
绪论——1.1内燃机的发展
从内燃机草图蒸汽机发明汽车的发展内燃机 一、内燃机概念的形成——惠更斯的草图 产生于1673年，惠更斯在凡尔赛宫用水过程中借 助动力来代替体力劳动过程中的构想。
第三项专利：
针对蒸汽机效率不高的原因：蒸汽单项运动； 即从一端进入、另一端出来。
方案措施：让蒸汽从两端进入和排出，就可以让蒸汽即能推动活塞向上运 动又能推动活塞向下运动 效率就可以提高一倍。

1782年，试制出一种带有双向装臵的新 汽缸 获得第三项专利。
在改进纽可门蒸汽机过程中的三次飞跃—三个专利，首次把 引入汽缸的蒸汽由低压变为高压纽可门蒸汽机瓦特蒸汽 动力装臵。
想到把活塞往复直线运动变为旋转运动就可以使动力传给任何工作机械。
同年，研制出一套“太阳和行星”齿轮联动装臵； 活塞的直线运动转变为齿轮的旋转运动；为使转动更加均匀，安装一个飞轮。

这一机构的重大革新，瓦特蒸汽机才真正成为动力机械。 1781年底，以发明带有齿轮和拉杆的机械联动装臵获得第二个专利。 直线运动旋转运动
亨利· 福特：美国发明家和农民企业家 1892年由杜里埃兄弟（现代汽车的开山鼻祖）研 制出第一辆汽车 1896年福特制造出第一台汽车。 1903年创立福特汽车公司，生产A型车； 1908年推出举世闻名的T型车，其特点： 设计精良、坚固耐用，维修简便； 1910年创造生产流水线， “世界生产方式历史性变革”，使汽