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，e<1%。

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=550~600PS

be=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