1、 內燃機拓展 內燃機的發展歷史 活塞式內燃機自19世紀60年代問世以來，經過不斷改進和發展，已是比較完善的機械。 它熱效率高、功率和轉速范圍寬、配套方便、機動性好，所以獲得了廣泛的應用。全世界各 種類型的汽車、拖拉機、農業機械、工程機械、小型移動電站和戰車等都以內燃機為動力。 海上商船、內河船舶和常規艦艇， 以及某些小型飛機也都由內燃機來推進。 世界上內燃機的 保有量在動力機械中居首位，它在人類活動中占有非常重要的地位。 活塞式內燃機起源于用火藥爆炸獲取動力，但因火藥燃燒難以控制而未獲成功。 1794 年，英國人斯特里特提出從燃料的燃燒中獲取動力， 并且第一次提出了燃料與空氣混合的概 念。18

2、33年，英國人賴特提出了直接利用燃燒壓力推動活塞作功的設計。 之后人們又提出過各種各樣的內燃機方案， 但在十九世紀中葉以前均未付諸實用。 直到 1860年，法國的勒努瓦模仿蒸汽機的結構，設計制造出第一臺實用的煤氣機。這是一種無 壓縮、電點火、使用照明煤氣的內燃機。 勒努瓦首先在內燃機中采用了彈力活塞環。這臺煤 氣機的熱效率為4%左右。 英國的巴尼特曾提倡將可燃混合氣在點火之前進行壓縮， 隨后又有人著文論述對可燃混 合氣進行壓縮的重要作用，并且指出壓縮可以大大提高勒努瓦內燃機的效率。 1862年，法 國科學家羅沙對內燃機熱力過程進行理論分析之后， 提出提高內燃機效率的要求， 這就是最 早的四沖程

3、工作循環。 1876年，德國發明家奧托運用羅沙的原理，創制成功第一臺往復活塞式、單缸、臥式、 3.2千瓦（4.4馬力）的四沖程內燃機，仍以煤氣為燃料，采用火焰點火，轉速為 156.7轉/ 分，壓縮比為2.66，熱效率達到14%，運轉平穩。在當時，無論是功率還是熱效率，它都 是最高的。 奧托內燃機獲得推廣，性能也在提高。1880年單機功率達到1115千瓦（1520馬力）， 到1893年又提高到150千瓦。由于壓縮比的提高，熱效率也隨之增高， 1886年熱效率為 15.5%, 1897年已高達2026%。1881年，英國工程師克拉克研制成功第一臺二沖程的煤 氣機，并在巴黎博覽會上展出。 隨著石油的

4、開發，比煤氣易于運輸攜帶的汽油和柴油引起了人們的注意， 首先獲得試用 的是易于揮發的汽油。1883年，德國的戴姆勒創制成功第一臺立式汽油機，它的特點是輕 型和高速。當時其他內燃機的轉速不超過 200轉/分，它卻一躍而達到800轉/分，特別適應 交通動輸機械的要求。18851886年，汽油機作為汽車動力運行成功，大大推動了汽車的 發展。同時，汽車的發展-2 - 又促進了汽油機的改進和提高。不久汽油機又用作了小船的動力。 1892年，德國工程師狄塞爾受面粉廠粉塵爆炸的啟發，設想將吸入氣缸的空氣高度壓 縮，使其溫度超過燃料的自燃溫度， 再用高壓空氣將燃料吹入氣缸，使之著火燃燒。他首創 的壓縮點火式內

5、燃機（柴油機）于1897年研制成功，為內燃機的發展開拓了新途徑。 狄塞爾開始力圖使內燃機實現卡諾循環， 以求獲得最高的熱效率， 但實際上做到的是近 似的等壓燃燒，其熱效率達 26%。壓縮點火式內燃機的問世，引起了世界機械業的極大興 趣，壓縮點火式內燃機也以發明者而命名為狄塞爾引擎。 這種內燃機以后大多用柴油為燃料，故又稱為柴油機。 1898年，柴油機首先用于固定 式發電機組，1903年用作商船動力，1904年裝于艦艇，1913年第一臺以柴油機為動力的內 燃機車制成，1920年左右開始用于汽車和農業機械。 早在往復活塞式內燃機誕生以前， 人們就曾致力于創造旋轉活塞式的內燃機， 但均未獲 成功。直

6、到1954年，聯邦德國工程師汪克爾解決了密封問題后， 才于1957年研制出旋轉活 塞式發動機，被稱為汪克爾發動機。它具有近似三角形的旋轉活塞， 在特定型面的氣缸內作 旋轉運動，按奧托循環工作。這種發動機功率高、體積小、振動小、運轉平穩、結構簡單、 維修方便，但由于它燃料經濟性較差、低速扭矩低、排氣性能不理想， 所以還只是在個別型 號的轎車上得到采用。 二、現代火箭發動機 現代火箭發動機主要分固體推進劑和液體推進劑發動機。 所謂“推進劑”就是燃料 （燃 燒劑）加氧化劑的合稱。 1.固體火箭發動機 固體火箭發動機為使用固體推進劑的化學火箭發動機。 固體推進劑有聚氨酯、聚丁二烯、 端羥基聚丁二烯、硝

7、酸酯增塑聚醚等。 固體火箭發動機由藥柱、燃燒室、噴管組件和點火裝置等組成。藥柱是由推進劑與少量 添加劑制成的中空圓柱體（中空部分為燃燒面，其橫截面形狀有圓形、星形等）。藥柱置于 燃燒室（一般即為發動機殼體）中。在推進劑燃燒時，燃燒室須承受 25003500度的高溫 和1022X 107帕的高壓力，所以須用高強度合金鋼、 鈦合金或復合材料制造， 并在藥柱與 燃燒內壁間裝備隔熱襯。 點火裝置用于點燃藥柱，通常由電發火管和火藥盒（裝黑火藥或煙火劑）組成。通電后 由電熱絲點燃黑- 3 - 火藥，再由黑火藥點火燃藥拄。 噴管除使燃氣膨脹加速產生推力外， 為了控制推力方向， 常與推力向量控制系統組成噴 管

8、組件。該系統能改變燃氣噴射角度，從而實現推力方向的改變。 藥柱燃燒完畢，發動機便停止工作。 固體火箭發動機與液體火箭發動機相比較， 具有結構簡單， 推進劑密度大， 推進劑可以 儲存在燃燒到中常備待用和操縱方便可靠等優點。 缺點是“比沖”小 （也叫比推力， 是發動 機推力與每秒消耗推進劑重量的比值，單位為秒）。固體火箭發動機比沖在 250300秒， 工作時間短，加速度大導致推力不易控制，重復起動困難，從而不利于載人飛行。 固體火箭發動機主要用作火箭彈、 導彈和探空火箭的發動機， 以及航天器發射和飛機起 飛的助推發動機。 2. 液體火箭發動機 液體火箭發動機是指液體推進劑的化學火箭發動機。 常用的

9、液體氧化劑有液態氧、 四氧 化二氮等，燃燒劑由液氫、偏二甲肼、煤油等。氧化劑和燃燒劑必須儲存在不同的儲箱中。 液體火箭發動機一般由推力室、推進劑供應系統、發動機控制系統組成。 推力室是將液體推進劑的化學能轉變成推進力的重要組件。它由推進劑噴嘴、燃燒室、 噴管組件等組成，見圖。 推進劑通過噴注器注入燃燒室， 經霧化， 蒸發， 混合和燃燒等過成 生成燃燒產物， 以高速 （ 2500 一 5000 米秒）從噴管中沖出而產生推力。燃燒室內壓力可 達2O0大氣壓（約 20OMPa、溫度300C4000C，故需要冷卻。 推進劑供應系統的功用是按要求的流量和壓力向燃燒室輸送推進劑。按輸送方式不同， 有擠壓式 （氣壓式） 和泵壓式兩類供應系統。 擠壓式供應系統是利用高壓氣體經減壓器減壓 后（氧化劑、燃燒劑的流量是靠減壓器調定的壓力控制）進入氧化劑、燃燒劑貯箱，將其分 別擠壓到燃燒室中。 擠壓式供應系統只用于小推力發動機。 大推力發動機則用泵壓式供應系 統，這種系統是用液壓泵輸送推進劑。 發動機控制系統的功用是對發動機的工作程序和工作參數進行調節和控制。 工作程序包 括發動機起動、