熱力發動機原理1饒國燃ransan@163.com一、目的與任務發動機原理是以發動機性能指標為主要研究對象。深入到發動機工作過程的各個階段，分析影響這些性能的各種因素，從中找出提高性能的一般規律，為后續課程的學習奠定良好的基礎。是一門理論性較強的專業課程，是熱能與動力工程專業的核心課程之一。2一、目的與任務3掌握發動機工作各項性能指標的概念和內涵及其影響因素熟悉發動機基本理論、一般工作過程和實際工作循環的特點能運用所學知識，分析提高內燃機各種工作性能指標、降低排放的技術措施和適用條件了解當今國內外內燃機技術的新發展。初步具有利用發動機的基本原理解決實際問題的專業技術應用能力二、教學內容及學時分配理論教學(44學時)第一章緒論第二章內燃機循環及性能評價指標第三章發動機的換氣過程第四章內燃機的燃料與燃燒第五章汽油機混合氣的形成和燃燒第六章柴油機混合氣的形成和燃燒第七章發動機的特性第八章發動機與整車性能匹配

實驗學時：4學時

三、考核方式考核性質：考試課，百分制考核形式：

閉卷、筆試成績評定方法：

期末總評成績＝平時成績×20％+實驗成績×10％+期末成績×70％補考方法：

總評成績低于60分的學生，須參加學校統一組織的補考。56四、教科書與參考書

《發動機原理》林學東（教材）《汽車構造》（上冊）陳家瑞機械工業出版社2001《工程熱力學》沈維道高等教育出版社2007《內燃機學》周龍保機械工業出版社2004《內燃機原理》蔣德明中國農業機械出版社1988《內燃機原理》劉永長華中理工出版社1992《汽車拖拉機發動機》董敬機械工業出版社2001《發動機原理》

林學東主編機械工業出版社1.1發動機的發展1.2發動機在汽車上的應用第1章緒論發動機的應用1、在工程中：林業工程：采伐、運輸、木材加工；農業、礦山2、在生活中，室內外：乘車、船、飛機3、在軍工中：坦克、特種車輛從內燃機草圖蒸汽機發明汽車的發展內燃機一、內燃機概念的形成——赫更斯的草圖產生于1673年，赫更斯在凡爾賽宮用水過程中借助動力來代替體力勞動過程中的構想。

第一章緒論—內燃機的發展史凡爾賽宮塞納河赫更斯：荷蘭物理學家負責庭院里的樹木澆水和噴水池的噴水從塞納河提水。1509年，意大利人雷歐那德.達芬奇繪出類似的火藥發動機草圖，但沒有試制。赫更斯的內燃機草圖:自方案問世后，經12年后的1685年，用14臺直徑12m的水車完成，并滿足凡爾賽宮一天3000m3的用水要求。當時科學背景：十六世紀末和十七世紀初的三大實驗：英國包爾塔的蒸汽壓力實驗；托里拆利和巴斯噶的大氣壓力實驗；那末格里凱的真空作用實驗。三大實驗的作用：人們開始認識蒸汽、大氣和真空的相互作用。

這些重大的實驗成果為早期蒸汽動力技術的開發奠定了牢固的科學實驗基礎。第一次技術創新：法國物理學家工程師巴本（DenisPapin1647-1712），最先應用蒸汽動力技術。從火藥發動機演變到蒸汽機;將當時歐洲煉鐵場廣泛使用的活塞式風箱將箱變為汽缸；把風箱中的活塞變為汽缸中的活塞。二、蒸汽機發明——三次技術革新實驗：先將汽缸底部注入少量水，加熱。當汽缸內的水沸騰后，蒸汽推動活塞慢慢上升；然后，從汽缸底部抽掉火，汽缸內蒸汽慢慢冷凝汽缸內產生真空，在大氣壓力推動下，活塞慢慢下降。結論：利用蒸汽壓力、大氣壓力、真空的相互作用，可以推動汽缸內活塞作往返直線運動。這種運動所產生的機械動力可以帶動其他機械運動。發明帶有活塞的蒸汽泵后，考慮到蒸汽壓力大可能會使汽缸爆炸，于1680年發明了安全閥。第一臺可以把熱能轉變為機械能的實驗型蒸汽泵，于1680年在英國試驗成功。第二次技術突破：英國機械工程師賽維利（T.Savery1650-1715）。設計依據：基于包爾塔的蒸汽力原理，其蒸汽泵主要由汽缸與鍋爐組成。特點：汽缸中未采用活塞，只是在其中接有吸水管、排水管和進汽管。——與巴本汽缸不同點原理：蒸汽從鍋爐經汽管進入汽缸后被冷卻時所造成的真空把礦井中的水從吸水管中吸進來再將蒸汽注入汽缸，由進入汽缸的蒸汽壓力把水從排水管中排出。第三次技術革新：托馬斯·紐可門（ThomasNewcomen）針對賽維利蒸汽泵兩大缺點改進:缺點一：熱效率太低。改進措施：冷卻水不直接進入汽缸，而是通過一個細小龍頭向汽缸內噴水冷卻。缺點二：只是一種抽水泵，不輸出動力。改進措施：引入活塞裝置。靠蒸汽壓力、大氣壓力和真空度的相互作用推動活塞作往復式機械運動對外輸出功蒸汽機。1712年紐可門蒸汽機問世。紐可門蒸汽機原型：將氣缸和活塞置于鍋上部；加熱鍋產生的蒸汽導入汽缸，推動活塞上升；關閉閥門，向氣缸噴水，缸內蒸汽被冷卻變成水，產生真空，活塞下降，抽水泵抽水。三、蒸汽革命——蒸汽汽車時代詹姆斯·瓦特：瓦特掌管格拉斯哥大學實驗教具的機械員。1764年受命格拉斯哥大學教學用紐可門蒸汽機的修理工作。在修理紐可門蒸汽機中，發現其兩大缺點：燃料消耗量大而效率低只能作往復直線運動。因此，除了用于礦井抽水之外，無其他用途，浪費蒸氣達八成以上。故障診斷第一個專利：啟蒙：1765年的春天，針對紐可門蒸汽機熱效率低的原因是蒸汽在缸內冷凝造成的能否讓蒸汽在缸外冷凝產生采用分離冷凝器的初步設想。解決措施：利用蒸汽具有“彈性”特點，把汽缸和另一個容器相連接，讓蒸汽接入其中，就不需要一再冷卻汽缸，而浪費許多熱量。同年設計一個與汽缸分離的冷凝器，并在汽缸外面加絕熱套汽缸保持在高溫工作狀態。其特點：冷凝器與汽缸間用一個調節閥相連二者既能連通又能分開。這樣，把做功后的蒸汽引入汽缸外的冷凝器，又可以使缸內產生真空，避免汽缸在一冷一熱過程中熱量損耗。從1766年~1769年受他人贊助制出第一臺樣機。同年，瓦特因發明冷凝器而獲得在革新紐可門蒸汽機過程中的第一項專利。帶冷凝器的蒸汽機雖試制成功，但相對紐可門蒸汽機，除了熱效率顯著提高外，還是無法作為真正的動力機械。致命缺陷：活塞只能作往復直線運動。第一個專利的問題1781年，在參加圓月學社活動過程中，受到天王星以及由此引出的行星繞日圓周運動，或鐘表中齒輪的圓周運動的啟發想到把活塞往復直線運動變為旋轉運動就可以使動力傳給任何工作機械。同年，研制出一套“太陽和行星”齒輪聯動裝置；

活塞的直線運動轉變為齒輪的旋轉運動；為使輪軸圓周運動更加均勻，安裝一個飛輪。這一機構的重大革新，瓦特蒸汽機才真正成為動力機械。1781年底，以發明帶有齒輪和拉桿的機械聯動裝置獲得第二個專利。直線運動旋轉運動方案措施：讓蒸汽從兩端進入和排出，就可以讓蒸汽既能推動活塞向上運動又能推動活塞向下運動效率就可以提高一倍。第三項專利：針對蒸汽機效率不高的原因：蒸汽單項運動；即從一端進入、另一端出來。1782年，試制出一種帶有雙向裝置的新汽缸獲得第三項專利。1784年以帶有飛輪、齒輪聯動裝置和雙向裝置的高壓蒸汽機綜合組裝，取得第四項專利；1788年，又發明離心調速器和節氣閥；1790年，發明汽缸示功器。至此完成了蒸汽機發明的全過程蒸汽動力裝置。在改進紐可門蒸汽機過程中的三次飛躍—三個專利，首次把引入汽缸的蒸汽由低壓變為高壓紐可門蒸汽機瓦特蒸汽動力裝置。迎來蒸汽革命四、奧托循環瓦特蒸汽機存在的問題：蒸汽機體積龐大，熱效率低。要克服這一缺點，必須解決鍋爐與汽缸分離的問題使鍋爐與汽缸合二為一。前期探索工作：如利用燃燒煙氣冷卻后產生的真空來抽水；利用火藥在汽缸內爆炸時產生的壓力來驅動活塞；用氫氣和空氣的混合燃料來推動活塞。根源途徑煤氣機法國，雷諾煤氣，空氣吸入氣缸后混合點燃氣缸、活塞、連桿和飛輪組成由于壓縮比為0，熱效率只有4.5%，低于蒸汽機如何提高熱效率？法國，德羅賽，一、點火前要高壓；二、燃料必須迅速膨脹。由此產生了四沖程的概念：進氣、壓縮、做工、排氣德國商人奧拓將德羅賽的理論變成現實，提高壓縮比至2.5，熱效率10-12%第一臺內燃機

（紐科門的蒸汽機發明155年后，1860年）經過很多人70多年的努力，法國人勒諾瓦爾（蘭諾）于1860用”煤氣+空氣”代替200年前火力發動機中的火藥研制了第一臺內燃機。壓縮比=1，效率4.5%，最大功率4.5kW1860~1865年共生產了約5000臺當時蒸汽機的效率已近10%。第一臺內燃機對前人的研究成果進行深入分析后，找到問題的癥結：設計方案缺少提高效率的有效途徑。法國科學家德羅夏，立志要“站在瓦特肩膀上”，解決這些問題。他認為高效率內燃機，必須具備兩個必要條件：第一，點火前要高壓壓縮過程；第二，燃料必須迅速膨脹，達到最大膨脹比。實現的具體方案：把活塞運動分成4個沖程，即進氣—壓縮—點火燃燒膨脹做功—排氣。四沖程理論的建立：德國商人奧托一直關注內燃機研制情況。從蒸汽機的廣泛應用中，看到內燃機的發展前途；從德羅夏的理論設計中看到希望。奧托對德羅夏方案，反復研讀，深刻領會其設計思想；并全心投入內燃機的研制工作。

他雖建立四沖程理論，但未能制造出!奧托的實驗：目的—在發動機氣缸里實現煙囪冒煙現象。手段—用透明氣缸和手動活塞以及側式進排氣管模型，將香煙的煙放入進氣閥反復觀察結果：研究出空氣與煤氣的添加混合方法奧托受里諾煤氣機啟發，認為如果用液體燃料，其用途將更為拓寬，為此設計了汽化器。1862年2月，奧托制造出一臺四沖程樣機。

1863年獲得專利，并建立“奧托公司”。奧托的4沖程點燃式煤氣機問題：當時的發動機都是兩沖程的（膨脹和排氣），與現在的主沖程為膨脹和壓縮的兩沖程發動機不同，進氣在活塞上止點附近完成（=1）。由于沒有獨立的進氣沖程，很難實現分層燃燒。解決措施：

增加獨立的進氣沖程，提出采用4沖程發動機。第四個沖程即為“壓縮沖程”！奧托的4沖程點燃式煤氣機奧托不僅提出了“四沖程發動機的設想”，而且在得力助手梅巴哈的幫助下于1876年研制了第一臺4沖程點燃式煤氣機。由于有獨立的壓縮沖程，可以說不得不實現較高的壓縮比。

該煤氣機為單缸、四沖程、臥式、按等容燃燒，=2.5，Pe=4PS，e=～14%，運轉平穩，體積小，質量減小了～70%。很快得到推廣應用，從而形成了內燃機工業。奧托4沖程點燃式煤氣機的快速發展當人們真正知道了“提高壓縮比可以提高效率”后……1880年功率達15～20PS，1893年則達到200PS。1886年熱效率達到15.5%，1894年熱效率高達20%。理論指導的重要性！1882年戴姆勒離開奧托公司目的：把奧托發動機應用到交通工具上。1883年，發明點火系統，在奧托四沖程煤氣機的基礎上，研制出一臺小型單缸汽油機轉速達700~900r/min；功率1.1馬力，空氣冷卻奧托發動機最大轉速180~200r/min。1885年，將這臺小汽油機裝在一輛自行車上，制造出第一臺摩托車。五、汽油機汽車問世1886年將小汽油機和轉向器裝在一輛四輪車上。該車氣缸總排量為469cm3，時速達到了16公里。這輛車的性能：

—有風扇冷卻；

—內燃機下墊著減振橡膠塊；

—還有發動機預熱系統。成為第一輛實用汽車之一。從此用小汽油機驅動車“馬車的機械化”。戴姆勒，發明化油器，解決當時在氣缸內形成混合器的關鍵問題，研制出第一臺汽油機。同時，奔馳公司利用線圈點火方式研制二沖程汽油機，后由于戰爭、經濟原因，二者合并，成為現在的戴姆勒-奔馳公司。柴油機的發展德國，Rudolf.Diesel出發點：熱效率低，著火困難著眼點：將卡諾循環變為現實，提高