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1、发动机的历史与发展,BEIJING INSTITUTE OF TECHNOLOGY,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,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
2、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H10m，D=1454mm，S=2100mm，Pe=25马力，n=9r/min，=1，e1%。,缺点：效率低体积大要依靠重力工作。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,
3、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
4、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4.5kW 18601865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
5、高效率，其应用前景是非常广阔的。,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
6、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
7、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1520PS，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
8、研究考察一书。5060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，
9、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
10、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,19191930年克里斯蒂按他的思路研制出多种坦克，包括水陆坦克。样
11、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。,3 T34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,4 T34坦克发动机,T34坦克发动机：(1939年）V12柴油机。V型夹角
12、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=550600PS be=231g/kw.h(170g/ps.h)，国际7080年代水平。当时先进水平270 g/kw.h,1943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34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,
13、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：内燃机还能发展多少年？,1）石油还能维持多少年？,2）内燃机是否在近期会被其它动力所取代？,（1）内燃机的优势,（2）内燃机的劣势,能量、功率密度高经济性高，CO2排放低。（工艺成熟）,能量单一排放难以治理（有矛盾）,内燃机的优势,1）能量、功率密度高,2）经济性高，CO2排放低。（工艺成熟）,太阳能电池：7%；蓄电池：使用成本、污染 燃料电池：H2,g100 W,内燃机的劣势,1）能量单一（有可再生的代用燃料醇类燃料、
14、生物燃料）2）排放难以治理（有矛盾）,问题2：内燃机或汽车行业是高新技术行业吗？,（1）国内无力研制高档内燃机或汽车！只有技术发达国家能够拥有自己研制的高档车或先进动力；,（2）有最复杂的电子系统。,（3）要求最高、最复杂的安全、自动驾驶系统。,（4）高频使用、压力很高，加工精度、控制精度要求最高的液力系统。,（5）内燃机具有各种很复杂的柔性调节、智能控制装置。,（6）汽车是最精美的艺术品。,轿车上的电子系统,发动机电控电子调速系统(EDC):电子可调燃油喷射电子点火(汽油机)氧调节系统增压空气压力调节系统(涡轮增压的发动机)。等等。,电子变速器控制,动力装置,在车诊断系统,控制单元间网络连接
15、(CAN),通讯,语言输出,利用语言的功能控制(语音识别),听力电器,车用计算机,车载电话,新的显示技术(显示器、投影仪),上网和PC机,总线，如CAN,系统诊断,导航GPS,视频,安全性,防抱死制动系统(ABS),驱动装置防侧滑调节系统(ASR),电子稳定性程序(ESP),前照灯调整和清洗,刮水和清洗控制,保养时间显示,燃油和磨损点监控系统,安全气囊、安全带张紧器和安全带转动杆松开系统,汽车安全系统,轮胎压力系统,控制单元间网络连接(CAN),系统诊断,舒适性,车速调节,车速适应性调节(雷达传感器),采暖和车内气候调节,座椅位置调节,中央闭锁系统,底盘调节系统,后室监控,控制单元间网络连接(
16、CAN),系统诊断,1远程雷达，77GHz，作用范围120m2远、近程红外夜视仪3外部视频，夜视，作用范围 40m4近程雷达，24GHz，作用范围10m5内部视频6超声波，作用范围 1.5m,汽车周围的系统（安全、自动驾驶）,全球定位(导航)系统GPS防抱死系统ABS防侧滑系统ASR安全气囊车载在线故障诊断系统OBD,高压共轨供油系统The Common Rail System,高压共轨式电控喷射系统的特点（简）,高喷压200MPa；喷压独立于发动机转速；调节喷油率的形状，实现理想喷油规律。,实现多级喷射（在压缩上止点附近，34ms内，精确控制喷射5、6次；实现不同的目的）,众多微小精密对。（
17、电控喷油器、泵、共轨腔调节装置）,柔性内燃机,结构可变的柔性内燃机，在工况变化频繁的车用内燃机特别是小轿车用汽油机上得到广泛的采用。因为车用内燃机对动力性、加速性、起动性、排放性等要求要高。,车用内燃机可变机构主要有：1.可变压缩比 2.可变进气系统 3.可变配气机构 4.可变进气涡流 5.可变供油(或喷油)定时 6.可变增压系统 7.可调冷却、润滑系统,综合管理系统,结构柔性内燃机性能弹性内燃机综合智能内燃机,宝马可变配气机构,问题3：内燃机还有创新的空间吗？,（1）目前，内燃机还有许多问题没有解决或没能真正解决,还远远没有达到人们对它的要求。例如：HCCI（柴油均值预混合燃烧方式），等,内
18、燃机企业不创新就不可能生存！,迅速提高的排放要求是目前内燃机新技术迅速推出、应用的主要动力之一。,除排放之外，下一个技术推动力应该是噪声问题、可再生代用燃料问题，等。,内燃机高、新技术,新型动力绝热内燃机 绝热复合式内燃机回热式内燃机 自由活塞内燃机,内燃机高、新技术,新概念燃烧方式均匀充量压缩燃烧HCCI低温预混合燃烧MK预混压缩点火燃烧PCI 当量燃烧汽油机分层燃烧系统,汽油机缸内直喷燃烧控制系统,内燃机高、新技术,F-T柴油是用Fischer-Tropsch法从天然气、煤或生物质（如玉米秆）中制成的柴油,二甲醚DME、甲醇也可从天然气、煤或生物质（如玉米秆）中制成,从大豆油残渣脂化后生成
19、大豆甲酯或大豆乙酯,燃料设计采用多种燃料（包括清洁燃料在内），按一定比例混合，制成混合燃料，使其综合的理化性能最适合某类发动机的需要。,燃料,内燃机高、新技术,供油技术电控单体泵泵喷嘴PT供油系统 高压供轨系统,特色循环米勒循环阿特金森循环增压中冷循环,康明斯公司,内燃机高、新技术,可变机构电磁式气门驱动电液式气门驱动可调工作循环多气门技术,Siemens可变进气机构1-蓄压室；2-电磁阀3-液力挺柱；4-凸轮5-摇臂；6-气门弹簧7-进气门,内燃机高、新技术,混合动力电-内燃机液压储能飞轮电机压缩空气动力,新材料应用陶瓷、钛合金碳素纤维纤维增强塑料粉末冶金材料复合材料,内燃机高、新技术,主动
20、控制主动减振技术主动降噪技术,增压技术超高增压技术顺序增压断缸技术可调增压技术,后处理技术微粒捕捉器与再生NOX催化转换器快速响应的氧化催化转换系统冷EGR,问题3：内燃机还有创新的空间吗？（续）,（2）汽车是所有发达国家的支柱产业，投资力度大，（技术）竞争激烈。强烈的需求是内燃机不断改进、创新的原动力。汽车、发动机行业能带动十几几十行业（服务、油、橡胶、玻璃、电器、化工，）。每增加1个汽车工业工人，则增加710位相关行业的就业1：710 德国1/7的工人直接或间接为汽车服务；资金吞吐量非常大。,问题4：国外内燃机水平高在哪里？,不断研究、不断尝试新技术；不断投入、不断应用新技术；不断吸收各行各业的新技术；将“小”问题做精做深。企业注重创新。,例：Nissan直列4缸汽油机采用了可变进气系统；Audi的V6汽油机的可变进气管结构；三菱发动机的高速、低速可切换凸轮；丰田的进气涡流可调；德国大众的3升路波车（高压共轨等）汽油机缸内直喷、电控管理、诊断系统等等已经应用得很普及。真正的国产发动机几乎没有采用更新的技术。,在汽车、发动机上成功采用一些高技术会带来十分丰厚的利润回报。,法国标致,
