吉林大学热能与动力机械基础 第二章1.ppt

从内燃机草图—蒸汽机发明、发展及衰落过程 一、内燃机概念的形成——赫更斯的草图 • 内燃机概念，产生于1673年，赫更斯在凡尔赛宫 用水过程中借助机械的力量来代替笨重的体力劳 动问题的意识中创造性的构想第二章 内燃动力机械——内燃机发展史凡尔赛宫塞纳河赫更斯：荷兰物理学家 负责庭院里的树木浇水 和喷水池的喷水 从塞纳河提水•宫前大花园自1667年起由 勒诺特设计建造，面积6.7 平方公里，纵轴长3公里•从大殿前到正门开凿一条 运河1.61km以便款待贵 客、畅饮开胃酒• 凡尔赛宫（法国）： 1667~1688年路易十四建成， 到路易十五完成王宫包括 宫殿、花园与放射形大道三 部分宫殿南北纵长425米 • 赫更斯的内燃机草图： 自方案问世后，经12年后的1685 年，用14台直径12m的水车完 成，并满足凡尔赛宫一天 3000m3的用水要求1509年，意大利人雷欧那德. 达芬奇绘出类似的火药发动 机草图，但没有试制当时世界科技背景十六世纪末和十七世纪初的三大实验： Ø英国包尔塔的蒸汽压力实验； Ø托里拆利（流体力学奠基人）和巴斯噶的大气 压力实验； Ø那末格里凯的真空作用实验三大实验的作用：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 产生奠定了牢固的实验科学基础第一次技术创新：由法国著名物理学家、工程师巴本（Denis Papin 1647-1712），最先应用蒸汽动力技术与赫更斯住一个城市——巴黎，当时在医学院读书对赫更斯的构想进行研究1674年开始致力于蒸汽泵的实验设计 设想：试图从火药发动机演变到蒸汽机 • 从欧洲当时炼铁场广泛使用的活塞式风箱中受到启发，将 风箱变为汽缸；把风箱中的活塞变为汽缸中的活塞蒸汽机发明的三次技术革新：• 巴本的实验：先将汽缸的底部注入少量的水，再把汽缸放到 火上加热当汽缸内的水沸腾后，蒸汽推动活塞慢慢上升； 然后，又把火从汽缸下抽掉，汽缸内的蒸汽即慢慢冷凝由 于蒸汽的冷凝，汽缸内产生真空，在大气压力的推动之下， 活塞又慢慢下降通过这项实验得到2个结论：Ø利用蒸汽压力、大气压力、真空的相互作用， 完全可以推动汽缸内的活塞及其活塞杆作往返 直线运动 Ø这种运动所产生的机械动力可以带动其他机械 运动在发明带有活塞的蒸汽泵之后，考虑到蒸汽压 力大可能会使汽缸爆炸，巴本于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年在英国试验成功了。

• 第二次技术突破：继巴本之后，由英国机械工程师赛维 利（T.Savery 1650-1715）在近代蒸汽动力技术的发展 中作出重要贡献 他的设计依据：源于包尔塔的蒸汽力原理，其蒸汽泵主要由 汽缸与锅炉组成特点：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后，赛维利研究巴本的蒸汽泵，在他的蒸汽泵中也采用 安全阀1695年，赛维利制造出了几台这样的蒸汽泵第三次技术革新：托马斯·纽可门（Thomas Newcomen）研究了赛维利蒸汽 泵，他认为赛维利蒸汽泵有两大缺点:Ø 缺点一：热效率太低对此在设计上所作的重要革新：冷 却水不直接进入汽缸，而是通过一个细小的龙头向汽缸内 进行喷冷却水 Ø 缺点二：赛维利蒸汽泵只是一种抽水泵，而不是动力机 针对这一点的革新：在赛维利蒸汽泵中引入了巴本的活塞 装置这样蒸汽压力、大气压力和真空在交互作用下可推 动活塞作往复式的机械运动而这种机械运动一旦传递出 去蒸汽泵变成蒸汽机由于进行了上述三次研究和革新，一台近代蒸汽机的 完整蓝图基本上设计出来。

1712年纽可门蒸汽机问世纽可门蒸汽机原型： Ø将气缸和活塞置于酿酒 用锅的上部； Ø加热锅产生的蒸汽导入 汽缸，推动活塞上升； Ø喷水装置向气缸喷水， 同时关闭阀门，缸内蒸 汽被冷却变成水，产生 真空，活塞下降，抽水 泵抽水从巴本蒸汽泵到纽可门蒸汽机 早期蒸汽动力技术的发展，已 向人类社会预告了即将兴起的 第一次工业革命的信息——蒸 汽时代的即将到来纽可门发动机的诞生，使英国的 煤矿从地下水的困惑中解脱出来 ，产量迅速增加 迎来英国的（工业）产业革命DS=1454 2100mm, Pe=18.64kW,18st/min二、蒸汽革命——蒸汽汽车时代詹姆斯·瓦特：受工业革命的影响，对发动机感兴趣• 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在修理纽可门蒸汽机中，发现其两大缺点： Ø 燃料耗量大而效率低Ø只能作往返的直线运动因此，除了用于矿井抽水之外，纽可门蒸汽机没有其他用途了，而浪费的蒸气可达八成以上故障诊断瓦特蒸汽机的第一个专利：启蒙：1765年的春天，在一次散步时想到， 既然纽可门蒸汽机的热效率低的原因是蒸汽在 缸内冷凝造成的，那么能否让蒸汽在缸外冷凝？ 产生了采用分离冷凝器的最初设想。

瓦特所采取的解决方法：既然蒸汽具有弹性，只要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，而浪费许多热量了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特点：冷凝器与汽缸间用一个调节阀相连 二者既能连通又能分开这样，把做功后的蒸汽引入汽缸外的冷凝器，又可以使 缸内产生真空，避免汽缸在一冷一热过程中热量损耗实施：在大学教授布莱克了解瓦特的奋斗目标和困 境后，介绍给一位十分富有的朋友--化工技师罗 巴克，由他给与经费上的赞助 • 从1766年~1769年制出第一台样机同年，瓦特 因发明冷凝器而获得他在革新纽可门蒸汽机过程 中的第一项专利带有冷凝器的蒸汽机虽试制成功，但与纽可门蒸汽机相比， 除了热效率显著提高外，还是无法作为真正的动力机械第二个专利：Ø 此时，罗巴克濒于破产，他把瓦特介绍给自己朋友、工程 师兼企业家的博尔顿 Ø 博尔顿是当时著名科学社团“圆月学社”的主要成员会员 多数是本地的科学家、工程师、学者以及科学爱好者 Ø 经博尔顿介绍，瓦特参加圆月学社在那里与化学家普列 斯特列等交往对当时人们关注的气体化学与热化学有了 更多的了解为他后来参加水的化学成分的争论奠定了基 础。

更重要的是，圆月学社的活动使瓦特进一步增长了科 学见识，活跃了科学思想第一个专利的问题当时背景• 1769年试制出带冷凝器的蒸汽机后，热效率已不是主要问 题，而活塞只能作往复直线运动才是致命缺陷 • 1781年，瓦特在参加圆月学社活动过程中，受到天王星以 及由此引出的行星绕日圆周运动，以及钟表中齿轮的圆周 运动的启发同年，研制出一套称为“太阳和行星”的齿轮联动装置，把活 塞的直线运动转变为齿轮的旋转运动为了使轮轴圆周运动 更加均匀，瓦特在轮轴上加装了一个飞轮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• 对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，瓦特以发明带有齿轮和拉杆的机械联动装置 获得第二个专利直线运动旋转运动方案设想：如果让蒸汽能够从两端进入和排出，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 以提高一倍第三项专利：蒸汽机上加轮轴和飞轮，完成活塞的往复直线运动轮轴的 旋转运动；但消耗不少能量，蒸汽机效率不高，动力不大• 瓦特对汽缸本身进行研究发现：虽然把纽可门蒸汽机的内 部冷凝变成外部冷凝，使蒸汽机热效率有显著提高，但蒸 汽机中蒸汽推动活塞的冲程与纽可门蒸汽机相同。

蒸汽都 是单项运动，即从一端进入、另一端出来存在的问题探索问题的原因• 1782年，瓦特根据这一设想，试 制出一种带有双向装置的新汽缸 获得第三项专利Ø 1784年瓦特以带有飞轮、齿轮联动装置和双向装置的高压 蒸汽机综合组装，取得在革新纽可门蒸汽机中的第四项专利 Ø 1788年，又发明离心调速器和节气阀； Ø 1790年，发明汽缸示功器至此瓦特完成了蒸汽机发明的全过程蒸汽动力装置经三个专利技术革新使单向汽缸装置改成双向汽缸，首次把 引入汽缸的蒸汽由低压蒸汽变为高压蒸汽瓦特在改进纽可 门蒸汽机过程中的三次飞跃，纽可门蒸汽机演变为瓦特蒸汽 机这些重大改革，使工厂和交通运输等方面都能使用蒸汽机 使蒸汽动力的巨大潜力被逐渐发掘出来迎来蒸汽革命第一次 开发汽车的人Ø 伦敦格拉斯哥大学鲁滨逊教授，设想：如果把当时的四轮 马车改成用蒸汽推动，就能大大加快车速他让负责修理教学仪器的技工瓦特给他做一个蒸汽机模型 ，用来做试验模型做好了，但不能运转，鲁滨逊教授没 有再把试验进行下去可这件事倒引起瓦特对蒸汽机的浓 厚兴趣——最终发明了蒸汽机 Ø 法国人居纽（N.J.Cugnot）第一个将蒸汽机装在车上。

1770年，制作一辆三轮蒸汽机车车全长7.23米，时速为 3.5公里,是世界上第一辆蒸汽机车 Ø 1890年，克莱门特.艾德尔首次尝试将蒸汽机用于飞机上在奥托发动机问世前，两者均为达到使用化的地步三、奥托的梦想瓦特蒸汽机的特点： • 提高了劳动生产率，促进手工业向大工业的迅速过 渡，直接推动18世纪伟大工业（蒸汽）革命• 存在的问题：蒸汽机体积庞大，热效率低要克服蒸汽机的缺点，必须解决锅炉与汽缸分离的 问题即使锅炉与汽缸合二为一科学家门在这方面的探索：如 Ø 利用燃烧烟气冷却后产生的真空来抽水； Ø 利用火药在汽缸内爆炸时产生的压力来驱动活塞； Ø 用氢气和空气的混合燃料来推动活塞 根源 途径这种效果有的还 不如蒸汽机 对前人制作的内燃机进行深入分析后，找到问题的 症结：设计方案缺少提高效率的有效途径法国科学家德罗夏，立志要“站在瓦特肩膀上”，解决这些 问题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此条件的具体设想：把活塞运动分成4个 冲程：进气—压缩—点火燃烧膨胀做功—排气解决方案实施方案四冲程理论的问世德国商人奥托一直关注内燃机的研制情况。

在报纸上看到德罗夏设计的内燃机的报道后 欣喜万分 • 作为商人，从蒸汽机的广泛应用中，看到内燃机的 发展前途，德罗夏的设计使他看到希望 • 奥托对德罗夏设计方案，反复研读，深刻领会其设 计思想；并辞去工作，全心投入内燃机的研制工作 ，没学过机械，边学边干他虽搭建了通向“瓦特肩膀”的阶梯，离“瓦特的肩 膀”只有一步之遥；惋惜的是：德罗夏作为理论家 缺少动手制作的能力，最终没能迈出关键一步! 看烟囱排烟启发：烟没有和空气混合，一直上升 如果把烟换成混合气，在烟囱出口处（浓区）点火， 火焰会慢传播到逐渐稀薄区，可提高燃烧效率奥托的实验： 目的—在发动机气缸里实现烟囱冒烟现象 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方法巧合？本田稀燃技术 1983Ø 同时，1858年法国人里诺发明了燃气机，并于1860年申请 专利用煤气和空气的混合气取代往复式蒸汽机的蒸汽， 使用电池和感应线圈产生电火花，用电火花将混合气点燃 爆发 Ø 这种发动机有气缸、活塞、连杆、飞轮等煤气机是内燃 机的初级产品，但压缩比为零 Ø 奥托受里诺煤气机的启发，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。

Ø 1862年2月，奥托制造出一台四冲程样机但在实用化过 程中遇到困难，即点火装置方面的困难便把它搁置一旁 但是他又发明了“常压引擎”，一种新的二冲程煤气发动 机1863年获得专利权为了使自己的内燃机走向市场， 奥托与他人合作，建立“奥托公司”Ø 在1867年的巴黎世界博览会上，奥托压缩式内燃机获得 金奖从此销路畅通；公司利润暴长 Ø 1872年聘请才华非。