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2015
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08
發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展歷史
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活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)起源于荷蘭物理學(xué)家惠更斯用火藥爆炸獲取動(dòng)力的研究,但因火藥燃燒難以控制而未獲成功。1794年,英國(guó)人斯特里特提出從燃料的燃燒中獲取動(dòng)力,并且第一次提出了燃料與空氣混合的概念。1833年,英國(guó)人賴特提出了直接利用燃燒壓力推動(dòng)活塞作功的設(shè)計(jì)。
19世紀(jì)中期,科學(xué)家完善了通過燃燒煤氣,汽油和柴油等產(chǎn)生的熱轉(zhuǎn)化機(jī)械動(dòng)力的理論。這為發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)明奠定了基礎(chǔ)。活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)自19世紀(jì)60年代問世以來(lái),經(jīng)過不斷改進(jìn)和發(fā)展,已是比較完善的機(jī)械。它熱效率高、功率和轉(zhuǎn)速范圍寬、配套方便、機(jī)動(dòng)性好,所以獲得了廣泛的應(yīng)用。全世界各種類型的汽車、拖拉機(jī)、農(nóng)業(yè)機(jī)械、工程機(jī)械、小型移動(dòng)電站和戰(zhàn)車等都以發(fā)動(dòng)機(jī)為動(dòng)力。海上商船、內(nèi)河船舶和常規(guī)艦艇,以及某些小型飛機(jī)也都由發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)推進(jìn)。世界上發(fā)動(dòng)機(jī)的保有量在動(dòng)力機(jī)械中居首位,它在人類活動(dòng)中占有非常重要的地位。
之后人們又提出過各種各樣的發(fā)動(dòng)機(jī)方案,但在十九世紀(jì)中葉以前均未付諸實(shí)用。直到1860年,法國(guó)的勒努瓦模仿蒸汽機(jī)的結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)制造出第一臺(tái)實(shí)用的煤氣機(jī)。這是一種無(wú)壓縮、電點(diǎn)火、使用照明煤氣的發(fā)動(dòng)機(jī)。勒努瓦首先在發(fā)動(dòng)機(jī)中采用了彈力活塞環(huán)。這臺(tái)煤氣機(jī)的熱效率為4%左右。
英國(guó)的巴尼特曾提倡將可燃混合氣在點(diǎn)火之前進(jìn)行壓縮,隨后又有人著文論述對(duì)可燃混合氣進(jìn)行壓縮的重要作用,并且指出壓縮可以大大提高勒努瓦發(fā)動(dòng)機(jī)的效率。1862年,法國(guó)科學(xué)家羅沙對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)熱力過程進(jìn)行理論分析之后,提出提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率的要求,這就是最早的四沖程工作循環(huán)。
1876年,德國(guó)發(fā)明家奧托(Otto)運(yùn)用羅沙的原理,創(chuàng)制成功第一臺(tái)往復(fù)活塞式、單缸、臥式、3.2千瓦(4.4馬力)的四沖程發(fā)動(dòng)機(jī),仍以煤氣為燃料,采用火焰點(diǎn)火,轉(zhuǎn)速為156.7轉(zhuǎn)/分,壓縮比為2.66,熱效率達(dá)到14%,運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)。在當(dāng)時(shí),無(wú)論是功率還是熱效率,它都是最高的。
奧托發(fā)動(dòng)機(jī)獲得推廣,性能也在提高。1880年單機(jī)功率達(dá)到11~15千瓦(15~20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(dá)20~26%。1881年,英國(guó)工程師克拉克研制成功第一臺(tái)二沖程的煤氣機(jī),并在巴黎博覽會(huì)上展出。
隨著石油的開發(fā),比煤氣易于運(yùn)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(fā)的汽油。1883年,德國(guó)的戴姆勒(Daimler)創(chuàng)制成功第一臺(tái)立式汽油機(jī),它的特點(diǎn)是輕型和高速。當(dāng)時(shí)其他發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速不超過200轉(zhuǎn)/分,它卻一躍而達(dá)到800轉(zhuǎn)/分,特別適應(yīng)交通動(dòng)輸機(jī)械的要求。1885~1886年,汽油機(jī)作為汽車動(dòng)力運(yùn)行成功,大大推動(dòng)了汽車的發(fā)展。同時(shí),汽車的發(fā)展又促進(jìn)了汽油機(jī)的改進(jìn)和提高。不久汽油機(jī)又用作了小船的動(dòng)力。
1892年,德國(guó)工程師狄塞爾(Diesel)受面粉廠粉塵爆炸的啟發(fā),設(shè)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(chuàng)的壓縮點(diǎn)火式發(fā)動(dòng)機(jī)(柴油機(jī))于1897年研制成功,為發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展開拓了新途徑。
狄塞爾開始力圖使發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)卡諾循環(huán),以求獲得最高的熱效率,但實(shí)際上做到的是近似的等壓燃燒,其熱效率達(dá)26%。壓縮點(diǎn)火式發(fā)動(dòng)機(jī)的問世,引起了世界機(jī)械業(yè)的極大興趣,壓縮點(diǎn)火式發(fā)動(dòng)機(jī)也以發(fā)明者而命名為狄塞爾引擎。
這種發(fā)動(dòng)機(jī)以后大多用柴油為燃料,故又稱為柴油機(jī)。1898年,柴油機(jī)首先用于固定式發(fā)電機(jī)組,1903年用作商船動(dòng)力,1904年裝于艦艇,1913年第一臺(tái)以柴油機(jī)為動(dòng)力的發(fā)動(dòng)機(jī)車制成,1920年左右開始用于汽車和農(nóng)業(yè)機(jī)械。
早在往復(fù)活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)誕生以前,人們就曾致力于創(chuàng)造旋轉(zhuǎn)活塞式的發(fā)動(dòng)機(jī),但均未獲成功。直到1954年,聯(lián)邦德國(guó)工程師汪克爾(Wankel)解決了密封問題后,才于1957年研制出旋轉(zhuǎn)活塞式發(fā)動(dòng)機(jī),被稱為汪克爾發(fā)動(dòng)機(jī)。它具有近似三角形的旋轉(zhuǎn)活塞,在特定型面的氣缸內(nèi)作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),按奧托循環(huán)工作。這種發(fā)動(dòng)機(jī)功率高、體積小、振動(dòng)小、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維修方便,但由于它燃料經(jīng)濟(jì)性較差、低速扭矩低、排氣性能不理想,所以還只是在個(gè)別型號(hào)的轎車上得到采用。
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