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汽车发动机的演进历程

【摘要】:蒸汽机车从1820年开始在英国普及,并在1830年随着营业用蒸汽机巴士的登场,正式作为大众交通工具应用。电动汽车虽然从1870年开始与蒸汽机车一起应用到1920年,但因为电池的重量重,行驶距离仅在50km以内,因此随着内燃机汽车的发明,与蒸汽机车一同慢慢退出了历史的舞台。④发动机的转速尽可能大。奥托发动机在四个行程中仅有1个行程中做功,因此存在旋转不规则的缺点。表1-2 奥托发动机与柴油机的性能比较

最初的汽车发动机不是内燃机而是外燃机。这是1769年法国的炮兵将校尼古拉·约瑟夫·居纽为了移动大炮而发明的炮车(蒸汽机车)。他在1771年制造出第二号车,可承载4人以3.5km/h的速度行驶。此后,该技术在欧洲各地发展开来。1801年,理查·特里维西克制造出最初的实用性蒸汽机车。该车有3.3m直径的大轮,成功地在伦敦市内承载8人以13km/h的速度行驶。蒸汽机车从1820年开始在英国普及,并在1830年随着营业用蒸汽机巴士的登场,正式作为大众交通工具应用。到20世纪初,蒸汽机车正式进入了黄金时代。蒸汽机车(蒸汽机)的原理:在锅炉中燃烧煤炭加热水产生高温、高压蒸汽,并通过滑阀交替地向气缸内活塞两侧轮流供给高压蒸汽,使蒸汽膨胀并带动活塞做直线运动,以此带动曲轴旋转做功,这种类型称为复动式。

此后,因蒸汽机车无法回避的炭烟问题,人们开始研发并出现了电动汽车。电动汽车虽然从1870年开始与蒸汽机车一起应用到1920年,但因为电池的重量重,行驶距离仅在50km以内,因此随着内燃机汽车的发明,与蒸汽机车一同慢慢退出了历史的舞台。内燃机最初由英国的罗伯特·斯特里特在1794年提出的燃气理论开始:在气缸内燃烧燃料带动机械装置移动。之后,威廉·巴聂特在1838年提出可燃混合气在点火前进行压缩就会很有利,并研制了火焰点火装置。之后勒努瓦开发出最初的实用性内燃机。

法国人艾蒂安·勒努瓦在1860年制造了虽与当时蒸汽机形态相同,但可在气缸内直接燃烧燃料来取得动力的复动式[1]燃气发动机。这是把浸泡液体燃料的布团所蒸发的气体燃料与空气的混合气引入到气缸内进行燃烧的无压缩电火花点火式燃气发动机。虽然气体在气缸内燃烧爆炸所产生的噪声很大,但发动机可以正常运转,因此数百台被实用化,且其效率为3%~4%。从这时开始,以欧洲为中心,各国很多人开始研究内燃机。

1862年,法国的德罗沙针对为了提高内燃机的效率提出了如下4点:

①混合气在点火燃烧前要提高压力。

②相对气缸体积的表面积要做到最小。

③使燃气尽可能膨胀。

④发动机的转速尽可能大。

对于当时从事研究和制造发动机的人们来说,他的这些理论明确了方向,明示了包含已经成为现代高效率发动机最基本的理论,如包括压缩冲程的四冲程理论。这为当时的研究提供了巨大帮助。

1866年,由德国的尼古拉斯·奥托与尤根·朗根发明了将煤气作为燃料的火焰点火自由活塞式[2]燃气发动机。1876年,奥托根据德罗沙提倡的原理制造了带有曲柄机构的四冲程燃气发动机。此发动机以功率2.2hp、压缩比2.5和效率10%的表现带来了发动机飞跃性的发展,并且运转也很安静,以此命名为寂静发动机。奥托的燃气发动机取代了当时使用的勒努瓦发动机,在出现汽油机前的10年间独占了市场,约制造了5000台。

奥托发动机在四个行程中仅有1个行程中做功,因此存在旋转不规则的缺点。而后英国的克拉克在晚于奥托4年的1880年制造了二冲程燃气发动机,斯科特于1901年完成了二冲程汽油机的制造。

与现在汽车用燃气发动机几乎相同形态的内燃机(四冲程汽油机)是由戈特利布·戴姆勒在1883年完成并实用化的。

1900年代,对汽油机的研究持续发展,确立了化油器、节气门、电火花点火、活塞、连杆和曲柄机构等为产生功率不可缺少的基本结构。

压燃式发动机的观点在比汽油机晚10年的1893年由德国的鲁道夫·狄塞尔提出。他发表了《合理性热力机的理论与结构》的论文,并制造了发动机。他在论文中指出,只将空气吸入气缸内,并使空气压缩到高于燃料着火温度的程度,后向其中以空气喷射[3]的方式喷射燃料,即可进行燃烧,其效率可达到73%。

曼(MAN)公司给他提供了经济上的支援,于1897年第三季度开发成功了柴油机。此款发动机是采用了与蒸汽发动机相同的十字头[4]和冷却方式的单气缸发动机,它获得了功率为18hp、总效率为28%的好成绩。在1901年删减了十字头,而采用了筒状活塞[5]。表1-2为奥托发动机与柴油机的性能比较。

表1-2 奥托发动机与柴油机的性能比较

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