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热机的发展史及车用内燃机的展望

车辆一班

222012322220097陈冬雨

摘要：热机的发明给人类带来了第一次工业革命，内燃机是机动车辆的心脏,本文简要介绍了热机的发展历程,指出了车用内燃机的发展方向。 关键词：热机、发展史、展望 0.引言

热机是利用燃料燃烧时产生的能量对外做功的机器。是依靠由某些热力学过程组成的特定热力学循环进行工作的。 1.热机的工作原理及分类

1.1热机的工作原理：热机的工作原理：由内能通过做功转化为机械能（例：酒精燃烧，化学能转化为内能，热量传给水，水沸腾后将瓶塞顶出去，水蒸气的一部分内能转化为瓶塞的机械能。）。

1.2热机的分类：热机包括蒸汽机、汽轮机、燃气轮机、内燃机、喷气发动机等利用燃料燃烧时产生的能量对外做功的机器。热机是依靠由某些热力学过程组成的特定热力学循环进行工作的。在加热过程中燃料燃烧向热机供入热量Q1而在放热过程中热机向冷源放出热量Q2。循环中所作的功为ΔWQ1Q2由于Q1>Q2热机在循环过程中对外做功。

热机的种类很多按传递能量的媒介质即工质接受燃料释放能量的方式可以分为两大类内燃机和外燃机。内燃机中燃料在热机内部燃烧生成的气体就是热机的工质。外燃机中燃料在热机外部燃烧能量通过热交换器传给工质如蒸汽。不论是属于外燃机的蒸汽机还是属于内燃机的汽油机、柴油机等它们都是靠工质在气缸内膨胀推动活塞往复运动实现对外作功的都可称为往复式热机。汽轮机汪克尔转子发动机等则是靠工质推动叶轮或转子回转运动实现对外作功的故称为回转式热机。燃气轮机属于内燃式热机其作功方式与汽轮机相同因此称为回转式内燃机。这些热机都是依靠高温高压工质推动某个部件作功的。 20世纪50年代才发展起来的涡轮喷气发动机、冲压喷气发动机和火箭发动机按工质接受热量的方式也应属于内燃机但其作功是依靠燃料燃烧产生的高温气体喷射所产生的反作用力所以称为喷气发动机。 2.热机的发展史

人类很早就对热有所认识，并加以应用。但是将热力学当成一门科学且有定量的研究，则由 17世纪末开始的，也就是在温度计制造的技术成熟以后，才真正开启了对热力学的研究。热力学发展史，基本上就是热力学与统计力学的发展史，约可分成四个阶段：

第一个阶：17世纪末到19世纪中叶此时期累积了大量的实验与观察的结果，并制造出蒸气机，对于\热(Heat)\的本质展开研究与争论，为热力学的理论建立作好了暖身。在19世纪前半叶，首先出现了卡诺理论，热机理论(第二定律的前身)和功热互换的原理(第一定律的基础)。这一阶段的热力学还留在描述热力学的现象上，并未引进任何的数学算式。

第二个阶段：19世中到19世纪70年代末此阶段热力学的第一定律和第二定律已完全理论化。由于功热互换原理建立了热力学第一定律，由第一定律和卡诺理论的结合，导致热力学第二定律的成熟。另一方面，以牛顿力学为基础的气体动力论也开始发展，但这期人们并不了解热力学与气体动力论之间的关连。

第三个阶段：19世纪70年末到20世纪初 这个时间内，首先由波兹曼将热力学与分子动力学的理论结合，而导致统计热力学的诞生，同时他也提出非平衡态的理论基础，至20世纪初吉布斯(Gibbs)提出系综理论建立统计力学的基础。

第四个阶段：20世纪30年代到今主要是量子力学的引进而建立了量力统计力学，同时非平

衡态理论更进一步的发展，形成了近代理论与实验物理学中最重要的一环。 3.汽车内燃机

3.1内燃机的定义：发动机分为内燃机与外燃机。将液体燃料或气体燃料和空气混合后直接输人机器内部燃烧产生热能，热能再转变为机械能的装置叫内燃机。内燃机包括活塞式内燃机和燃气轮机。而外燃机是指燃料在其外部的锅炉内燃烧，加热锅炉的水，使之变为高温、高压的水蒸气，再送往机器内部，将其热能转变为机械能的装置。与外燃机相比.内燃机具有热效率高、体积小、便于移动、起动性能好和维修方便等优点，因而广泛应用于现代汽车上。

3.2内燃机的分类：根据发动机将热能转变为机械能的主要部件形式，内燃机分为活塞式内燃机与燃气轮机两大类。活塞式内然机按活塞运动方式分为往复活塞式和旋转活塞式两种。往复活塞式内燃机在汽车上应用最为广泛。 根据每一个工作循环所需活塞行程数，可将往复活塞式内燃机分为四行程发动机与二行程发动机。完成一个循环需要活塞往复4个行程的称为四行程发动机，完成一个循环需要活塞往复2个行程的便称为二行程发动机。

根据所使用的燃料，内燃机可以分为汽油机、柴油机、压缩天然气发动机、液化石油气发动机和双燃料发动机等。

汽油机是使用汽油为燃料的内燃机，它利用化油器或以电喷的方式使汽油和空气混合后再吸入发动机汽缸内，用电火花强制点燃使其燃烧，产生热能而膨胀做功。柴油机是使用柴油为燃料的内燃机，它利用喷油泵使柴油在高压下由喷油器直接喷入发动机汽缸内，并与汽缸内已经被压缩的高温空气混合形成可燃混合气，自燃后产生热能而膨胀做功。压缩天然气发动机是利用压缩天然气为燃料的内燃机，液化石油气发动机是使用液化石油气为燃料的内燃机。

双燃料发动机是可同时使用两种燃料的内燃机，如压缩天然气/汽油发动机、液化石油气/汽油发动机或氢气/汽油发动机等。

根据点火方式，内燃机可以分为点燃式(汽油机)和压燃式(柴油机)。根据冷却方式，内燃机可以分为水冷式和风冷式。汽车多采用水冷式发动机。根据汽缸数母，内燃机可以分为单缸机和多缸机。根据汽缸排列方式，内燃机可以分为直列、斜置、对置、V形和w形。 4.汽车内燃机的常见问题`

1.起动发电机运转,内燃机不爆发 2.起动困难

3.运转中有金属敲击声 4.运转中有吱吱声响

5.运转中突然发生巨大音响， 振动加大 6.呼吸口排气不正常（下排气） 7.运转不均匀（悠车） 8.增压器增压压力低

9.空转正常，加负荷转数上不去或停机 10.变扭器工作油温过高，内燃机自动卸载 11.??

5.汽车内燃机发展方向

5.1提高内燃机制造技术：我国内燃机核心技术远落后于国外的先进水平。因此，需要加大科技投入量，坚持走自主创新的道路，重点扶持例如电控、增压器等一些关键零部件的产业；改进燃烧系统；解决整机匹配问题，尤其是柴油机；改善内燃机制造工艺，开发应用新型材料，降低燃料消耗率。

5.2积极开发代用燃料：我国石油资源逐渐枯竭，不断加大对进口石油的依赖度，我们必须考虑可代用燃料。氢气是最理想的清洁燃料，也是技术人员追求的方向。但现阶段，制取氢气存在效率低、成本高的难题，以及氢气的储存也存在技术难题。国外自20世纪后期就开始研究生物质制氢技术，但至今仍没有完成产业化，国内也有一些高校和科研单位进行相关研究，积极开发并应用生物质能源和燃料，这是可持续发展的必经之路。

5.3发展中小型内燃机的涡轮增压技术：涡轮增压技术在20世纪中期才开始得到迅速发展和广泛地推广使用。通过采用增压技术，柴油机的功率可提高1～3倍，但目前涡轮增压技术主要应用在大型内燃机上，而在中小型内燃机的应用相对较少。因此涡轮增压技术应该向中小型功率的内燃机发展。

5.4内燃机的柴油机化：当前，我国的内燃机产品中，柴油机占到了60%。柴油机热效率高，一般情况下能比汽油机节油25%以上，这也是世界各国众所周知的。随着制造工艺水平与新型材料质量的提升，柴油机终将替代绝大部分的汽油机产品。尤其是“石油危机”成为全球问题后，各国的柴油机使用率都在提高，不仅农用车发动机使用柴油机，一些轿车也开始采用柴油机。 参考文献：《机械管理开发》2007年01期、《中国高新技术企业》12年6月中、《热工学》第三版高等教育出版社