内燃机

title: 能量转化原理.
content: 作为热机的一种,内燃机的能量来源是燃料燃烧产生的热,即物质蕴含的化学能先要转化为热能,再成为机械能。液体通过相态的变化(汽化)就能增加压力,而气体受热膨胀也能增大压力,因此液体和气体都理论上都可以作为工作介质使用。内燃机的工作介质多为燃料与空气混合燃烧产生的气体,在受热膨胀后,压力增大,高温高速的气体再通过一定的机械装置对外做工。对于内燃机而言,工作介质必须更换(开式循环),即排放燃烧过的气体,进入新鲜气体。
title: 历史.
title: 早期.
content: 1670年,荷兰的物理学家惠更斯用火药在汽缸内燃烧,热能膨胀推动活塞运动,形成了现代“内燃机”的工作原理。  1801年,法国化学家菲利埔·勒本发明了煤气氢气内燃机,他采用煤干馏得到的煤气和氢气,与空气混合后点燃产生膨胀力推动活塞。  1862年,法国工程师艾蒂安·勒努瓦发明以天然气为原料的二冲程卧式内燃机。
title: 近代.
content: 在18世纪开始广泛使用的蒸汽机(为外燃机)促进了当时工业化的发展,但是其效率较低,结构笨重,与此同时,内燃机基本仍处于试验阶段。  1860年,比利时工程师艾蒂安·勒努瓦以蒸汽机为蓝本,制成了首台燃气发动机(以天然气为燃料),同时也是世界上第一台实用的内燃机,获得了专利并批量生产。尽管这台内燃机的效率仅有2%-3%,但其宣告了蒸汽时代即将结束。  德国工程师尼古拉斯·奥托在1862年-1876年间,使得燃气发动机的热效率达到了10%,这通过较高的气体热膨胀来实现。因为此发动机效率高出同期产品一倍,在1867年的巴黎博览会上荣获了最高奖。1876年,奥拓制成了“新奥托发动机”(),引入了压缩行程的概念,气体可以被压缩至2.36巴,将效率进一步提高至12%,这即为四冲程发动机的原型,即奥托循环。不过这台发动机使用煤气为燃料,阻碍了其推广。  1885年,戈特利布·戴姆勒制成了第一台汽油机,并于次年造出第一辆用汽油机驱动的汽车。  1893年鲁道夫·狄塞尔也制成了一台四冲程发动机,即世界首台柴油机。空气在压缩行程中被活塞剧烈压缩而产生高温,之后燃料被喷入气缸,随即发生自燃。通过大幅高压缩比的方法,使得效率接近了27%。不过早期的燃料都是依靠空气被喷射入气缸的,直至1922年博世开发出了机械喷射装置。  1903年,挪威工程师埃吉迪乌斯·艾林制成了一台燃气涡轮发动机,这是首台能靠燃烧产生的动力对外做功的燃气涡轮发动机,因此他也被称作燃气涡轮发动机之父。  德国工程师菲力斯·汪克尔在1929年即获得了转子发动机专利,这种特殊的活塞式发动机因此被广泛称作汪克尔发动机,但发动机的成品直到1950年代才出现。  在1930年代,英国人弗兰克·惠特尔和德国人汉斯·冯·奥海恩各自取得了涡轮喷气发动机的专利,而被认为是喷气发动机的发明人。
title: 分类.
content: 内燃机均需要借助于燃料燃烧,根据工作原理的不同,内燃机可表现出不同的燃烧方式,或者机械能产生与利用方式的区别。内燃机具体实现的技术繁多,从工作原理上可粗略地作如下划分:(值得注意的是少量喷气发动机不是内燃机)  其中循环燃烧是指燃料的燃烧、做功、更换等过程都是可以从时间上区分的,内燃机总是在不断重复每一次的循环过程。而对于连续燃烧的内燃机而言,所有过程是混合在一起的,或者说时刻都在发生。  内燃机只有在作功的过程才可以产生动能,连续燃烧的内燃机随时都有混合气体在推动涡轮,产生动能,但单个循环燃烧的内燃机(转子发动机除外),只有在做功过程才会产生动能,其他阶段不会产生动能,因此转矩的波动较大。因此有些应用会使用多个内燃机,再用曲轴或其他机种辅助,使各内燃机做功的过程错开,任一时间都有一内燃机在做功,可以减少转矩的波动。
title: 往复活塞式内燃机.
content: 汽车上最常见的汽油机与柴油机都属于往复活塞式内燃机。气缸的内空气与燃料的混合气燃烧后,高压气体推动曲柄连杆机构产生扭矩,通过曲轴对外做功,即燃料的化学能最终转化为曲轴旋转的动能。汽油机一般是点燃式发动机,燃料与空气的混合气体在压缩行程的末端被火花塞点燃,随即发生爆炸并推动活塞作往复运动;而柴油机也叫压燃式发动机,燃料一般被喷入气缸并发生自燃,自燃后的混合气体也因膨胀而推动了活塞。除了点燃和压燃这两种主要方式外,还有复合式燃烧过程,兼具点燃与压燃式内燃机的特点。  往复活塞式内燃机的工作周期被分为进气、压缩、做功、排气共四个过程。通过进气与排气,将燃料与工作介质进行更换,而做功行程则是将热能转化为机械能。通过四个冲程(即活塞从气缸的一端移动向另一端)完成循环的被称作四冲程循环,汽车发动机多采用这种形式。只需两个冲程即完成一次循环的被称作二冲程循环,在较小功率的发动机如摩托车发动机上较为常见,另外还有NEVIS等方式。
title: 转子发动机.
content: 转子发动机是一种特殊的活塞式发动机,与往复式发动机的最大区别在于,使用转子活塞驱动的偏心机构代替了曲柄连杆机构。从侧面看,转子是一个具有凸出弧边的三角形,气缸的内壁是余摆线(Trochoid),当转子旋转时,转子的三个顶点沿汽缸壁形成了三个相互分隔的燃烧室,偏心机构使得每个燃烧室的容积不断改变,与往复活塞式内燃机中活塞上下运动产生的效果类似。转子每工作一圈,每个燃烧室都能各自完成一次燃烧的循环过程。这种发动机在汽车、摩托车、飞机上有少量使用。
title: 燃气涡轮发动机.
content: 燃气涡轮发动机是一种连续燃烧的内燃机,其循环的各个状态的改变发生在空间互相分隔的部件中(压缩机、燃烧室、涡轮机),彼此通过导流部件相连,燃料的供给、燃烧、更换等过程都是持续的。空气首先由压缩机加压,接着进入燃烧室,燃料同时也被喷入燃烧室,两者混合燃烧,形成的高温高压气体会推动涡轮,一部分能量用以继续驱动压缩机,另一部分则用以对外做功。燃料的化学能最终以涡轮旋转(旋转动能)的形式被加以利用,剩余的气体则被当作废气排出。这种发动机在船舶上有广泛使用。
title: 喷气发动机.
content: 大多数的喷气发动机都是内燃机,其燃烧过程也是连续的。一般在喷气发动机中,燃烧产生的高压气流向外喷射,依据牛顿第三定律产生的反作用力形成推力,如此在理论上即使位于真空的环境中也能够产生推力,不过也有一些例外,比如涡轮风扇发动机中的一部分气流并未经过燃烧,使这种发动机兼具涡轮喷气发动机与涡轮螺旋桨发动机的特点。大部分内燃机是使高温气体推动机械装置旋转的形式对外作功,即能量最后以旋转动能的方式呈现,而在许多喷气发动机中,可对外作功的能量以高温气体的动能为最终表现形式。喷气发动机的种类繁多,在飞机上有广泛使用。  火箭发动机基本都属于喷气发动机, 不过少数使用电能、核能、太阳能等的火箭发动机不属于热机范畴,自然也就不是内燃机。
title: 燃料.
content: 内燃机使用的燃料非常广泛,一般都是碳氢化合物,比较常见的有:
title: 氧化剂.
content: 内燃机的燃料需要氧化才能产生能量,因此也需要氧化剂。最常见的氧化剂是空气中的氧气,好处是不需另外储存,可以提升功率重量比及功率体积比,在一些特别应用中会需要其他的氧化剂,可能是因为提升功率,或是在水底或太空等没有空气的场合:以下是一些曾用到内燃机中,不是空气的氧化剂。
title: 冷却.
content: 作为一种热机,内燃机通常需要冷却,最主要的冷却方式为风冷和水冷:
title: 空气和噪音污染.
title: 空气污染.
content: 内燃机(例如往复式内燃机)在工作时会由于含碳燃料的不完全燃烧而排放大气污染物。内燃机的最重要排放物是二氧化碳、水汽和一些碳黑颗粒物。取决于工作状况和油气比例,内燃机还会排放一氧化碳、氮氧化物、硫化物(主要是二氧化硫)和一些未燃烧的碳氢化合物。
title: 噪音污染.
content: 内燃机工作时会产生显著的噪音污染。比如公路上的汽车会产生噪音,飞机飞行时也会产生喷气噪音(尤其是超音速飞机)。火箭发动机产生的噪音最大。

Summary: 内燃机(英语:Internal combustion engine,缩写为ICE)是热机的一种,能将燃料的化学能转化动能。一般的实现方式为,燃料与空气混合燃烧,产生热能,气体受热膨胀,通过机械装置转化为机械能对外做功。内燃机有非常广泛的应用,车辆、船舶、飞机、火箭等的发动机基本都是内燃机,其最常见的例子即为车用汽油机与柴油机。