發動機

發動機（motor）又稱引擎（engine），音譯馬達，泛指任何將儲蓄的勢能（燃料中的化學能、電網和電池中的電能、流體的機械能等等）轉化為動能做功的機器。

常見的引擎包含熱機（利用燃燒產生高熱能高壓氣體推動活塞做功的蒸汽機、汽油機及柴油機）、電動機、液壓機、氣壓機、噴氣發動機等等。本條目著重於熱機。

引擎可以用來直接驅動交通工具前進，或是作為其他裝置如發電機的動力來源。

## 詞源

英文的「motor」一詞來源於拉丁語mōtor，意為「使……移動者」。而「engine」一詞源於古法語engin以及晚期拉丁語ingenium，意為「天賦」，在中世紀拉丁語中主要指結構複雜的機械。

## 歷史與分類

關於引擎的類型目前還沒有公認的分類標準，但大多數發動機的工作原理都是利用特定物質（例如煤油、汽油、柴油或是煤炭）所蘊含的化學能，經燃燒作用產生熱能與氣體，並利用它們產生力量推動機械設備運轉與工作。

利用燃料燃燒產生的熱加熱做介質，再利用介質膨脹做功的發動機，被稱為外燃機。外燃機的燃燒過程發生在汽缸之外，例如一個外置的鍋爐中。鍋爐內燃燒產生的熱氣經管線導入汽缸或渦輪機（Turbine）內，推動活塞或渦輪扇葉來產生推力。西元一世紀，古希臘的希羅描述了以蒸汽為動力的汽轉球。然而這只是一種娛樂玩具，並沒有真正的起到取代人力勞動的功效。十八世紀，歐洲發生了以蒸汽機的發明為標誌的第一次工業革命。1698年，薩弗里發明了用於礦井抽水的蒸汽機：礦工之友。1705年，紐可門開發出實用大氣蒸汽機。然而這些蒸汽機都需要向汽缸噴灑冷水造成蒸汽冷凝，汽缸的熱量在反覆冷卻與加熱中被浪費。1769年，詹姆斯·瓦特獲得了獨立冷凝器蒸汽機的專利。同年，居諾製成三輪蒸汽汽車。1802年，特里維西克製造了使用蒸汽機的實驗性火車。1807年，羅伯特·富爾頓製成以蒸汽機為動力的船克萊蒙脫號。

利用燃料燃燒後在有限空間內自身的膨脹直接做功的發動機，被稱為內燃機。內燃發動機中最常見的是往復式發動機：燃燒後的氣體推動活塞進行往復運動，活塞再透過曲軸（crank）將原本直線往復的動力輸出轉為旋轉運動，是今日汽車與機車上最常見到的動力型式，早期螺旋槳飛機，部分小型船隻和某些情況下用來驅動發電機的發動機也都採用這種形式。旋轉式發動機又可分為噴氣發動機和轉子發動機。

1876年，德國的尼古拉斯·奧托以蒸汽機為基礎，根據羅夏提出的原理發明了實用的單缸四衝程煤氣發動機，主要作為工廠的動力來源。1879年，德國的卡爾·本茨試驗成功二衝程汽油發動機，並利用其製造出了三輪汽車。1885年，戴姆勒將四衝程汽油機裝在了自行車上從而發明了摩托車。蒸汽火車需要不斷加水、加煤，工作過程中也會不斷噴出煙塵。所以各國都在實驗能否以新動力驅動火車。1894年，德國研製出了採用汽油內燃機的火車。但是這種火車耗油太大，不夠經濟。1897年，魯道夫·狄塞爾發明了柴油機。柴油機比汽油機更加適合於大型機械。雖然人類也有過利用蒸汽機製造飛機的嘗試，然而蒸汽機由於自身重量太大，不適於作為飛機動力。直到內燃機誕生後動力飛機的出現才成為現實。1903年，萊特兄弟以汽油機為動力使世界上第一架飛機——飛行者一號飛上天空。同年，世界上第一艘柴油動力輪船投入使用。1924年，柴油內燃機被用於火車。由於人們對速度的不斷追求，內燃機作為飛機動力的局限性越來越大。1939年，第一架以噴氣式發動機為動力的he178升空。1957年，汪達爾發明轉子發動機，除了往復式活塞運動方式以外，內燃機又多了一種工作形式。1959年，勞斯萊斯公司開發世界上第一款渦輪風扇發動機康維MK-508定型。

火箭發動機可算是一種特殊的內燃機，其最大的特點在於其使用的氧化劑來源於自身的攜帶而不是從空氣中獲得，這就使得裝備了火箭發動機的火箭可以在大氣層外飛行，或是保證發動機在反應劇烈來不及獲得氧氣的情況下依然可以工作。

## 外燃機

外燃機是最早投入使用的發動機，最初作為礦場與工廠的動力來源，後來又為發電廠提供動力，在一段較長的時間裡，外燃機也作為那些受空間、重量限制較小的交通工具（輪船、火車）的動力。然而由於效率低下，後來已經逐漸不再使用。外燃機依靠燃料燃燒產生的熱，驅使工作物質做功。外燃機最主要的工作物質就是水，這類外燃機又被稱為蒸汽機。根據做功機構的不同，又可分為往復活塞式、旋轉式。

- 蒸汽機是最主要的外燃機。對於活塞式蒸汽機而言，它主要利用水蒸氣在低溫中冷凝產生的相對於大氣壓力的負壓、水在高溫下蒸發的壓力來推動活塞或是兩者兼具。紐可門製造的蒸汽機就屬於第一類，這類蒸汽機浪費了液態水轉化為蒸汽過程中的能量，壓力較小（不超過大氣壓），因而效率、動力都很低，但很安全不易發生爆炸。這類發動機一開始也只是在燃料豐富的煤礦內用作抽水。而增加了冷凝裝置的蒸汽機則把汽缸內蒸汽引導入冷凝器內進行冷凝而不用對汽缸整體進行冷卻。雙動式蒸汽機使用高壓蒸汽，通過換氣閥使高壓蒸汽從活塞的兩個方向輪流驅動活塞運動。多漲式蒸汽機是將已經做過功，仍然有一定溫度的蒸汽導入到另一個活塞中繼續工作的一種活塞蒸汽機。對於旋轉式蒸汽機而言，利用高溫蒸汽的動能推動葉輪旋轉是其主要工作方式。現在火力發電站、核電站都普遍採用這種工作方式。也可以經由太陽能加熱水來產生動力發電。或者是裝載在船上作為船隻動力來源。
- 斯特林發動機是一種利用封閉工質在冷熱環境轉換時的體積變化來做功的外燃機。因此它可以利用各種氣體作為工作物質。簡易斯特林發動機往往採用空氣為工質，而大型斯特林發動機往往採用氫氣或氦氣做工質。

## 內燃機

### 活塞內燃機

因為活塞式內燃機的氣缸需要承受燃料爆炸時的巨大壓力，對材料的工藝要求較高，因此內燃機的發展晚於外燃機。然而由於外燃機的工作過程是開放的，效率要比內燃機低，體積也較內燃機龐大。因此各種空間限制比較大的交通工具主要使用內燃機為動力來源。大功率內燃機的製造較為困難，導致火車與大型船舶在20世紀初以後才逐漸使用內燃機。在對經濟性要求不高的軍用船隻上則又被體積更加小巧，結構更簡單的燃氣輪機所替代。

活塞內燃機工作過程

活塞內燃機的工作過程有四個步驟：進氣、壓縮、點燃、排氣。

內燃機工作時需要讓燃料和空氣在汽缸內燃燒。所以，必須要吸入空氣，並將其與燃料混合起來。這一混合過程可以發生在汽缸外，也可發生在汽缸內。以前，燃料依靠機械作用直接噴射，現在的發動機基本使用電子裝置控制噴射過程，這樣可以有利於發動機的工作過程更加平穩。發動機活塞的抽吸作用就足以吸入空氣，但是對於大功率發動機來說，飽和工作狀態下需要更多的空氣來輔助燃燒。這時就可以採用壓氣機來吸入更多的空氣。這一過程被稱為增壓，常見增壓方式主要為機械增壓與渦輪增壓。機械增壓就是利用電機或發動機本身動力帶動壓氣機運轉完成增壓過程，渦輪增壓則是利用發動機排出的高溫廢氣來帶動渦輪旋轉，再通過渦輪帶動壓氣機吸入更多空氣。由於渦輪增壓不需要浪費額外的能源就可增大發動機功率，現在已經廣泛運用在乘用車輛上。此外還有慣性增壓、氣波增壓、衝壓式增壓等不同的增壓原理。需要在不同稀薄程度大氣中工作的航空發動機甚至採用多級增壓系統來滿足對空氣的需求。由於提升燃料供給只需增大泵給量即可，所以提升發動機的極限功率一般都是在增大進氣量上下功夫。例如著名的氮氧加速系統，就是通過向燃料與空氣的混合氣體中加入能產生氧氣的一氧化二氮。

燃燒在汽缸燃燒室內完成，此時的混合氣體處於壓縮狀態。然後便是做功與排放產物。對於兩衝程循環來說，做功與排放燃燒產物、吸入新的混合氣體的過程幾乎同時完成。四衝程循環則在不同的經過中完成這四個個過程。而六衝程循環的種類較多，工作順序各不相同。

活塞內燃機燃料

內燃機主要使用液體燃料，尤其是柴油與汽油。早期內燃機也使用煤油。汽油發動機主要用在小型車輛與設備上，柴油發動機多用於大型設備。二者在結構上的區別之一，在於汽油發動機需要用火花塞點燃燃料，柴油發動機則使用壓燃的辦法點燃燃料。不過，也有安置火花塞以利於低溫環境中工作的柴油發動機。近年來由於油價上升以及環保的要求，改進了的柴油發動機也被使用在小型乘用車上。同樣出於環保需要，醇類燃料、生物柴油燃料占得比率也越來越大。內燃機的氣體燃料則以甲烷也即天然氣最為常見；氫氣內燃機則是被認為各項性能均很優秀，然而距離大規模產業化尚遠的一種發動機。與液體燃料相比，氣體與氧氣混合更加充分，放出的熱更多，產生的有害氣體更少。然而氣體的儲存較液體困難，現在一般採用壓縮或液化的方式。使用壓縮天然氣（CNG）的氣體發動機是發展較為成熟的一種氣體發動機，多使用在公車輛上。這類發動機多由柴油發動機改裝而來，由於天然氣著火點高於柴油，使用點燃的方式工作；同時壓縮比也比柴油發動機為低。

#### 多缸活塞內燃機

除了應用在輕型摩托車、小型割草機等便攜工具上的小型、微型內燃機外，大部分活塞式內燃機都為多缸發動機。汽缸根據排列方式不同，可分為直列型引擎（Straight engine）、V型引擎（V engine）、水平對臥引擎（Flat engine）、W型發動機（W engine）、H型引擎（H engine）和星型引擎（Radial engine）等。內燃機在工作過程中會隨著活塞的運動產生震動，將汽缸間的夾角加大將可有助於汽缸之間抵消相互運動。夾角增大到180度時就成了水平對臥引擎，此種發動機是運行最穩定的發動機類型之一。然而由於現代發動機設計、製造工藝和控制技術的進步，水平發動機的優勢已不如以前明顯。同時水平對置發動機還有會因為地球引力產生偏置磨損（活塞底部磨損更嚴重）等缺點，現已逐漸不再使用。航空星型發動機也具有良好的穩定性能，數個汽缸（一般為奇數）按圓周排列，共用同一個飛輪。然而製造工藝較為複雜，截面積也較大，不利於降低風阻。

#### 轉子發動機

轉子發動機由德國汪克爾博士發明，採用不間斷旋轉方式運動。它利用轉子形腔的體積變化來完成壓縮、燃燒、做功、排氣四個過程。最早使用在德國NSU（奧迪汽車前身之一）的RO 80車款上。因為轉子發動機在工作過程中多個行腔分別完成不同的工作過程，因此對於單個轉子來說，燃燒做功是連續的。以三角轉子發動機為例，轉子運動一圈，相當於3缸活塞發動機運動4個行程。同時，轉子發動機的動力可以由轉子直接輸出，發動機整體結構較活塞發動機簡單。不過，由於轉子在工作過程中做的是偏心運動，會降低發動機載具的穩定性。而且轉子發動機耗油量較大，目前日本馬自達車廠在製造此類引擎並將之實用化方面投入較多。

#### 噴氣式發動機

與活塞式發動機不同，噴氣式發動機的燃燒過程是連續的。不過，仍然可以將噴氣發動機的進氣段、壓氣段、燃燒段、噴氣段，同活塞式發動機的吸氣、壓縮、燃燒、排氣四個階段相類比。除了衝壓發動機以外，燃料的燃燒一方面轉化為高溫氣體的動能，一方面還要推動渦輪裝置，再由渦輪驅動進氣裝置和壓氣機。噴氣式發動機的機構要承受燃料燃燒時的高溫高壓，對材料要求極高，目前世界上也僅有少數國家能夠獨立生產和設計噴氣式發動機。除了燃氣輪機以外，噴氣式發動機主要作為各種飛機的推進裝置。

##### 噴氣發動機的基本分類

- 渦輪噴氣發動機：渦輪噴氣發動機是最早的一種噴氣式發動機。渦輪噴氣式發動機的出口燃氣直接在噴管中膨脹做功，根據使用壓氣機的類型還可進一步分為軸流式和離心式，根據轉子的數量則又可以分為單轉子和多轉子型。渦輪噴氣發動機是其他噴氣發動機的基礎。對於渦輪噴氣式發動機來說，要想增大其功率，可以提高空氣壓縮比。也就是讓燃燒產生的氣體溫度更高，但是如此一來，噴射出的氣體的速度也會大幅提高。這部分高速氣體的動能將會被浪費掉。因此為了提高渦輪噴氣式發動機的工作效率，產生了其他一些類型的噴氣式發動機。
- 渦輪風扇發動機：與渦輪噴氣式發動機相比，渦輪風扇式發動機多了一套低壓渦輪，燃氣在此處進一步膨脹做功，帶動外函道風扇。外函道風扇高速運轉，將一部分燃料能量轉化為空氣的動能。對速度要求不高的飛機如客運飛機等採用高函道比渦輪風扇發動機。而戰鬥機等高速飛機則使用低函道比渦輪風扇發動機。由於渦扇發動機的出口仍然包含未經燃燒的空氣，因此戰鬥機發動機如f100等都在渦輪風扇發動機後加了一段加力燃燒室。當需要額外推力時，可向加力燃燒室內噴射燃料進一步燃燒產生動力。但加力燃燒段的效率較為低下。渦輪風扇發動機比渦輪噴氣式發動機空氣流量大、效率高、耗油率低、噪音低。目前，幹線民航客機、運輸機普遍使用渦輪風扇發動機取代渦輪噴氣發動機。
- 渦輪螺旋槳發動機：與渦輪風扇發動機較為類似，燃氣膨脹做功，驅動低壓渦輪帶動螺旋槳轉動。然而螺旋槳的轉速比風扇低的多，因此需要一套減速機構將渦輪的軸功率輸出至螺旋槳，同時渦輪螺旋槳發動機沒有噴氣機構，能量基本都用做軸功率。渦輪螺旋槳發動機的油耗比渦輪風扇發動機更低。然而由於其速度較慢，基本上只用在運輸機及短程客機上。
- 渦輪軸發動機：與渦輪螺旋槳發動機十分相近，主要區別在於更多的能量被用作軸功率的輸出。多用作直升飛機的動力裝置。
- 衝壓發動機：衝壓發動機沒有壓氣裝置。它利用進氣道的複雜形狀，將高速運動的空氣壓縮，再與燃料混合後燃燒。衝壓發動機結構簡單，推重比大。然而由於只有在一定速度下時衝壓發動機才能正常工作，無法從靜止狀態啟動。所以要麼飛行器採用衝壓發動機和其他發動機組成的混合發動機為動力，要麼飛行器由其他載具牽引，達到一定速度後再啟動衝壓發動機。

## 火箭發動機

火箭發動機通過噴射高速燃燒的氣體，在動量守恆原理的作用下，利用反衝效應推動載具運動。火箭發動機使用的氧化劑來自於自身攜帶，所以不需要像其他發動機那樣設置進氣道以及增壓裝置。通常火箭發動機由燃燒室、噴嘴、點火裝置等結構組成。最簡單的固體火箭發動機甚至可以將藥柱、燃燒室、噴嘴合為一體，結構極為簡單。

### 類型

火箭發動機分類方法眾多，按照燃料種類，可以分為化學能火箭發動機、電能火箭發動機、核能火箭發動機、太陽能火箭發動機等。目前，化學能火箭發動機是發展最成熟，也是運用最廣泛的一種火箭發動機。化學能火箭發動機又可以進一步的分為液體火箭發動機與固體火箭發動機。

- 固體火箭發動機結構簡單，機械零部件少。因此使用起來更加快捷方便。不同於在使用時裝填燃料的液體火箭發動機，固體火箭發動機的燃料可以貯藏在發動機內長期存放，有利於載具的隨時使用。同樣由於結構簡單，固體火箭發動機可靠性較高。固體燃料的密度大於液體燃料，因此節省下貯存燃料的空間，降低整體質量。綜合這些優點，固體火箭發動機的成本要低於同功率的液體火箭發動機。不過，固體燃料的推力較低。也正因此，固體火箭發動機在較長的一段時間內都無法運用在宇宙航行使用的大型運載工具之上。固體火箭發動機點燃之後就將一直工作下去，無法控制推力或是反覆點火，因此無法具備良好的操控性能，工作過程中產生的高溫也要求固體火箭發動機不能長期工作。固體燃料自身性能受外界影響也使得固體火箭發動機性能不夠穩定。同時，固體燃料燃燒後會產生較多的殘餘物質，一方面會對環境造成危害，另一方面對於軍事用途來說，則會暴露載具的運動軌跡。綜合以上這些因素，固體火箭發動機往往用於火箭彈、飛彈的動力裝置，太空飛行器的輔助動力裝置如逃逸發動機、分離發動機、減速發動機和各種民用設施如探空火箭、人工降雨火箭等。
- 液體火箭發動機需要燃料輸送系統來將燃料室內的燃料輸送至燃燒室，因此結構較固體火箭發動機複雜。但是採用自燃型燃料（如偏二甲肼）的發動機則可以省去點火裝置。而像煤油-液氧組合的燃料系統則需要將燃料冷藏，等到發射時才向機體內灌注；液體燃料的灌注往往是不可逆的，所以必須等到完全有把握時才能進行發射準備工作。這些缺點都限制了液體燃料火箭在軍事上的運用。然而，液體燃料推重比大，能夠反覆點火的特點對於宇宙航行來說十分有利。此外，還有採用固體燃料、液體氧化劑，液體燃料、固體氧化劑等多種形式的固液混合燃料火箭發動機。
- 電能火箭發動機利用電能將工作物質加速噴射出去以獲得動能。工作物質可以是通過雷射、微波或射頻波照射獲得的等離子體，也可以是分子氣體。電能往往來自於太陽能電池或是核同位素溫差電池。常見的電火箭發動機包括離子推進器、霍爾推進器、磁等離子推進器等。與化學能火箭發動機相比，電火箭發動機所需要的工作物質少，整體質量輕巧。然而現有的電火箭發動機技術所能提供的推力都遠遠小於化學能火箭發動機。這使得電火箭發動機只能在沒有空氣阻力的太空航行中運用。不過由於電火箭發動機的工作時間可以比化學火箭發動機長久的多，所以在深空探測方面如新視野號探測計劃更加具有優勢。
- 核能火箭發動機的能源並不來自於自身的燃料，而是依靠核裂變、核聚變或衰變產生的能量。核反應產生的能量加熱工作物質（通常為液態氫）產生推力。核能火箭發動機消耗的核燃料少，然而存在放射性和推重比是其主要缺點。
- 太陽能火箭發動機並不是太陽帆。它通過反射鏡將太陽能聚焦在推力室中，加熱工作物質產生推力。太陽能火箭發動機難以獲得足夠大的推力，目前只是處於研究階段。

### 運用

火箭發動機由於其大比沖的特點，主要運用在需要短時間加速的場合如各種火箭彈、飛彈、制動、彈射座椅上。有時人們為了追求高速，也會在各種現有的交通工具上加裝火箭發動機。同時，由於火箭發動機特別是固體火箭發動機的結構極其簡單，往往也會被用在那些體積、重量受到限制的場所，例如牽引降落傘使其張開。或是與其他類型的發動機組合，以彌補其不足。由於固體火箭發動機不夠穩定、液體火箭發動機複雜昂貴，一般大氣層內的載人交通工具都不會以火箭發動機作為主要動力裝置（但也有Me 163戰鬥機等例外）。可對於缺乏外部助燃劑的大氣層外宇宙航行而言，火箭發動機就成了唯一的選擇。

## 問題

當前發動機主要以不可再生的化石燃料為能量來源，由此產生了三個主要問題：資源消耗、環境污染、溫室氣體排放。

發動機的效率普遍比較低下。根據卡諾定理，理想熱機的效率取決於高溫熱源和低溫熱源之間的溫度比。因此，提升高溫熱源溫度，降低低溫熱源溫度就成了理論上提高效率的解決辦法。發動機排放的廢氣往往溫度太高，大量的熱被包含在其中而浪費掉。對於內燃機而言，可以通過加裝廢氣渦輪增壓系統的辦法來回收部分能量。而對於溫度更高的燃氣輪機來說，其廢氣甚至可以作為蒸汽輪機的高溫熱源，由此而組成的燃氣-蒸汽聯合系統是一種效率十分高的動力來源。

外燃機的燃燒是開放的，燃燒過程產生的熱只有少數會傳遞到汽缸供做功使用。除此以外，燃料不能充分燃燒也是發動機效率低下的一個主要原因。要提高燃燒效率，可從提高燃料與氧化劑的接觸方面入手。固體燃料的燃燒不如液體燃料的燃燒充分，液體燃料的燃燒又不如氣體燃料的燃燒充分。因此，可以通過粉末化固體燃料，霧化液體燃料的方法來提高其燃燒效率。即便是氣體燃料，它與氧化劑的混合過程、方式，點燃位置、方式也會對燃燒效率產生巨大的影響。這方面的複雜過程是各國都非常關注的課題。發動機各機械部件之間的摩擦也會浪費能量，合理添加潤滑油可以減少這一部分的能量損耗。對於作為交通工具動力來源的發動機來說，減輕自身重量也是一種間接節約燃料的辦法。因此越來越多的發動機採用鋁鎂合金、鈦合金和各種複合材料。在降低部分性能的情況下，用某些省油的發動機來替代現有的發動機也是一種節約能源的方法。比如，在對航速要求不高的短途直線或支線飛機中使用螺旋槳內燃機替代噴氣發動機。

污染可以分為固體污染、水污染、大氣污染與噪聲污染。對於燃燒煤的外燃機來說，產生污染（比如：倫敦型煙霧）的原因主要為燃料不能充分燃燒所產生的燃燒產物（煤灰），以及燃料中的雜質（主要為硫）的燃燒產物。而對燃燒汽油和柴油的內燃機來說，除了上述類型的污染物，氮氣與氧氣在汽缸內高溫下反應所產生的氮氧化合物是一種更重要的污染來源（比如：洛杉磯型煙霧）。由此可見，提升燃料燃燒效率是一種既可以節約能源，又可以減少污染的方法。另一方面，在發動機廢氣出口處加裝過慮、催化反應裝置將有害物質轉化為無害物質也是一種減少污染的重要途徑。為了減少汽油發動機的爆震，需要在燃料中加入抗暴劑。在很長的一段時間裡，四乙基鉛都是一種常用的汽油抗暴劑。因此導致汽車尾氣中含有有害的鉛元素，這也是空氣中鉛的主要來源。由於鉛的毒性，到20世紀末，世界上大多數國家已經停止生產與銷售含鉛汽油。噴氣式發動機和火箭發動機的數量雖然較少，但由於工作高度高，產生的氮氧化物更容易破壞臭氧層。噴氣發動機和火箭發動機的噪聲污染也遠大於其他類型的發動機。

燃燒化石燃料的發動機所產生的二氧化碳是溫室氣體的一個重要來源。飛機使用的噴氣發動機所產生的凝結水蒸氣也會造成溫室效應。減少溫室效應，一方面可以減少燃料消耗以降低二氧化碳排放。還可以採用其他燃料如含生物柴油來取代現有燃料，採用混合動力的發動機來減少溫室氣體排放。

為了降低發動機怠速時的排放，有人採用升高進氣溫度，減少汽缸吸入的空氣品質，減少噴油量，在空燃比不變的情況下，降低排放，降低油耗。

## 參閲

- 外燃機
- 內燃機
- 航空發動機
- 火箭發動機
- 轉子引擎
- 內燃機的強制進氣裝置
- 機械增壓器
- 渦輪增壓器
- 雙增壓器
- 動力計

## 外部連結

- 航空發動機
- National Radial Engine Exhibition