内燃机

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往复活塞式内燃机是最常见的内燃机,图示的星型发动机是其中一种,为早期飞机大量采用。

内燃机热机的一种,能将燃料化学能转化机械能。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。[1]内燃机有非常广泛的应用,汽车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柴油机

内燃机的燃烧气体同时也是工作介质,比如汽油机中,汽油燃烧后的气体直接推动活塞做功。与此相对,燃料不作为工作介质的热机则称为外燃机,比如蒸汽机的工作介质(蒸气)并不是燃料。

能量转化原理[编辑]

图示为摩托车上常见的二冲程循环往复活塞式内燃机工作过程,内燃机通过进气获得了燃料,燃烧后,通过做功行程(依靠工作介质的膨胀,推动活塞)转化为机械能,之后废气被排出,并获得新的燃料,开始下一次循环过程。

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[2]。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。[1]

历史[编辑]

早期[编辑]

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[3]

1801年,法国化学家菲利埔·勒本英语Philippe le Bon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[4]

近代[编辑]

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。[5][6]

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”(德语Neuer Otto-Motor),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。[5]

在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[7]

鲁道夫·狄塞尔在1893年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。[8]

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。[9]

德国工程师菲力斯·汪克尔在1929年即获得了转子发动机的专利,这种特殊的活塞式发动机因此被广泛称作汪克尔发动机,但是发动机的成品直到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。[10]

分类[编辑]

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)

汽车上常见的四冲程循环往复活塞式内燃机,其工作方式即为循环燃烧。每次循环可分为如下过程:1. 进气。2. 压缩。3. 做功。4. 排气。
内燃机
循环燃烧

往复活塞式内燃机



转子发动机



连续燃烧

燃气涡轮发动机



喷气发动机




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過程才可以產生動能,连续燃烧的内燃机隨時都有混合氣體在推動渦輪,產生動能,但單個循环燃烧的内燃机(转子发动机除外),只有在做功过程才會產生動能,其他階段不會產生動能,因此轉矩的波動較大。因此有些應用會使用多個内燃机,再用曲軸或其他機種輔助,使各内燃机做功的过程錯開,任一時間都有一内燃机在做功,可以減少轉矩的波動。

往复活塞式内燃机[编辑]

汽车上最常见的汽油机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。[1]

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(NEVIS)等方式。

转子发动机[编辑]

转子发动机

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。[1]这种发动机在汽车、摩托车、飞机上有少量使用。

燃气涡轮发动机[编辑]

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。[1]这种发动机在船舶上有广泛使用。

喷气发动机[编辑]

图示为客机普遍使用的涡轮风扇发动机,蓝色气流为未经过燃烧,红色气流为燃烧产生,共同向后施加作用力,可获得向前的动力。

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,[11] 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。

燃料[编辑]

内燃机使用的燃料非常广泛,一般都是碳氢化合物[1]比较常见的有:

氧化劑[编辑]

内燃机的燃料需要氧化才能產生能量,因此也需要氧化劑。最常見的氧化劑是空氣中的氧氣,好處是不需另外儲存,可以提昇功率重量比及功率體積比,在一些特別應用中會需要其他的氧化劑,可能是因為提昇功率,或是在水底或太空等沒有空氣的場合:以下是一些曾用到内燃机中,不是空氣的氧化劑。

  • 壓縮空氣曾用在魚雷上。
  • 加入一些壓縮空氣的壓縮氧氣,曾用在日製的93型魚雷,有些潛水艇會用純氧,火箭上會使用液氧
  • 在一些賽車用油中會加入硝基甲烷,以提昇功率並控制燃燒。
  • 戰術飛機會用二氧化氮及額外的汽油來提昇瞬間的沖力,有些特種車輛及伯特·鲁坦的航天火箭也是如此。
  • 在二次大戰時德國曾研究用過氧化氫作為潛水艇的氧化劑,有些非核子動力的潛水艇、火箭(黑箭號運載火箭)及戰鬥機(Me 163戰鬥機)也使用過氧化氫作為氧化劑。
  • 氯氣及氟氣也曾在實驗室中用作内燃机的氧化劑,但沒有實務上的應用。

冷却[编辑]

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水冷[1]

  • 风冷:利用空气压力和/或风扇使冷却空气流经散热片。
  • 水冷:汽车普遍使用的冷却方式,由循环流动的液体的为内燃机降温,不过冷却用的液体不一定是水。

空气和噪音污染[编辑]

空气污染[编辑]

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[15]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

噪音污染[编辑]

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。

相關條目[编辑]

参考资料[编辑]

  1. ^ 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 Robert Bosch GmbH. Automotive Handbook. Stuttgart: Federal. 2000 (英文). 
  2. ^ 刘峥. 汽车发动机原理教程. 北京: 清华大学出版社有限公司. 2001: p.1. ISBN 7302046778. 
  3. ^ 清华大学 自然辩证法教研组. 科学技术史讲义. 北京: 清华大学. 2007: p170. 
  4. ^ 世界汽車發展史(連載二). 瀚達汽車學院. 2011-04-15 [2013-10-07]. 
  5. ^ 5.0 5.1 Wachtmeister, G. Skriptum zur Vorlesung Verbrennungsmotor. Munich: TUM. 2009 (德文). 
  6. ^ Scientific American: 193. 
  7. ^ 新华汽车. 传奇的汽车史诗 探访奔驰博物馆. 新华新闻 (新华网). 2012-01-06 [2013-10-8]. 
  8. ^ 陆耀祖. 《内燃机构造与原理》. 北京: 中国建材工业出版社. 2004. ISBN 9787801595386. 
  9. ^ Ægidius Elling. [2012-08-21] (挪威文). 
  10. ^ Jet Engines - Hans von Ohain and Sir Frank Whittle. [2012-08-21] (英文). 
  11. ^ George P. Sutton and Oscar Biblarz. Rocket Propulsion Elements 7th. Wiley Interscience. 2001. ISBN 0-471-32642-9. 
  12. ^ 汽车用液化石油气. 博文网. [2012-08-22]. 
  13. ^ 美欲将压缩天然气用作轻型汽车燃料. 科学网. [2012-08-22]. 
  14. ^ 广东中山千辆天然气公交出租车10月上路. 新华网. [2012-08-22]. 
  15. ^ Stationary Internal Combustion Engines. EPA. [2013-11-05].