发动机

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什么是发动机

  发动机是将任何形式的能量转化为机械能的装置。其中,将燃料能量转化为机械能量的装置称为发动机(英语:Engine)或动力机,亦可以机一字来代称(如:热机);将电能、流体动能、压缩空气的内能转化为机械能的装置称为电动机或马达,中国大陆也称作发动机。发动机可以用来驱动交通工具前进,或是作为其他装置如发电机的动力来源。

发动机的历史

  根据《现代汉语词典》等重要工具书,发动机是指把热能、电能等变为机械能的机器,用来带动其他机械工作。如电动机、蒸汽机、涡轮机、内燃机、风车。也叫动力机。电动机属于发动机。本词条发动机主要指热力发动机。 关于发动机的类型目前还没有公认的分类标准,但大多数发动机的工作原理都是利用特定物质(例如煤油、汽油、柴油或是煤炭)所蕴含的化学能,经燃烧作用产生热能与气体,并利用它们产生力量推动机械设备运转与工作。

  利用燃料燃烧产生的热加热做功介质,再利用介质膨胀做功的发动机,被称为外燃机。外燃机的燃烧过程发生在汽缸之外,例如一个外置的锅炉中。锅炉内燃烧产生的热气经管线导入汽缸或涡轮机(Turbine)内,推动活塞或涡轮扇叶来产生推力。

  西元一世纪,古希腊的希罗描述了以蒸汽为动力的汽转球。然而这只是一种娱乐玩具,并没有真正的起到取代人力劳动的功效。十八世纪,欧洲发生了以蒸汽机的发明为标志的第一次工业革命。1698年,萨弗里发明了用于矿井抽水的蒸汽机:矿工之友。1705年,纽可门开发出实用大气蒸汽机。然而这些蒸汽机都需要向汽缸喷洒冷水造成蒸汽冷凝,汽缸的热量在反复冷却与加热中被浪费。1769年,詹姆斯·瓦特获得了独立冷凝器蒸汽机的专利。同年,居诺制成三轮蒸汽汽车。1802年,特里维西克制造了使用蒸汽机的实验性火车。1807年,罗伯特·富尔顿制成以蒸汽机为动力的船克莱蒙脱号。

  利用燃料燃烧后在有限空间内自身的膨胀直接做功的发动机,被称为内燃机。内燃发动机中最常见的是往复式发动机:燃烧后的气体推动活塞进行往复运动,活塞再透过曲柄轴(crank)将原本直线往复的动力输出转为旋转运动,是今日汽车与机车上最常见到的动力型式,早期螺旋桨飞机,部分小型船只和某些情况下用来驱动发电机的发动机也都采用这种形式。旋转式发动机又可分为喷气发动机和转子发动机。

  1876年,德国的尼古拉斯·奥托以蒸汽机为基础,根据罗夏提出的原理发明了实用的单缸四冲程煤气发动机,主要作为工厂的动力来源。1879年,德国的卡尔·本茨试验成功二冲程汽油发动机,并利用其制造出了三轮汽车。1885年,戴姆勒将四冲程汽油机装在了自行车上从而发明了摩托车。蒸汽火车需要不断加水、加煤,工作过程中也会不断喷出烟尘。所以各国都在实验能否以新动力驱动火车。1894年,德国研制出了采用汽油内燃机的火车。但是这种火车耗油太大,不够经济。

  1897年,鲁道夫·狄塞尔发明了柴油机。柴油机比汽油机更加适合于大型机械。虽然人类也有过利用蒸汽机制造飞机的尝试,然而蒸汽机由于自身重量太大,不适于作为飞机动力。直到内燃机诞生后动力飞机的出现才成为现实。1903年,莱特兄弟以汽油机为动力使世界上第一架飞机——飞行者一号飞上天空。同年,世界上第一艘柴油动力轮船投入使用。

  1924年,柴油内燃机被用于火车。由于人们对速度的不断追求,内燃机作为飞机动力的局限性越来越大。1939年,第一架以喷气式发动机为动力的he178升空。1957年,汪达尔发明转子发动机,除了往复式活塞运动方式以外,内燃机又多了一种工作形式。1959年,劳斯莱斯公司开发的世界上第一款涡轮风扇发动机康维MK-508定型。

  宋朝,黑火药被用作火箭推进剂在军事上得到运用。但是固体火箭的比冲不足,不适合于宇宙航行。1926年,罗伯特·戈达德成功发射了第一架液体火箭。1957年,苏联将人类首个人造卫星送上太空。

发动机的问题

  当前发动机主要以不可再生的化石燃料为能量来源,由此产生了三个主要问题:资源消耗、环境污染、温室气体排放。

  发动机的效率普遍比较低下。根据卡诺定理,理想热机的效率取决于高温热源和低温热源之间的温度比。因此,提升高温热源温度,降低低温热源温度就成了理论上提高效率的解决办法。发动机排放的废气往往温度太高,大量的热被包含在其中而浪费掉。对于内燃机而言,可以通过加装废气涡轮增压系统的办法来回收部分能量。而对于温度更高的燃气轮机来说,其废气甚至可以作为蒸汽轮机的高温热源,由此而组成的燃气-蒸汽联合系统是一种效率十分高的动力来源。

  外燃机的燃烧是开放的,燃烧过程产生的热只有少数会传递到汽缸供做功使用。除此以外,燃料不能充分燃烧也是发动机效率低下的一个主要原因。要提高燃烧效率,可从提高燃料与氧化剂的接触方面入手。固体燃料的燃烧不如液体燃料的燃烧充分,液体燃料的燃烧又不如气体燃料的燃烧充分。因此,可以通过粉末化固体燃料,雾化液体燃料的方法来提高其燃烧效率。即便是气体燃料,它与氧化剂的混合过程、方式,点燃位置、方式也会对燃烧效率产生巨大影响。这方面的复杂过程是各国都非常关注的课题。

  发动机各机械部件之间的摩擦也会浪费能量,合理添加润滑油可以减少这一部分的能量损耗。对于作为交通工具动力来源的发动机来说,减轻自身重量也是一种间接节约燃料的办法。因此越来越多的发动机采用铝镁合金、钛合金和各种复合材料。在降低部分性能的情况下,用某些省油的发动机来替代现有的发动机也是一种节约能源的方法。比如,在对航速要求不高的短途直线支线飞机中使用螺旋桨内燃机替代喷气发动机。

  污染可以分为固体污染、水污染、大气污染与噪声污染。对于燃烧煤的外燃机来说,产生污染(比如:伦敦型烟雾)的原因主要为燃料不能充分燃烧所产生的燃烧产物(煤灰),以及燃料中的杂质(主要为硫)的燃烧产物。而对燃烧汽油和柴油的内燃机来说,除了上述类型的污染物,氮气与氧气在汽缸内高温下反应所产生的氮氧化合物是一种更重要的污染来源(比如:洛杉矶型烟雾)。

  由此可见,提升燃料燃烧率是一种既可以节约资源,又可以减少污染的方法。另一方面,在发动机废气出口处加装过虑、催化反应装置将有害物质转化为无害物质也是一种减少污染的重要途径。为了减少汽油发动机的爆震,需要在燃料中加入抗暴剂。在很长的一段时间里,四乙基铅都是一种常用的汽油抗暴剂。因此导致汽车尾气中含有有害的铅元素,这也是空气中铅的主要来源。由于铅的毒性,到20世纪末,世界上大多数国家已经停止生产与销售含铅汽油。喷气式发动机和火箭发动机的数量虽然较少,但由于工作高度高,产生的氮氧化物更容易破坏臭氧层。喷气发动机和火箭发动机的噪声污染也远大于其他类型的发动机。

  燃烧化石燃料的发动机所产生的二氧化碳是温室气体的一个重要来源。飞机使用的喷气发动机所产生的凝结水蒸气也会造成温室效应。减少温室效应,一方面可以减少燃料消耗以降低二氧化碳排放。还可以采用其他燃料如含生物柴油来取代现有燃料,采用使用混合动力的发动机来减少温室气体排放。

  为了降低发动机怠速时的排放,有人采用升高进气温度,减少汽缸吸入的空气质量,减少喷油量,在空燃比不变的情况下,降低排放,降低油耗。

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