内燃机

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内燃机(Internal combustion engine,ICE)

目录

什么是内燃机

  内燃机是热机的一种,能将燃料的化学能转化机械能。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。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。

  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。

内燃机能量转化原理

  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。

内燃机的历史

早期

  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。

近代

  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”(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。

  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。

  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。

  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。

内燃机的分类

往复活塞式内燃机

  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(NEVIS)等方式。

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。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

  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。

喷气发动机

  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。

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