發動機

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什麼是發動機

  發動機是將任何形式的能量轉化為機械能的裝置。其中,將燃料能量轉化為機械能量的裝置稱為發動機(英語:Engine)或動力機,亦可以機一字來代稱(如:熱機);將電能、流體動能、壓縮空氣的內能轉化為機械能的裝置稱為電動機或馬達,中國大陸也稱作發動機。發動機可以用來驅動交通工具前進,或是作為其他裝置如發電機的動力來源。

發動機的歷史

  根據《現代漢語詞典》等重要工具書,發動機是指把熱能、電能等變為機械能的機器,用來帶動其他機械工作。如電動機、蒸汽機、渦輪機、內燃機、風車。也叫動力機。電動機屬於發動機。本詞條發動機主要指熱力發動機。 關於發動機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功介質,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。然而這隻是一種娛樂玩具,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,薩弗里發明瞭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,特裡維西剋制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複式發動機:燃燒後的氣體推動活塞進行往複運動,活塞再透過曲柄軸(crank)將原本直線往複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髮明瞭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瞭摩托車。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·狄塞爾發明瞭柴油機。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,除了往複式活塞運動方式以外,內燃機又多了一種工作形式。1959年,勞斯萊斯公司開發的世界上第一款渦輪風扇發動機康維MK-508定型。

  宋朝,黑火藥被用作火箭推進劑在軍事上得到運用。但是固體火箭的比沖不足,不適合於宇宙航行。1926年,羅伯特·戈達德成功發射了第一架液體火箭。1957年,蘇聯將人類首個人造衛星送上太空。

發動機的問題

  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影響。這方面的複雜過程是各國都非常關註的課題。

  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、大氣污染與雜訊污染。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,提升燃料燃燒率是一種既可以節約資源,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。在很長的一段時間里,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雜訊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,採用使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質量,減少噴油量,在空燃比不變的情況下,降低排放,降低油耗。

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