内燃机（将内能转化为机械能的机器）
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更新时间：2023-05-16
内燃机
将内能转化为机械能的机器
基本信息
中文名
内燃机
英文名
Internal Combustion Engine
运用领域
水路交通,航空动力,工程机械,军用舰艇,农用机械
发展历史
1794年，英国的斯特里特提出一种概念，即从燃料中获取动力，并且首次发表了将空气与燃料混合的概念。
1833年，英国的赖特提出要直接利用燃烧产生的压力去推动活塞做功。
19世纪中期，科学家对将汽油、煤气以及柴油等产生的热转化为机械动力的理论进行了完善，其为内燃机的发明打下了基础。
1862年，法国科学家罗莎在对内燃机热过程进行理论分析后，提出了提高内燃机效率的要求，这是最早的四冲程工作循环。
1866年，德国发明家欧云利用罗莎的原理，成功制造了第一台往复活塞式、单缸、卧式、3.2千瓦的四冲程内燃机，仍然使用煤气作为燃料并用火焰点火。
1881年，巴黎博览会上展出了由英国工程师克拉克发明的首台二冲程煤气机。
1892年，受面粉厂粉尘爆炸的启发，德国工程师迪塞尔想象：将吸入气缸的空气高度压缩，直到超过燃料的自燃温度，然后用高压空气将燃料吹入气缸，使其着火燃烧。他于1897年创造了压燃式内燃机（柴油机），为内燃机的发展开辟了新的途径。
1898年，柴油机首先应用于固定式发动机组。
1903年，柴油机用于为商船提供动力。
1913年，世界上制成首台以柴油机为动力的内燃机车。
1920年，柴油机开始用于农业机械和汽车中。
分类
广义上来讲，内燃机不仅仅包含旋转活塞式发动机、往复活塞式发动机以及自由活塞式发动机，同时也包含喷气式发动机和旋转叶轮式发动机。通常活塞式发动机就是平时所指的内燃机，而往复式活塞内燃机又是其中最为普遍的类型。
往复活塞式内燃机
往复活塞式内燃机是利用活塞的往复运动完成热力循环的内燃机。
按照燃料可划分为柴油机和汽油机（包含各种代用燃料）等。
按照燃料的燃烧方式可划分为点燃式内燃机和压燃式内燃机。
按照冷却方式可划分为风冷式内燃机和水冷式内燃机。
按照进气方式可划分为增压式内燃机和自然吸气式内燃机。
按照气缸数目可划分为可划分为单缸式内燃机和多缸式内燃机。
按照气缸排列方式可划分为直列式内燃机、水平对置式内燃机、V型内燃机以及卧式内燃机等。
按照转速或活塞平均速度可划分为低速内燃机（活塞平均速度小于6m/s或者标定转速小于600r/min）、中速内燃机（活塞平均速度为6~9m/s或者标定转速为600~1000r/min）、高速内燃机（活塞平均速度大于9m/s或者标定转速大于1000r/min）。
按照用途可划分为汽车用、农用、工程机械用、铁路机车用、采油机械用、发电机组用以及船舶和拖拉机用等内燃机。
旋转活塞式发动机
旋转活塞式内燃机在工作时，燃烧室内产生的高温高压气体推动活塞旋转以产生动力的内燃机，其动力主要由主轴输出。其具有振动小、功率高、运转稳定、结构简单轻便的优点，大多应用在个别型号的轿车和极少数的直升机、雪橇上。
自由活塞式发动机
自由活塞式发动机是一种仅提供压缩空气或一定温度、压力的工作气体的内燃机，并不对外直接输出机械功。按照结构特点可以将其分为对称式和非对称式，可以将重油、柴原油和天然气等当作燃料。经常与燃气轮机组构成自由活塞-燃气轮机组。
旋转叶轮式发动机
燃气轮机、汽轮机以及喷气式发动机都属于旋转叶轮式发动机，其工质直接推动安装在轴上的叶轮来带动轴旋转并向外界输出动力。其中喷气式发动机主要用于航天和航空事业，又可以分为火箭喷气式发动机和空气喷气式发动机。
基本结构
内燃机主要包含汽油机和柴油机，其中汽油机由”两大机构、五大系统“组成，分别是曲柄连杆机构、配气机构、燃料供给系统、冷却系统、润滑系统、点火系统和启动系统。柴油机由”两大机构、四大系统“组成（不包含点火系统）。而喷气发动机作为利用牛顿第三定律工作的内燃机，其结构主要包含进气道、压气机、燃烧室与涡轮、喷管及加力燃烧室。
曲柄连杆机构及机件零件
内燃机的主要运动机构之一便是曲柄连杆机构，其将作用于活塞上的力转变为曲轴向外输出的扭矩，并且将活塞的往复运动转为曲轴的旋转运动，可以驱动汽车车轮的旋转。具体来讲，柴油机中的曲柄连杆机构主要由机体组、活塞连杆组、曲轮飞轮组、平衡机构所构成。
机体组
机体组是由汽缸体、汽缸套、气缸垫以及气缸套所构成。
- 汽缸体
气缸体是整个内燃机的骨架，其一般使用铸铁制造。很多重要零件例如曲轴、凸轮轴、调速器、平衡机构、机油滤清器以及水箱和油箱等都在其上安装。内燃机工作时，活塞会在气缸套中做往复直线运动，所以气缸套是燃料膨胀和燃烧的区域。由于其承受着内燃机燃烧所生成的高压、高温，同时与活塞环发生摩擦，所以为了获得优秀的耐磨性和高强度一般用优质合金铸铁制造。
- 气缸套
- 气缸盖
气缸盖用来将气缸的顶部进行密封，其一般用铸铁进行制造。在它的内外表面会加工相应的孔和面来进行进气门、排气门、喷油器、摇臂排气管和空气滤清器的安装。
- 气缸垫
气缸垫是为了使得汽缸盖和气缸垫之间保持紧密结合，所以一般会在它们之间进行安装以防止漏水、漏气现象的发生。
活塞连杆组
- 活塞
活塞包括活塞顶部、活塞头部、活塞裙部以及活塞槽部。气缸中的气体压力大部分是由活塞所承受的，并且通过活塞销将压力传递给连杆进而使曲轴转动，气缸盖、气缸壁还会与活塞顶部一起组成燃烧室。由于活塞工作时直接与高温气体相接触，并且承受的气体压力也非常大，所以其被要求具有足够的强度和刚度，能够可靠地传力、导热性能好，并且可以耐高温、高压，耐磨损，具有较轻的自重以尽可能减少往复惯性力。
活塞的结构
- 活塞环
活塞环可分为气环和油环。空气环和活塞一起保证气缸壁与活塞之间的密封，防止大量高温高压气体从曲轴箱中泄漏出来。油环将机油均匀分布在气缸壁上，刮掉多余的油，并使其流回曲轴箱，以减少油耗，达到了减少活塞组与气缸壁之间摩擦的目的。活塞环在高温、高压、高速条件下工作，润滑条件差，因此要求它们具有良好的弹性和耐磨性，对气缸壁的磨损低。因此，活塞环大多由合金铸铁材料制成，并且第一道气环大多采用镀铬或喷钼处理。
- 活塞销
活塞销一般被用来将连杆小头和活塞相连接，将活塞上承受的气体压力传递给连杆，一般采用低碳合金钢或者低碳钢进行制造，并且其中心孔可以分为圆柱形、两段截锥形以及一段圆柱和两段截锥形的组合型等。除此以外，活塞销的连接方式可以分为全浮式和半浮式。
- 连杆组
连杆是将活塞所承受的力传递给曲轴的部件，其使得活塞的往复运动转化为曲轴的旋转运动。连杆由连杆小头、连杆大头以及杆身三部分所组成，其中连杆大头与曲轴的连杆轴颈相连接，可分为整体式和分开式（平分或斜分）两种。V型发动机的连杆结构通常分为主副连杆、并列式连杆和叉形连杆。
曲轮飞轮组
- 曲轴
曲轴是发动机的重要组成部分，它的作用是承受连杆所传递的力，从而形成绕自身轴线旋转的扭矩，然后通过飞轮将其输出成为车辆的动力。除此此外，它还用于驱动发动机的气体分配机构和其他辅助设备，包括风扇、发电机、转向油泵、空调压缩机、冷却水泵等。
- 飞轮
飞轮是一个外缘镶嵌有优质中碳钢齿圈的铸铁圆盘，其具有很大的转动惯量。飞轮的作用是将曲轴的一部分能量储存在发动机做功冲程中，从而克服其他冲程中的各种阻力，使曲柄连杆机构越过上、下止点，保证曲轴的角速度和输出扭矩尽可能均匀；同时，它还使发动机能够克服短期过载。除此此外，飞轮常用作摩擦式离合器的驱动部件。
曲轮飞轮组
平衡机构
内燃机的平衡实际上就是想办法将旋转惯性力和往复惯性力尽可能地在内部相互平衡，使得振动减小，同时减轻轴承的载荷。
- 单缸机的平衡
新系列的内燃机中，平衡效果较好的一种平衡方法是双轴式，一般用于1105型、190型、195型柴油机上。
- 两缸机的平衡
两缸机的平衡方式可以分为：飞轮和皮带轮上设有平衡重或者在曲柄上设有平衡重。
- 三缸机的平衡
三缸机通常在一、三缸的曲柄上添加平衡重，称其为部分平衡法。
- 四缸机的平衡
四缸机上通常在曲柄上设有平衡重，主要用来消除曲轴的附加载荷。
配气机构
配气机构的作用是根据发动机各气缸的工作循环和点火顺序，定期打开和关闭进、排气门，使新鲜的可燃混合气体（汽油机）或空气（柴油机）及时进入气缸，废气及时排出。同时，当阀门关闭时，可以密封气缸中的高压气体。目前，应用最为广泛的气体分配机构是气门—凸轮式气体分配机构，简称气门式配气机构。
燃料供给系统
燃料供给系统是内燃机中的关键性技术，其主要将空气和燃料按比例地混合起来以获得最佳的燃烧反应。柴油机和汽油机具有两种完全不同的混合气形成方式。该系统中的主要包括喷油嘴、喷油器、输油泵、调速器、燃烧室等。柴油机采用将燃料和空气在气缸内相遇并且混合的内部混合气形成方式，在其气缸外部分别有一个空气供给系统和燃料供给系统。汽油机采用的是让空气和燃料在气缸之外就相遇，并且均匀地将其混合成具有理想比例的可燃混合物再输送进气缸的外部混合气形成方式。
冷却系统
内燃机中的冷却系统主要用于将内部的高温机件进行降温处理，使其热量迅速地扩散到大气中去。而冷却系统又可以划分为风冷系统和水冷系统。风冷系统将高温零部件的热量直接扩散到大气当中。风冷系统的主要部件为：风扇、温度调节装置以及导流罩等。一般情况下，吹气冷却作为风冷内燃机的首选方式，只有一小部分内燃机因为总体布局的缘故而选择吸气冷却的方式。水冷系统将高温零部件的热量先传递给水，再由水将其扩散到大气当中。水冷系统广泛应用于装载机械中，其主要部件为：水泵、风扇、分水管、散热器和在气体缸和汽缸盖中铸出的水套。
润滑系统
内燃机的润滑系统主要包括机油泵、油底壳、机油滤清器、集滤器等部件。其作用是可以在内燃机工作时，将足量的清洁润滑油（或称为机油）连续输送到各运动部件的摩擦面，摩擦面之间形成油膜，实现液体润滑，从而降低摩擦阻力，降低功耗，减少部件磨损，达到提高发动机工作可靠性和耐久性的目的。依据内燃机中各个运动件不同的工作条件，可以采用不同的润滑方式：飞溅润滑、压力润滑、润滑脂润滑。
点火系统
点火系统是汽油机上面独有的一个系统，主要部件包括：蓄电池、点火开关、点火线圈、火花塞等。其主要功能是按照一定的时间间隔往气缸内添加电火花以将其中的可燃混合气进行点燃，点火方式也从最早的磁电机点火、热管点火、蓄电池点火发展到今天的电子点火。
启动系统
进气道与压气机
燃烧室与涡轮
喷管及加力燃烧室
喷管的形状结构决定了最终排出的气流状态。
燃料及氧化剂
内燃机对燃料的要求较高。其仅限于气体燃料和液体燃料，并且以液体燃料为主。煤、木炭和木柴等固体燃料由于燃烧后产生的灰分很多，故不宜直接当作内燃机的燃料。其中火箭喷气发动机与其它类型的内燃机不同，由于它需要在大气层以外的真空环境中工作，所以无法从周围的环境中吸收氧气，其本身自带燃料和氧化剂，依靠氧化剂来助燃。
气体燃料
主要包含工业煤气、天然气、石油气以及从动植物废料中提取出来的甲烷等等。由于气体燃料一般产自来源丰富的地区，所以为了节省储存成本，经常将其用在固定式的内燃机中。
液体燃料
氧化剂
工作原理
能量转换
活塞式内燃机主要是将空气和燃料进行混合，使其在气缸内燃烧，由其燃烧产生的热能使气缸内产生高压高温的燃气，燃气的膨胀推动活塞做功，再利用曲柄连杆机构或者其他机构将机械能输出，使从动机械运转。柴油机和汽油机是生活中常见的，其在工作过程中将内能转变为机械能，即通过做功改变内能。
旋转叶轮式发动机在工作时，其工质直接推动安装在轴上的叶轮来带动轴旋转并向外界输出动力。例如喷气式发动机是将吸入的空气进行压缩，然后与燃料混合进行燃烧，进而产生强大的反作用力来推动飞机高速飞行。
冷却方式
把水当作传热介质，将加热机构的热量散发到大气中，称为水冷内燃机。被加热部件的热量利用空气直接分散到大气中，称为风冷内燃机。
优点及缺点
优点
- 热效率高，即油耗率低，经济性好。增压柴油机的最高热效率可达46%。而蒸气机仅有11~16%。
- 功率范围广，结构紧凑，重量轻，尺寸小。最小的内燃机功率不到0.73千瓦，最大的内燃机功率可达34000千瓦。
- 启动快、操作简单。一般情况下，汽油机或者柴油机能够在3~5秒内启动，并且在短时间内就可以达到全负荷运转。
缺点
- 噪声大，排放出的污染气体较多。一般来说燃料在内燃机中氧化燃烧后排出二氧化碳和水蒸气，还有微量的
- 对燃料的要求高。内燃机直接燃烧的燃料仅限于气体燃料和液体燃料，并且以液体燃料为主。
- 结构复杂，零部件需要较高的加工精度。
应用领域
随着工业科学技术的发展，自从有了柴油机，铁路运营比以前更加方便，在各国也逐渐普及。柴油内燃机也装载在车辆、船舶和其他交通工具上，得到了广泛的应用。喷气式发动机和燃气轮机具有尺寸小、重量轻、结构简单、振动小、扭矩特性小的优点，所以是航空领域中主要的动力装置。由于内燃机主要是依靠燃料在气缸内的直接燃烧而产生巨大的能量来推动活塞做功，所以其在矿山、建筑等领域的工程机械中也得到了广泛地应用。尽管所有国家都在大力发展核燃气轮机动力装置，但柴油发动机在轻型船舶中仍然占主导地位。核潜艇、导弹艇、鱼雷艇、巡逻艇、扫雷艇、登陆艇和大多数常规潜艇及辅助舰艇中仍然使用柴油机作为主要动力，只有少数水面舰艇使用柴-燃组合装置。除此以外，农业如果想迈入机械化和集约化，其内燃机的应用将会是必不可少的推力，也是必不可少的一个环节。
环境污染
排放污染
内燃机产生污染的来源主要包含CO、HC、
噪声污染
内燃机的噪声污染污染主要是物理污染，其来源于燃料的燃烧过程、气体流动以及机械传动三方面。噪声会对人的生理及心理健康造成危害，高强度的噪声甚至会对建筑物产生破坏，例如喷气式飞机的噪声能够震碎附近建筑物的玻璃。
发展动向
现代内燃机产品不再是传统意义上的机械产品，它融合了机械和电子技术，形成了技术密集型的高科技产品。在石油资源短缺和环境恶化日益严峻的形势下，节能和环保成为21世纪内燃机面临的两大挑战，关系到内燃机的生存和发展，因此如何提高动力性、经济性和减少排放是内燃机研究的首要任务。未来的内燃机发展不仅仅会趋于低能耗、低污染，还会趋向于智能化。21世纪是”电子技术“广泛应用的时代，由于电子技术的控制面更广，具有更高的精度，可以大大提高内燃机的工作效率，所以内燃机的电控技术势必会伴随着电子技术的发展得到进一步提升。
