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內(nèi)燃機
將內(nèi)能轉化為機械能的機器
內(nèi)燃機（Internal Combustion Engine），是一種動力機械，它是通過使燃料在機器內(nèi)部燃燒，并將其放出的熱能直接轉換為動力的熱力發(fā)動機。一臺完整的內(nèi)燃機依據(jù)不同的類型可能包含曲柄連桿機構、配氣機構、燃料供給系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、點火系統(tǒng)、啟動系統(tǒng)、進氣道和壓縮機、燃燒室和渦輪、噴管及加力燃燒室等等。同時內(nèi)燃機具有熱效率高，即油耗率低，經(jīng)濟性好；功率范圍廣，結構緊湊，重量輕；啟動快、操作簡單等優(yōu)點，在水陸交通、航空動力、工程機械、軍用艦艇以及農(nóng)業(yè)機械中得到了廣泛地應用。除此以外，內(nèi)燃機在工作時也會產(chǎn)生排放污染以及噪聲污染，需要在此基礎上做出相應地發(fā)展。
基本信息
中文名
內(nèi)燃機
英文名
Internal Combustion Engine
運用領域
水路交通,航空動力,工程機械,軍用艦艇,農(nóng)用機械
發(fā)展歷史
1794年，英國的斯特里特提出一種概念，即從燃料中獲取動力，并且首次發(fā)表了將空氣與燃料混合的概念。
1833年，英國的賴特提出要直接利用燃燒產(chǎn)生的壓力去推動活塞做功。
19世紀中期，科學家對將汽油、煤氣以及柴油等產(chǎn)生的熱轉化為機械動力的理論進行了完善，其為內(nèi)燃機的發(fā)明打下了基礎。
1862年，法國科學家羅莎在對內(nèi)燃機熱過程進行理論分析后，提出了提高內(nèi)燃機效率的要求，這是最早的四沖程工作循環(huán)。
1866年，德國發(fā)明家歐云利用羅莎的原理，成功制造了第一臺往復活塞式、單缸、臥式、3.2千瓦的四沖程內(nèi)燃機，仍然使用煤氣作為燃料并用火焰點火。
1881年，巴黎博覽會上展出了由英國工程師克拉克發(fā)明的首臺二沖程煤氣機。
1892年，受面粉廠粉塵爆炸的啟發(fā)，德國工程師迪塞爾想象：將吸入氣缸的空氣高度壓縮，直到超過燃料的自燃溫度，然后用高壓空氣將燃料吹入氣缸，使其著火燃燒。他于1897年創(chuàng)造了壓燃式內(nèi)燃機（柴油機），為內(nèi)燃機的發(fā)展開辟了新的途徑。
1898年，柴油機首先應用于固定式發(fā)動機組。
1903年，柴油機用于為商船提供動力。
1913年，世界上制成首臺以柴油機為動力的內(nèi)燃機車。
1920年，柴油機開始用于農(nóng)業(yè)機械和汽車中。
分類
廣義上來講，內(nèi)燃機不僅僅包含旋轉活塞式發(fā)動機、往復活塞式發(fā)動機以及自由活塞式發(fā)動機，同時也包含噴氣式發(fā)動機和旋轉葉輪式發(fā)動機。通?；钊桨l(fā)動機就是平時所指的內(nèi)燃機，而往復式活塞內(nèi)燃機又是其中最為普遍的類型。
往復活塞式內(nèi)燃機
往復活塞式內(nèi)燃機是利用活塞的往復運動完成熱力循環(huán)的內(nèi)燃機。
按照燃料可劃分為柴油機和汽油機（包含各種代用燃料）等。
按照燃料的燃燒方式可劃分為點燃式內(nèi)燃機和壓燃式內(nèi)燃機。
按照冷卻方式可劃分為風冷式內(nèi)燃機和水冷式內(nèi)燃機。
按照進氣方式可劃分為增壓式內(nèi)燃機和自然吸氣式內(nèi)燃機。
按照氣缸數(shù)目可劃分為可劃分為單缸式內(nèi)燃機和多缸式內(nèi)燃機。
按照氣缸排列方式可劃分為直列式內(nèi)燃機、水平對置式內(nèi)燃機、V型內(nèi)燃機以及臥式內(nèi)燃機等。
按照轉速或活塞平均速度可劃分為低速內(nèi)燃機（活塞平均速度小于6m/s或者標定轉速小于600r/min）、中速內(nèi)燃機（活塞平均速度為6~9m/s或者標定轉速為600~1000r/min）、高速內(nèi)燃機（活塞平均速度大于9m/s或者標定轉速大于1000r/min）。
按照用途可劃分為汽車用、農(nóng)用、工程機械用、鐵路機車用、采油機械用、發(fā)電機組用以及船舶和拖拉機用等內(nèi)燃機。
旋轉活塞式發(fā)動機
旋轉活塞式內(nèi)燃機在工作時，燃燒室內(nèi)產(chǎn)生的高溫高壓氣體推動活塞旋轉以產(chǎn)生動力的內(nèi)燃機，其動力主要由主軸輸出。其具有振動小、功率高、運轉穩(wěn)定、結構簡單輕便的優(yōu)點，大多應用在個別型號的轎車和極少數(shù)的直升機、雪橇上。
自由活塞式發(fā)動機
自由活塞式發(fā)動機是一種僅提供壓縮空氣或一定溫度、壓力的工作氣體的內(nèi)燃機，并不對外直接輸出機械功。按照結構特點可以將其分為對稱式和非對稱式，可以將重油、柴原油和天然氣等當作燃料。經(jīng)常與燃氣輪機組構成自由活塞-燃氣輪機組。
旋轉葉輪式發(fā)動機
燃氣輪機、汽輪機以及噴氣式發(fā)動機都屬于旋轉葉輪式發(fā)動機，其工質直接推動安裝在軸上的葉輪來帶動軸旋轉并向外界輸出動力。其中噴氣式發(fā)動機主要用于航天和航空事業(yè)，又可以分為火箭噴氣式發(fā)動機和空氣噴氣式發(fā)動機。
基本結構
內(nèi)燃機主要包含汽油機和柴油機，其中汽油機由”兩大機構、五大系統(tǒng)“組成，分別是曲柄連桿機構、配氣機構、燃料供給系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、點火系統(tǒng)和啟動系統(tǒng)。柴油機由”兩大機構、四大系統(tǒng)“組成（不包含點火系統(tǒng)）。而噴氣發(fā)動機作為利用牛頓第三定律工作的內(nèi)燃機，其結構主要包含進氣道、壓氣機、燃燒室與渦輪、噴管及加力燃燒室。
曲柄連桿機構及機件零件
內(nèi)燃機的主要運動機構之一便是曲柄連桿機構，其將作用于活塞上的力轉變?yōu)榍S向外輸出的扭矩，并且將活塞的往復運動轉為曲軸的旋轉運動，可以驅動汽車車輪的旋轉。具體來講，柴油機中的曲柄連桿機構主要由機體組、活塞連桿組、曲輪飛輪組、平衡機構所構成。
機體組
機體組是由汽缸體、汽缸套、氣缸墊以及氣缸套所構成。
- 汽缸體
氣缸體是整個內(nèi)燃機的骨架，其一般使用鑄鐵制造。很多重要零件例如曲軸、凸輪軸、調速器、平衡機構、機油濾清器以及水箱和油箱等都在其上安裝。內(nèi)燃機工作時，活塞會在氣缸套中做往復直線運動，所以氣缸套是燃料膨脹和燃燒的區(qū)域。由于其承受著內(nèi)燃機燃燒所生成的高壓、高溫，同時與活塞環(huán)發(fā)生摩擦，所以為了獲得優(yōu)秀的耐磨性和高強度一般用優(yōu)質合金鑄鐵制造。
- 氣缸套
- 氣缸蓋
氣缸蓋用來將氣缸的頂部進行密封，其一般用鑄鐵進行制造。在它的內(nèi)外表面會加工相應的孔和面來進行進氣門、排氣門、噴油器、搖臂排氣管和空氣濾清器的安裝。
- 氣缸墊
氣缸墊是為了使得汽缸蓋和氣缸墊之間保持緊密結合，所以一般會在它們之間進行安裝以防止漏水、漏氣現(xiàn)象的發(fā)生。
活塞連桿組
- 活塞
活塞包括活塞頂部、活塞頭部、活塞裙部以及活塞槽部。氣缸中的氣體壓力大部分是由活塞所承受的，并且通過活塞銷將壓力傳遞給連桿進而使曲軸轉動，氣缸蓋、氣缸壁還會與活塞頂部一起組成燃燒室。由于活塞工作時直接與高溫氣體相接觸，并且承受的氣體壓力也非常大，所以其被要求具有足夠的強度和剛度，能夠可靠地傳力、導熱性能好，并且可以耐高溫、高壓，耐磨損，具有較輕的自重以盡可能減少往復慣性力。
活塞的結構
- 活塞環(huán)
活塞環(huán)可分為氣環(huán)和油環(huán)?？諝猸h(huán)和活塞一起保證氣缸壁與活塞之間的密封，防止大量高溫高壓氣體從曲軸箱中泄漏出來。油環(huán)將機油均勻分布在氣缸壁上，刮掉多余的油，并使其流回曲軸箱，以減少油耗，達到了減少活塞組與氣缸壁之間摩擦的目的。活塞環(huán)在高溫、高壓、高速條件下工作，潤滑條件差，因此要求它們具有良好的彈性和耐磨性，對氣缸壁的磨損低。因此，活塞環(huán)大多由合金鑄鐵材料制成，并且第一道氣環(huán)大多采用鍍鉻或噴鉬處理。
- 活塞銷
活塞銷一般被用來將連桿小頭和活塞相連接，將活塞上承受的氣體壓力傳遞給連桿，一般采用低碳合金鋼或者低碳鋼進行制造，并且其中心孔可以分為圓柱形、兩段截錐形以及一段圓柱和兩段截錐形的組合型等。除此以外，活塞銷的連接方式可以分為全浮式和半浮式。
- 連桿組
連桿是將活塞所承受的力傳遞給曲軸的部件，其使得活塞的往復運動轉化為曲軸的旋轉運動。連桿由連桿小頭、連桿大頭以及桿身三部分所組成，其中連桿大頭與曲軸的連桿軸頸相連接，可分為整體式和分開式（平分或斜分）兩種。V型發(fā)動機的連桿結構通常分為主副連桿、并列式連桿和叉形連桿。
曲輪飛輪組
- 曲軸
曲軸是發(fā)動機的重要組成部分，它的作用是承受連桿所傳遞的力，從而形成繞自身軸線旋轉的扭矩，然后通過飛輪將其輸出成為車輛的動力。除此此外，它還用于驅動發(fā)動機的氣體分配機構和其他輔助設備，包括風扇、發(fā)電機、轉向油泵、空調壓縮機、冷卻水泵等。
- 飛輪
飛輪是一個外緣鑲嵌有優(yōu)質中碳鋼齒圈的鑄鐵圓盤，其具有很大的轉動慣量。飛輪的作用是將曲軸的一部分能量儲存在發(fā)動機做功沖程中，從而克服其他沖程中的各種阻力，使曲柄連桿機構越過上、下止點，保證曲軸的角速度和輸出扭矩盡可能均勻；同時，它還使發(fā)動機能夠克服短期過載。除此此外，飛輪常用作摩擦式離合器的驅動部件。
曲輪飛輪組
平衡機構
內(nèi)燃機的平衡實際上就是想辦法將旋轉慣性力和往復慣性力盡可能地在內(nèi)部相互平衡，使得振動減小，同時減輕軸承的載荷。
- 單缸機的平衡
新系列的內(nèi)燃機中，平衡效果較好的一種平衡方法是雙軸式，一般用于1105型、190型、195型柴油機上。
- 兩缸機的平衡
兩缸機的平衡方式可以分為：飛輪和皮帶輪上設有平衡重或者在曲柄上設有平衡重。
- 三缸機的平衡
三缸機通常在一、三缸的曲柄上添加平衡重，稱其為部分平衡法。
- 四缸機的平衡
四缸機上通常在曲柄上設有平衡重，主要用來消除曲軸的附加載荷。
配氣機構
配氣機構的作用是根據(jù)發(fā)動機各氣缸的工作循環(huán)和點火順序，定期打開和關閉進、排氣門，使新鮮的可燃混合氣體（汽油機）或空氣（柴油機）及時進入氣缸，廢氣及時排出。同時，當閥門關閉時，可以密封氣缸中的高壓氣體。目前，應用最為廣泛的氣體分配機構是氣門—凸輪式氣體分配機構，簡稱氣門式配氣機構。
燃料供給系統(tǒng)
燃料供給系統(tǒng)是內(nèi)燃機中的關鍵性技術，其主要將空氣和燃料按比例地混合起來以獲得最佳的燃燒反應。柴油機和汽油機具有兩種完全不同的混合氣形成方式。該系統(tǒng)中的主要包括噴油嘴、噴油器、輸油泵、調速器、燃燒室等。柴油機采用將燃料和空氣在氣缸內(nèi)相遇并且混合的內(nèi)部混合氣形成方式，在其氣缸外部分別有一個空氣供給系統(tǒng)和燃料供給系統(tǒng)。汽油機采用的是讓空氣和燃料在氣缸之外就相遇，并且均勻地將其混合成具有理想比例的可燃混合物再輸送進氣缸的外部混合氣形成方式。
冷卻系統(tǒng)
內(nèi)燃機中的冷卻系統(tǒng)主要用于將內(nèi)部的高溫機件進行降溫處理，使其熱量迅速地擴散到大氣中去。而冷卻系統(tǒng)又可以劃分為風冷系統(tǒng)和水冷系統(tǒng)。風冷系統(tǒng)將高溫零部件的熱量直接擴散到大氣當中。風冷系統(tǒng)的主要部件為：風扇、溫度調節(jié)裝置以及導流罩等。一般情況下，吹氣冷卻作為風冷內(nèi)燃機的首選方式，只有一小部分內(nèi)燃機因為總體布局的緣故而選擇吸氣冷卻的方式。水冷系統(tǒng)將高溫零部件的熱量先傳遞給水，再由水將其擴散到大氣當中。水冷系統(tǒng)廣泛應用于裝載機械中，其主要部件為：水泵、風扇、分水管、散熱器和在氣體缸和汽缸蓋中鑄出的水套。
潤滑系統(tǒng)
內(nèi)燃機的潤滑系統(tǒng)主要包括機油泵、油底殼、機油濾清器、集濾器等部件。其作用是可以在內(nèi)燃機工作時，將足量的清潔潤滑油（或稱為機油）連續(xù)輸送到各運動部件的摩擦面，摩擦面之間形成油膜，實現(xiàn)液體潤滑，從而降低摩擦阻力，降低功耗，減少部件磨損，達到提高發(fā)動機工作可靠性和耐久性的目的。依據(jù)內(nèi)燃機中各個運動件不同的工作條件，可以采用不同的潤滑方式：飛濺潤滑、壓力潤滑、潤滑脂潤滑。
點火系統(tǒng)
點火系統(tǒng)是汽油機上面獨有的一個系統(tǒng)，主要部件包括：蓄電池、點火開關、點火線圈、火花塞等。其主要功能是按照一定的時間間隔往氣缸內(nèi)添加電火花以將其中的可燃混合氣進行點燃，點火方式也從最早的磁電機點火、熱管點火、蓄電池點火發(fā)展到今天的電子點火。
啟動系統(tǒng)
中小型的內(nèi)燃機啟動方式有柴油機的汽油啟動，人力啟動、電動機啟動和輔助發(fā)電機啟動。啟動系統(tǒng)的主要部件包括：蓄電池、啟動機和啟動繼電器等。其主要功能是將靜止的內(nèi)燃機進行啟動并變成自行運轉狀態(tài)。
進氣道與壓氣機
燃燒室與渦輪
噴管及加力燃燒室
噴管的形狀結構決定了最終排出的氣流狀態(tài)。
燃料及氧化劑
內(nèi)燃機對燃料的要求較高。其僅限于氣體燃料和液體燃料，并且以液體燃料為主。煤、木炭和木柴等固體燃料由于燃燒后產(chǎn)生的灰分很多，故不宜直接當作內(nèi)燃機的燃料。其中火箭噴氣發(fā)動機與其它類型的內(nèi)燃機不同，由于它需要在大氣層以外的真空環(huán)境中工作，所以無法從周圍的環(huán)境中吸收氧氣，其本身自帶燃料和氧化劑，依靠氧化劑來助燃。
氣體燃料
主要包含工業(yè)煤氣、天然氣、石油氣以及從動植物廢料中提取出來的甲烷等等。由于氣體燃料一般產(chǎn)自來源豐富的地區(qū)，所以為了節(jié)省儲存成本，經(jīng)常將其用在固定式的內(nèi)燃機中。
液體燃料
氧化劑
工作原理
能量轉換
活塞式內(nèi)燃機主要是將空氣和燃料進行混合，使其在氣缸內(nèi)燃燒，由其燃燒產(chǎn)生的熱能使氣缸內(nèi)產(chǎn)生高壓高溫的燃氣，燃氣的膨脹推動活塞做功，再利用曲柄連桿機構或者其他機構將機械能輸出，使從動機械運轉。柴油機和汽油機是生活中常見的，其在工作過程中將內(nèi)能轉變?yōu)闄C械能，即通過做功改變內(nèi)能。
旋轉葉輪式發(fā)動機在工作時，其工質直接推動安裝在軸上的葉輪來帶動軸旋轉并向外界輸出動力。例如噴氣式發(fā)動機是將吸入的空氣進行壓縮，然后與燃料混合進行燃燒，進而產(chǎn)生強大的反作用力來推動飛機高速飛行。
冷卻方式
把水當作傳熱介質，將加熱機構的熱量散發(fā)到大氣中，稱為水冷內(nèi)燃機。被加熱部件的熱量利用空氣直接分散到大氣中，稱為風冷內(nèi)燃機。
優(yōu)點及缺點
優(yōu)點
- 熱效率高，即油耗率低，經(jīng)濟性好。增壓柴油機的最高熱效率可達46%。而蒸氣機僅有11~16%。
- 功率范圍廣，結構緊湊，重量輕，尺寸小。最小的內(nèi)燃機功率不到0.73千瓦，最大的內(nèi)燃機功率可達34000千瓦。
- 啟動快、操作簡單。一般情況下，汽油機或者柴油機能夠在3~5秒內(nèi)啟動，并且在短時間內(nèi)就可以達到全負荷運轉。
缺點
- 噪聲大，排放出的污染氣體較多。一般來說燃料在內(nèi)燃機中氧化燃燒后排出二氧化碳和水蒸氣，還有微量的
- 對燃料的要求高。內(nèi)燃機直接燃燒的燃料僅限于氣體燃料和液體燃料，并且以液體燃料為主。
- 結構復雜，零部件需要較高的加工精度。
應用領域
隨著工業(yè)科學技術的發(fā)展，自從有了柴油機，鐵路運營比以前更加方便，在各國也逐漸普及。柴油內(nèi)燃機也裝載在車輛、船舶和其他交通工具上，得到了廣泛的應用。噴氣式發(fā)動機和燃氣輪機具有尺寸小、重量輕、結構簡單、振動小、扭矩特性小的優(yōu)點，所以是航空領域中主要的動力裝置。由于內(nèi)燃機主要是依靠燃料在氣缸內(nèi)的直接燃燒而產(chǎn)生巨大的能量來推動活塞做功，所以其在礦山、建筑等領域的工程機械中也得到了廣泛地應用。盡管所有國家都在大力發(fā)展核燃氣輪機動力裝置，但柴油發(fā)動機在輕型船舶中仍然占主導地位。核潛艇、導彈艇、魚雷艇、巡邏艇、掃雷艇、登陸艇和大多數(shù)常規(guī)潛艇及輔助艦艇中仍然使用柴油機作為主要動力，只有少數(shù)水面艦艇使用柴-燃組合裝置。除此以外，農(nóng)業(yè)如果想邁入機械化和集約化，其內(nèi)燃機的應用將會是必不可少的推力，也是必不可少的一個環(huán)節(jié)。
環(huán)境污染
排放污染
內(nèi)燃機產(chǎn)生污染的來源主要包含CO、HC、
噪聲污染
內(nèi)燃機的噪聲污染污染主要是物理污染，其來源于燃料的燃燒過程、氣體流動以及機械傳動三方面。噪聲會對人的生理及心理健康造成危害，高強度的噪聲甚至會對建筑物產(chǎn)生破壞，例如噴氣式飛機的噪聲能夠震碎附近建筑物的玻璃。
發(fā)展動向
現(xiàn)代內(nèi)燃機產(chǎn)品不再是傳統(tǒng)意義上的機械產(chǎn)品，它融合了機械和電子技術，形成了技術密集型的高科技產(chǎn)品。在石油資源短缺和環(huán)境惡化日益嚴峻的形勢下，節(jié)能和環(huán)保成為21世紀內(nèi)燃機面臨的兩大挑戰(zhàn)，關系到內(nèi)燃機的生存和發(fā)展，因此如何提高動力性、經(jīng)濟性和減少排放是內(nèi)燃機研究的首要任務。未來的內(nèi)燃機發(fā)展不僅僅會趨于低能耗、低污染，還會趨向于智能化。21世紀是”電子技術“廣泛應用的時代，由于電子技術的控制面更廣，具有更高的精度，可以大大提高內(nèi)燃機的工作效率，所以內(nèi)燃機的電控技術勢必會伴隨著電子技術的發(fā)展得到進一步提升。
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