发动机

发动机（Engine）是一种能够把其它形式的能转化为机械能的装置。仅仅经过200年的时间，发动机就从蒸汽动力发展到了燃料动力、电动力直至核动力。未来的发动机则更加倾向于清洁燃料以保护环境。依照种类主要可以将其分为外燃机、内燃机、电动机、液压机、燃气轮机和喷气发动机等。并且通常会用一些基本参数来描述一台发动机，例如气缸的排列方式、气缸数、气门数、排气量、最高输出功率以及最大扭矩等等。在日常生活中最常见的发动机为汽油机和柴油机，其中汽油机具有两大机构和五大系统，而柴油机相较于汽油机缺少点火系统。一般来讲，工作过程中包含4个阶段，分别为进气冲程、压缩冲程、做功冲程、排气冲程。而航空航天领域中则常用喷气式发动机，船舶等领域会利用燃气轮机等。

现代社会的进步离不开发动机，从火车、飞机到火箭、汽车、发电厂，无一例外都需要发动机作为原始的驱动力。仅仅经过了200年的时间，发动机就从蒸汽动力发展到了核动力。过去。术语“发动机”是指包括水车在内的几乎所有的机器。严格来说，发动机是通过燃烧燃料产生热能和某种有用运动的装置，称为热机。第一批发动机通过给水加热以获得蒸汽；后来，以汽油为燃料的汽油发动机和以柴油为燃料的柴油发动机相继出现。未来的发动机可能会燃烧氢气或其他“清洁”燃料来保护环境。在12、13世纪的西方经历了一次机械革命，即由“水力”和“风力”所实现的“初级动力”，虽然这种动力功率非常低，每个水轮仅仅2~5马力，风磨时可以达到5马力甚至10马力，但在能源供应紧缺的经济中，这已然成为一种重要的辅助动力。人类通过蒸汽机的革命，掌握了新能源的利用技术，同时推动了能源利用技术和相关技术的发展。1769年世界上出现了最早的蒸汽三轮汽车。1875 年炽热曲管式锅炉被发明出来，由此大大减小了锅炉的尺寸，同时消除了锅炉爆炸的危险。此发明不仅提高了蒸汽车的质量，而且改善了原蒸汽车启动性差的缺点，并于1902年制造了世界上最快的赛车。因此，蒸汽机被广泛用作汽车的第一代原动机。从19世纪末到20世纪初，蒸汽车达到了鼎盛时期，然后逐渐被新兴的原动机—内燃机所取代。在1873年，英国科学家利用铅-锌电池进行蓄电池和电动机的组合实验，由此电动机作为一种新型原动机出现在人们的视野当中。1920年的美国迎来了电动汽车的巅峰时期，并且持续到了1939年。直到后来大力发展汽油机，电动车才逐渐因自身的缺点而被淘汰。定居法国巴黎的科学家里诺在1858年发明了煤气发动机，并于1860年申请了专利。发动机用煤气和空气的混合物代替往复式蒸汽机的蒸汽，使用电池和感应线圈产生电火花，并利用电火花点燃混合物使其爆炸。该发动机具有气缸，活塞，连杆，飞轮和其他结构。煤气发动机是内燃机的初始产品，因为它的压缩比为零。德国人科学家奥托在1867年受里诺所研制的煤气发动机启发，在大量的研究基础上，制造了一台卧式气压煤气发动机，并经改进之后于1878年在法国举办的国际展览会上进行展出。1883年8月15日，迈巴赫和戴姆勒发明了汽油内燃机。德国科学家鲁道夫.狄塞尔在1897年制造出首台柴油机，期间从设想到实现经历了20年的时间。瑞士科学家布希在1957年提出了废气涡轮增压理论，利用发动机排出的废气能量驱动压缩机，对发动机进行增压。20世纪50年代以后，废气涡轮增压技术开始逐步应用于汽车内燃机，大大提高了发动机性能，成为内燃机发展史上的重大突破。德国科学家汪克尔在1957年发明了转子活塞发动机。德国博世公司在1967年第一次推出了由电子计算机控制的汽油喷射系统。经过了长期的发展，核动力渐渐成为了发动机的主要供能方式之一。它不仅能够长期稳定地供应能源，而且对保护能源、改善人类生活环境起到了重要作用。

外燃机是指燃料燃烧发生在气缸外，即锅炉内的一种装置。锅炉燃烧时释放的热能加热水，将液态流体转化为蒸汽，再将蒸气引入气缸膨胀做功的发动机。外燃机主要包括蒸汽机和蒸汽轮机。与内燃机相比，外燃机可以避免传统内燃机中的爆震问题，进而可以在工作过程中提高效率、降低噪音，减少污染并且节约成本等。

内燃机是一种动力机械，它是通过使燃料在机器内部燃烧，并将其放出的热能直接转换为动力的热力发动机。将其按照燃料可以划分为柴油机和汽油机，按照气缸数目可以划分为单缸式和多缸式，按照冷却方式可以划分为风冷和水冷等等。国家为了方便生产、识别和使用各种类型的内燃机，规定了相应的名称及型号编制规则，其主要包括四大部分。一台完整的内燃机主要是由两大机构及五大系统所组成。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。同时内燃机具有热效率高，即油耗率低，经济性好；功率范围广，结构紧凑，重量轻；启动快、操作简单等优点，在水陆交通、航空动力、工程机械、军用舰艇以及农业机械中得到了广泛地应用。

燃气轮机是一种内燃动力机器，它驱动叶轮高速旋转并将燃料的能量转化为有用的功，是一种旋转叶轮热机，其主要由三个部分构成：压缩机、燃烧室、水轮机。燃气轮机在工作过程中从高温燃气中吸取能量，这股能量是由燃烧汽油或者燃烧天然气所形成的一股压缩空气流。从机械角度上说，燃气轮机要比内燃活塞式发动机简单。

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燃气轮机工作原理（来源：科学探索猫)

喷气发动机能够将燃料的化学能转变为燃气的动能，并以极高的速度向后喷射，产生推力。喷气发动机可以分为空气喷气发动机和火箭发动机两大类。空气喷气发动机是将空气里面的氧气作为氧化剂，使燃料在与空气混合的过程中燃烧产生高温燃气，进而高速喷出产生推力。火箭发动机是依靠自身携带的氧化剂和燃料，燃烧产生高温高压的燃气，再加速喷出产生推力。

喷气发动机的分类

电动机是一种把电能转换为机械能的机电能量转换器。电动机结构简单、能量转换率高、控制性能优越，在生活中得到了广泛地应用。按照用途划分，可将其分为工业用电动机、民用电动机以及特殊用途电动机。按照工作原理不同，可以将其划分为直流电动机以及交流电动机。

液压机是利用帕斯卡原理，利用油或者水作为介质，采用静压力传递作为工作条件，使得滑块不断进行上、下往复运动。将其按照工作介质来划分可以分为以油为工作介质的油压机和以水为工作介质的水压机。

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气缸的各种排列方式及区别（来源：途虎养车百科)

5缸以下的发动机气缸大多采用直列式，一部分6缸发动机也存在直列式。直列式发动机的气缸是一字排开的，其缸盖、缸体和曲轴的结构简单，制造成本也很低，具有良好的扭矩特性，工作时消耗较少的燃油，尺寸紧凑，得到了广泛地应用，但是其功率较低。

在一些6缸或者8缸及以上的发动机当中，气缸一般是分成两列进行排列，其轴线呈V形夹角。V形排列的发动机结构更加紧凑，适合多缸数的发动机，但是其缸体结构复杂，加工成本较高。

针对航空用的活塞发动机，其中存在一种将曲轴左右方向相对的放置方式，这种气缸的配置形式叫做水平对置式发动机。与其他形式相比，这种气缸配置形式的气缸数量多，惯性力平衡好、振动小、部件少、结构简单。对于功率范围为36.75~220.5kW的航空发动机，现在几乎所有的水平对置发动机都被采用，大多数轻型飞机也配备了这种类型的发动机。

由于固定的高度限制，不能够采用直列式的排布方式，大多会采用卧式排列。

发动机的常用气缸数一般为3、4、5、6、8缸。在1升以下的发动机一般用3缸，1~2.5升的发动机一般用4缸，而3升左右的发动机一般采用6缸。

国内发动机大多采用两个气门，其中一个为进气门，另一个为排气门。国外品牌汽车发动机一般采用每缸4气门结构，即2个进气门和2个排气门，提高了进排气效率。有些汽车发动机采用每缸5气门结构，即3个进气门，2个排气门，其主要目的是增加排气量，使得燃烧更加彻底。

排气量是针对不同型号的汽车发动机规定的排气标准，一般是指各个气缸工作容积的总和。排气量通常根据每公里排放的废气量来计算。排气量愈大，汽车的功率也随之愈大，在同样的时间内排出的气体也就越多，但污染也就更大。发动机排量比缸径和缸数更能体现发动机动力的大小。

一般用千瓦（KW）或者马力（HP）来表示发动机的最高输出功率，1马力大概等于0.75千瓦。发动机的输出功率与转速有很大关系，随着转速的提高，发动机的功率也随之增加，但在达到一定转速后，功率反而会呈现下降趋势。

最大扭矩指发动机从曲轴端输出的扭矩，其一般出现在发动机的中、低速范围内，扭矩会随着转速的增加而减小。

发动机的效率可以由几种不同的方式进行表达，效率的数字表达为输出比输入。发动机中较常考虑的是机械效率、体效率和热效率。其中机械效率是制动功率与指示效率的对比；体积效率是指实际上进入燃烧室的燃油混合气量与该转速下的理论进气量的比较；热效率是指燃料中所含有的能量和发动机实际输出的能量的对比。

发动机的性能指标随着转速变化的关系，称为发动机的速度特性。速度特性包括部分负荷速度特性和外特性。外特性是发动机所能够达到的最高性能。

生活中的典型发动机是汽油机和柴油机，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）。

1. 曲柄连杆机构及机件零件

发动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。

2. 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。

3. 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。4. 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。风冷系统是将高温零部件的热量直接扩散到大气当中。其主要部件为：风扇、温度调节装置以及导流罩等。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，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。

5. 润滑系统

发动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。其作用是可以在发动机工作时，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。依据发动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。

6. 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。

7. 启动系统

中小型的内燃机启动方式有柴油机的汽油启动，人力启动、电动机启动和辅助发电机启动。启动系统的主要部件包括：蓄电池、启动机和启动继电器等。其主要功能是将静止的内燃机进行启动并变成自行运转状态。

1. 进气冲程

汽油机中活塞在曲轴和连杆的驱动下从上止点移动到下止点，曲轴同时带动活塞运动，通过正时齿轮带动配气机构运动，此时凸轮轴的进气凸轮将通过配气机构的传动机构打开进气门， 随着活塞的向下运动，活塞上方的气缸容积增加，形成一定的真空度，化油器中形成的可燃混合物被吸入气缸。柴油机的进气冲程中被吸入的则是空气。

2. 压缩冲程

汽油机中随着曲轴的运动，活塞从下止点被推到上止点，此时气缸盖上的进气门和排气门同时关闭，气缸成为一个密封的空间，随着活塞的向上运动，活塞上方的气缸容积逐渐缩小， 使混合物被压缩而温度升高，当压缩到上止点时，凸轮轴控制的点火系统向火花塞提供高压电，形成强烈的电火花点燃可燃混合物，促进活塞做功。柴油机的压缩冲程中被压缩的仍然是空气。

3. 做功冲程

压缩冲程结束后，在活塞即将到达上止点时，雾状的高压柴油会被喷进气缸并且与被压缩的高温空气相互混合后开始燃烧。此时由于进气门和排气门都是关闭状态，所以燃烧时的高压、高温气体将推动活塞自上止点向下止点移动，通过连杆推动曲轴转动，当活塞达到下止点时，工作冲程结束。

4. 排气冲程

当做功冲程结束时，活塞再次从下止点向上止点移动，排气门开启，将燃烧后的废气排到气缸之外，曲轴继续转动，当活塞刚刚经过上止点时，排气门关闭，排气冲程结束。

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内燃机的工作原理展示（来源：科学小视)

一般来讲，喷气式发动机主要应用于航空及航天领域内，其是把吸入的空气进行压缩，并与燃料相互混合，形成高温高压气体后喷出，进而产生强大的反作用力。

火箭喷气式发动机航天器在大气层外进行变轨运动，周围的环境是没有空气（氧气）的，所以其会依靠本身携带的推进器（氧化剂和燃烧剂）产生喷射物质。所以其不仅可以在大气中适用，也同样适用于外太空环境。按照燃料可以将其分为液体燃料发动机和固体燃料发动机。空气喷气式发动机空气喷气式发动机以外界空气作为工质，并且将空气中的氧气作为助燃剂。其种类可以分为脉冲式、涡轮式以及冲压式。

电动机是实现电能和机械能相互转换的装置，是发电机和电动机的总称。发电机将机械能转换为电能，电动机将电能转换为机械能。根据电流，电机可分为两大类：直流电机和交流电机。交流电动机可又可分为同步电动机和异步电动机。

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直流电动机的原理（来源：阿右科普)

其中三相异步电动机主要是由定子和转子两大部分所构成。定子是电动机的非旋转部分，其作用是产生旋转磁场。它由机床底座、定子铁芯、定子绕组组成。底座是电机的支撑部分，由铸铁或铸钢制成。转子是电机的旋转部分，在旋转磁场的作用下获得转弯扭矩，带动生产机械一起旋转。根据结构的不同，转子还可以分为鼠笼式和绕线式两种。转子由旋转轴、转子铁芯、转子绕组、风扇等组成。

旋转磁场与静止的转子存在相对运动，在转子导体中产生的感应电动势，并且在形成闭合回路的转子导体中产生感应电流。而异步电动机的控制一般包括启动控制、停止控制以及调速控制等。调速控制又包括变极调速、变频调速以及变转差率调速等。

燃气轮机是一种内燃动力机器，它驱动叶轮高速旋转并将燃料的能量转化为有用的功，是一种旋转叶轮热机。其是由压缩机、燃烧室、燃气轮机及相应的辅助设备组成的成套动力单元。

燃气轮机在工作过程中从外部吸收空气，压缩之后再送入燃烧室，与此同时燃料也进入与其混合并在定压下燃烧，其可以为气体或者液体燃料。产生的高温高压油气在定压下进行燃烧，生成的高温高压烟气进入燃气轮机膨胀做工，进而推动动力叶片高速旋转。

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讲述燃气轮机的工作原理（来源：化工设备员)