第七章 内燃机

第七章内燃机

7.1 序言

内燃机就是一个热机，燃料与氧气一起在热机有限的空间里燃烧。燃烧过程释放大量的能量，能量通过机械装置被转化为功。此类发动机与蒸汽发动机不同，燃料在蒸汽发动机外部的燃烧机内燃烧。

7.1.1内燃机的发展

第一个实用的商用内燃机由法国工程师Jean Joseph，也称Etienne Lenoir ，在约1859~1860年建成。它采用照明煤气作为燃料。两年后，Alphonse Beau de Rochas 阐述了四冲程循环的的原理，但成功制造出第一台按此原理运行发动机是在1876年，由Nickolaus August Otto 制造。

第一台实用的内燃机很大程度上基于制造蒸汽发动机所获得的经验。发动机有一个卧式汽缸；滑阀用于吸进燃料与空气的混合物；为复动式，混合物被交替注入两端活塞的汽缸中。进入汽缸的混合物被一个线圈和一个电池在火花塞产生的电火花点燃。这个不可靠的点火系统是现代电动点火系统的鼻祖。

由于第一个内燃机不可靠，许多后来的先驱对其做出了改进。因此制造了许多新型发动机。这些发动机有两冲程的、四冲程的以及汽油机。1864 年Siegfried Marcus 在奥地利创造了一台使用汽油作为燃料的发动机。第一个内燃机是现代汽车发动机的基本模型。

内燃机的发明使得人类的一些长期渴望的梦想：飞机、汽车、潜水艇、坦克及许多其他发明在它们可能出现实用模型前变为现实。现在的内燃机减少了气体排放、降低了燃料消耗比以前的更高效经济。

7.1.2内燃机的分类

内燃机的基本类型有：往复式发动机如奥托循环发动机，柴油机；旋缸发动机如转子活塞发动机，燃气轮机。

内燃机中，燃料在有限的空间燃烧，产生膨胀气体，膨胀气体直接用于提供机械动力。这些发动机被分类为往复式或转缸式，火花点燃式或压燃式，及两冲程或四冲程；最常见的，由汽车到割草机用的是往复式，火花引燃，四冲程汽油发动机。其它类型的内燃机包括喷气发动机和燃气轮机。标定最大马力的发动机常常达到稍低于过度机械应力研究的速度。

7.1.3火花点火和压缩点火发动机

虽然火花点火和压缩点火发动机有很多共同点，但是一些基本的差异导致了二者运行变化较大。

（1）压缩比。火花点火发动机与那些压缩点火发动机相比有较低的压缩比。

（2）燃料的点火。就火花点火发动机来说，燃料通过发动机气缸内部的火花塞产生的电火花点燃。就压缩点火来说，燃料被压缩冲程结束时的高温空气点燃。

（3）引入燃料的方式。对于火花点火发动机来说燃料被蒸发、与空气混合，然后被送入发动机的气缸。但是，对于压缩点火发动机来说燃料以细雾的形式被注入发动机气

缸内。

7.2内燃机的原理

7.2.1流经内燃机的能量

它让人想起热力发动机是由一个封闭的系统组成，这个系统由外部热源提供热量，并将热量排放到环境中。系统周期性的回到初始状态，因此，系统的化学变化被排斥。热量主要通过热传导和热辐射进入系统。内燃机通过发动机有限空间内空气与燃料适当配比的混合物的燃烧提供内能的释放。由于燃烧产生的化学变化，系统永远不能回到它的初始状态。此外，用于燃烧的空气是由环境提供的。虽然内燃机不按热力循环运行，但它完成了热力生产和一系列热力过程，这些不是不可循环。参照内燃机来检查这些独立的过程将很有意思。

通常要求将供给发动机的燃料的可用能量全部转化为有用功，由于内燃机运行中时常发生一些损失，供给发动机的能量仅25%~40%被转化为有用功。发动机运行中的主要损失如下：（1）热量被废气带走。供给发动机全部能量的近25%~40%被废气带走。这对内燃机来说是主要的热损失。

（2）热量被冷却水带走。供给发动机全部能量的近20%~40%被汽缸冷却水或汽缸周围的空气带走。

（3）摩擦等。全部供给的热量有部分由于运动部件之间的摩擦、辐射、泵送损失损失。

可用净功与供给的全部量之比称为热效率。如果将制动鼓处的可用净功也考虑在内，用这种方式衡量的发动机的功率称为制动马力。基于制动马力计算的热效率称为制

动热效率。同样地，基于指示马力计算的热效率称为指示热效率。

7.2.2 往复式动力机

最常见的内燃机是许多汽车用的活塞式式汽油机。燃烧发生的有限空间称之为汽缸。汽缸可以选择一下三种方式中的一种安置：单列布置汽缸中心线竖直，双列布置相对汽缸的中心线相交成一个V字（V型发动机），双列水平对称（对称，扁平，卧式或水平对置发动机）。每个气缸中活塞来回滑动。连杆的一端和活塞的底部由活塞销连接，另一端卡在机轴其中一个曲柄轴或回旋轴的轴承上。活塞往复运动使曲轴转动，曲轴的转动被合适的传动装置传递给汽车的驱动轮。曲轴一分钟的转数称为发动机的转速。汽缸顶部被金属盖（称为端盖）封闭，金属盖被螺栓固定在汽缸上。透过端盖的螺纹孔旋进用于点火的火花塞。

汽缸另外两个开口称为门孔。进气孔吸入空气与汽油的混合物；排气道排出燃烧产物。每个门孔有一个蘑菇形阀门由圆簧顶在门孔上；一个凸轮轴以发动机速度的一半转动，使阀门按正确的次序开启。每个进气口到汽化器或汽油喷嘴之间有一根管子，所有汽缸的这些管子联合在一起形成歧管；相似的歧管将排气口和排气管及消音器连在一起。汽化器或燃料喷嘴将空气与燃料按11:1到16:1的重量比例混合在一起，11:1时燃料富余，16:1时空气稍微过量。混合物的组成由风门亦即空气阀调节，空气阀在改变到汽缸燃烧室的燃料流量的进气歧管上。混合物燃料成分在空转速度和高速运转时高，在中低速时低。

往复式发动机的另一种主要类型是Diesel 发动机，1892年由Rudolf Diesel发明并申请专利。Diesel发动机使用压缩产生的热量而不是火花塞来点火，并且使用Diesel燃料（一种重石油）替代汽油。Diesel发动机要比汽油发动机笨重，因为需要增加压缩机强度来承受较高的温度和压缩比。Diesel发动机常用于有大功率需求的地方如：重型汽车、火车头和轮船。

7.2.3旋缸发动机

最成功的旋缸发动机是汪克尔发动机。该机由德国工程师Felix Wankel在1956年开发，带

有一个像带有鼓胀边三角形的磁盘，磁盘在粗腰的8字形汽缸里旋转。通过汽缸弓背的气口进行吸排气。磁盘边之间的空间及汽缸壁组成了燃烧袋。由于汽缸的波状外形轮廓，磁盘的一次旋转中，每个袋子交替变小变大。这实现了压缩与膨胀。发动机按四冲程的循环运转。

汪克尔发动机与往复式发动机比，零件减少了48%，体积和重量是往复式的1/3。它的主要优点是其高级污染控制设备的设计比起常规压缩式发动机更容易。另一个优点是通过旋转替代往复运动可以提供更高的速度，但是由于低速时转矩小导致了燃料消耗更多，这个优点被部分抵消。

7.2.4发动机运行

四冲程循环