內燃機

往復活塞式內燃機是最常見的內燃機,圖示的星型發動機是其中一種,為早期飛機大量採用。

內燃機英語:Internal combustion engine,縮寫為ICE)是熱機的一種,能將燃料化學能轉化機械能。一般的實現方式為,燃料與空氣混合燃燒,產生熱能,氣體受熱膨脹,通過機械裝置轉化為機械能對外做功。[1]內燃機有非常廣泛的應用,車輛、船舶、飛機、火箭等的發動機基本都是內燃機,其最常見的例子即為車用汽油機與柴油機。

內燃機的燃燒氣體同時也是工作介質,比如汽油機中,汽油燃燒後的氣體直接推動活塞做功。與此相對,燃料不作為工作介質的熱機則稱為外燃機,比如蒸汽機的工作介質(蒸氣)並不是燃料。

能量轉化原理

 
圖示為摩托車上常見的二行程循環的往復活塞式內燃機工作過程,內燃機通過進氣獲得了燃料,燃燒後,通過做功行程(依靠工作介質的膨脹,推動活塞)轉化為機械能,之後廢氣被排出,並獲得新的燃料,開始下一次循環過程。

作為熱機的一種,內燃機的能量來源是燃料燃燒產生的熱,即物質蘊含的化學能先要轉化為熱能,再成為機械能[2]。液體通過相態的變化(汽化)就能增加壓力,而氣體受熱膨脹也能增大壓力,因此液體和氣體都理論上都可以作為工作介質使用。內燃機的工作介質多為燃料與空氣混合燃燒產生的氣體,在受熱膨脹後,壓力增大,高溫高速的氣體再通過一定的機械裝置對外做工。對於內燃機而言,工作介質必須更換(開式循環),即排放燃燒過的氣體,進入新鮮氣體。[1]

歷史

早期

1670年,荷蘭的物理學家惠更斯用火藥在汽缸內燃燒,熱能膨脹推動活塞運動,形成了現代「內燃機」的工作原理[3]

1801年,法國化學家菲利埔·勒本英語Philippe le Bon發明了煤氣氫氣內燃機,他採用煤乾餾得到的煤氣和氫氣,與空氣混合後點燃產生膨脹力推動活塞。

1862年,法國工程師艾蒂安·勒努瓦發明以天然氣為原料的二衝程臥式內燃機[4]

近代

在18世紀開始廣泛使用的蒸汽機(為外燃機)促進了當時工業化的發展,但是其效率較低,結構笨重,與此同時,內燃機基本仍處於試驗階段。

1860年,比利時工程師艾蒂安·勒努瓦以蒸汽機為藍本,製成了首台燃氣發動機(以天然氣為燃料),同時也是世界上第一台實用的內燃機,獲得了專利並批量生產。儘管這台內燃機的效率僅有2%-3%,但其宣告了蒸汽時代即將結束。[5][6]

德國工程師尼古拉斯·奧托在1862年-1876年間,使得燃氣發動機的熱效率達到了10%,這通過較高的氣體熱膨脹來實現。因為此發動機效率高出同期產品一倍,在1867年的巴黎博覽會上榮獲了最高獎。1876年,奧拓製成了「新奧托發動機」(德語Neuer Otto-Motor),引入了壓縮行程的概念,氣體可以被壓縮至2.36巴,將效率進一步提高至12%,這即為四衝程發動機的原型,即奧托循環。不過這台發動機使用煤氣為燃料,阻礙了其推廣。[5]

在1885年,戈特利布·戴姆勒製成了第一台汽油機,並於次年造出第一輛用汽油機驅動的汽車[7]

魯道夫·狄塞爾在1893年也製成了一台四衝程發動機,即世界首台柴油機。空氣在壓縮行程中被活塞劇烈壓縮而產生高溫,之後燃料被噴入氣缸,隨即發生自燃。通過大幅高壓縮比的方法,使得效率接近了27%。不過早期的燃料都是依靠空氣被噴射入氣缸的,直至1922年博世開發出了機械噴射裝置。[8]

1903年,挪威工程師埃吉迪烏斯·艾林製成了一台燃氣渦輪發動機,這是首台能靠燃燒產生的動力對外做功的燃氣渦輪發動機,因此他也被稱作燃氣渦輪發動機之父。[9]

德國工程師菲力斯·汪克爾在1929年即獲得了轉子發動機的專利,這種特殊的活塞式發動機因此被廣泛稱作汪克爾發動機,但是發動機的成品直到1950年代才出現。

在1930年代,英國人弗蘭克·惠特爾和德國人漢斯·馮·奧海恩各自取得了渦輪噴氣發動機的專利,而被認為是噴氣發動機的發明人。[10]

分類

內燃機均需要藉助於燃料燃燒,根據工作原理的不同,內燃機可表現出不同的燃燒方式,或者機械能產生與利用方式的區別。內燃機具體實現的技術繁多,從工作原理上可粗略地作如下劃分:(值得注意的是少量噴氣發動機不是內燃機)

 
汽車上常見的四衝程循環的往復活塞式內燃機,其工作方式即為循環燃燒。每次循環可分為如下過程:1. 進氣。2. 壓縮。3. 做功。4. 排氣。
內燃機
循環燃燒

往復活塞式內燃機



轉子發動機



連續燃燒

燃氣渦輪發動機



噴氣發動機




其中循環燃燒是指燃料的燃燒、做功、更換等過程都是可以從時間上區分的,內燃機總是在不斷重複每一次的循環過程。而對於連續燃燒的內燃機而言,所有過程是混合在一起的,或者說時刻都在發生。

內燃機只有在作功的過程才可以產生動能,連續燃燒的內燃機隨時都有混合氣體在推動渦輪,產生動能,但單個循環燃燒的內燃機(轉子發動機除外),只有在做功過程才會產生動能,其他階段不會產生動能,因此轉矩的波動較大。因此有些應用會使用多個內燃機,再用曲軸或其他機種輔助,使各內燃機做功的過程錯開,任一時間都有一內燃機在做功,可以減少轉矩的波動。

往復活塞式內燃機

汽車上最常見的汽油機與柴油機都屬於往復活塞式內燃機。氣缸的內空氣與燃料的混合氣燃燒後,高壓氣體推動曲柄連杆機構產生扭矩,通過曲軸對外做功,即燃料的化學能最終轉化為曲軸旋轉的動能。汽油機一般是點燃式發動機,燃料與空氣的混合氣體在壓縮行程的末端被火花塞點燃,隨即發生爆炸並推動活塞作往復運動;而柴油機也叫壓燃式發動機,燃料一般被噴入氣缸並發生自燃,自燃後的混合氣體也因膨脹而推動了活塞。除了點燃和壓燃這兩種主要方式外,還有複合式燃燒過程,兼具點燃與壓燃式內燃機的特點。[1]

往復活塞式內燃機的工作周期被分為進氣、壓縮、做功、排氣共四個過程。通過進氣與排氣,將燃料與工作介質進行更換,而做功行程則是將熱能轉化為機械能。通過四個衝程(即活塞從氣缸的一端移動向另一端)完成循環的被稱作四衝程循環,汽車發動機多採用這種形式。只需兩個衝程即完成一次循環的被稱作二衝程循環,在較小功率的發動機如摩托車發動機上較為常見,另外還有NEVIS(NEVIS)等方式。

轉子發動機

 
轉子發動機

轉子發動機是一種特殊的活塞式發動機,與往復式發動機的最大區別在於,使用轉子活塞驅動的偏心機構代替了曲柄連杆機構。從側面看,轉子是一個具有凸出弧邊的三角形,氣缸的內壁是余擺線(Trochoid),當轉子旋轉時,轉子的三個頂點沿汽缸壁形成了三個相互分隔的燃燒室,偏心機構使得每個燃燒室的容積不斷改變,與往復活塞式內燃機中活塞上下運動產生的效果類似。轉子每工作一圈,每個燃燒室都能各自完成一次燃燒的循環過程。[1]這種發動機在汽車、摩托車、飛機上有少量使用。

燃氣渦輪發動機

燃氣渦輪發動機是一種連續燃燒的內燃機,其循環的各個狀態的改變發生在空間互相分隔的部件中(壓縮機、燃燒室、渦輪機),彼此通過導流部件相連,燃料的供給、燃燒、更換等過程都是持續的。空氣首先由壓縮機加壓,接著進入燃燒室,燃料同時也被噴入燃燒室,兩者混合燃燒,形成的高溫高壓氣體會推動渦輪,一部分能量用以繼續驅動壓縮機,另一部分則用以對外做功。燃料的化學能最終以渦輪旋轉(旋轉動能)的形式被加以利用,剩餘的氣體則被當作廢氣排出。[1]這種發動機在船舶上有廣泛使用。

噴氣發動機

 
圖示為客機普遍使用的渦輪風扇發動機,藍色氣流為未經過燃燒,紅色氣流為燃燒產生,共同向後施加作用力,可獲得向前的動力。

大多數的噴氣發動機都是內燃機,其燃燒過程也是連續的。一般在噴氣發動機中,燃燒產生的高壓氣流向外噴射,依據牛頓第三定律產生的反作用力形成推力,如此在理論上即使位於真空的環境中也能夠產生推力,不過也有一些例外,比如渦輪風扇發動機中的一部分氣流並未經過燃燒,使這種發動機兼具渦輪噴氣發動機與渦輪螺旋槳發動機的特點。大部分內燃機是使高溫氣體推動機械裝置旋轉的形式對外作功,即能量最後以旋轉動能的方式呈現,而在許多噴氣發動機中,可對外作功的能量以高溫氣體的動能為最終表現形式。噴氣發動機的種類繁多,在飛機上有廣泛使用。

火箭發動機基本都屬於噴氣發動機,[11] 不過少數使用電能核能太陽能等的火箭發動機不屬於熱機範疇,自然也就不是內燃機。

燃料

內燃機使用的燃料非常廣泛,一般都是碳氫化合物,[1]比較常見的有:

氧化劑

內燃機的燃料需要氧化才能產生能量,因此也需要氧化劑。最常見的氧化劑是空氣中的氧氣,好處是不需另外儲存,可以提昇功率重量比及功率體積比,在一些特別應用中會需要其他的氧化劑,可能是因為提昇功率,或是在水底或太空等沒有空氣的場合:以下是一些曾用到內燃機中,不是空氣的氧化劑。

  • 壓縮空氣曾用在魚雷上。
  • 加入一些壓縮空氣的壓縮氧氣,曾用在日製的93型魚雷,有些潛水艇會用純氧,火箭上會使用液氧
  • 在一些賽車用油中會加入硝基甲烷,以提昇功率並控制燃燒。
  • 戰術飛機會用二氧化氮及額外的汽油來提昇瞬間的沖力,有些特種車輛及伯特·魯坦的航天火箭也是如此。
  • 在二次大戰時德國曾研究用過氧化氫作為潛水艇的氧化劑,有些非核子動力的潛水艇、火箭(黑箭號運載火箭)及戰鬥機(Me 163戰鬥機)也使用過氧化氫作為氧化劑。
  • 氯氣及氟氣也曾在實驗室中用作內燃機的氧化劑,但沒有實務上的應用。

冷卻

作為一種熱機,內燃機通常需要冷卻,最主要的冷卻方式為風冷水冷[1]

  • 風冷:利用空氣壓力和/或風扇使冷卻空氣流經散熱片。
  • 水冷:汽車普遍使用的冷卻方式,由循環流動的液體的為內燃機降溫,不過冷卻用的液體不一定是水。

空氣和噪音污染

空氣污染

內燃機(例如往復式內燃機)在工作時會由於含碳燃料的不完全燃燒而排放大氣污染物[15]內燃機的最重要排放物是二氧化碳、水汽和一些碳黑顆粒物。取決於工作狀況和油氣比例,內燃機還會排放一氧化碳氮氧化物硫化物(主要是二氧化硫)和一些未燃燒的碳氫化合物。

噪音污染

內燃機工作時會產生顯著的噪音污染。比如公路上的汽車會產生噪音,飛機飛行時也會產生噴氣噪音(尤其是超音速飛機)。火箭發動機產生的噪音最大。

相關條目

您可以在維基教科書中查找此百科條目的相關電子教程:

參考資料

  1. ^ 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 Robert Bosch GmbH. Automotive Handbook. Stuttgart: Federal. 2000 (英語). 
  2. ^ 劉崢. 汽車發動機原理教程. 北京: 清華大學出版社有限公司. 2001: p.1. ISBN 7302046778. 
  3. ^ 清華大學 自然辯證法教研組. 科學技術史講義. 北京: 清華大學. 2007: p170. 
  4. ^ 世界汽車發展史(連載二). 瀚達汽車學院. 2011-04-15 [2013-10-07]. 
  5. ^ 5.0 5.1 Wachtmeister, G. Skriptum zur Vorlesung Verbrennungsmotor. Munich: TUM. 2009 (德文). 
  6. ^ Scientific American: 193. 
  7. ^ 新華汽車. 傳奇的汽車史詩 探訪奔馳博物館. 新華新聞 (新華網). 2012-01-06 [2013-10-08]. 
  8. ^ 陸耀祖. 《內燃機構造與原理》. 北京: 中國建材工業出版社. 2004. ISBN 9787801595386. 
  9. ^ Ægidius Elling. [2012-08-21] (Norwegian). 
  10. ^ Jet Engines - Hans von Ohain and Sir Frank Whittle. [2012-08-21] (英語). 
  11. ^ George P. Sutton and Oscar Biblarz. Rocket Propulsion Elements 7th. Wiley Interscience. 2001. ISBN 0-471-32642-9. 
  12. ^ 汽車用液化石油氣. 博文網. [2012-08-22]. 
  13. ^ 美欲將壓縮天然氣用作輕型汽車燃料. 科學網. [2012-08-22]. 
  14. ^ 廣東中山千輛天然氣公交出租車10月上路. 新華網. [2012-08-22]. 
  15. ^ Stationary Internal Combustion Engines. EPA. [2013-11-05].