发动机简介
编辑发动机（Engine）是一种能把其他形式的能转化为机械能的装置。在短短200年的时间里，发动机从蒸汽动力发展到燃料动力、电力动力，甚至是核能动力。未来的发动机更倾向于使用清洁燃料来保护环境。按其类型，主要可分为外燃机、内燃机、电动机、液压机、燃气轮机、喷气发动机等。通常用一些基本参数来描述一台发动机，如气缸的排列、气缸的数量、气门的数量、排量、最大输出功率、最大扭矩等。日常生活中最常见的发动机是汽油发动机和柴油发动机，汽油发动机有两大机构和五大系统，而柴油发动机相比汽油发动机缺乏点火系统。一般来说，工作过程包括四个阶段，即进气冲程、压缩冲程、动力冲程和排气冲程。喷气发动机通常用于航空航天工业，而燃气轮机则用于船舶等领域。
发动机发展简史
编辑现代社会的进步离不开发动机。从火车、飞机到火箭、汽车和发电厂，无一例外都需要发动机作为主要驱动力。在短短200年的时间里，发动机已经从蒸汽动力发展到核动力。在过去。“发动机”一词指的是几乎所有的机器，包括水车。严格来说，发动机是一种通过燃烧燃料产生热能和一些有用运动的装置，称为热机。第一批发动机是用水加热以获得蒸汽;后来，汽油发动机和柴油发动机相继出现。未来的发动机可能会燃烧氢或其他“清洁”燃料来保护环境。
12、13世纪，西方经历了一场机械革命，这是由“水力”和“风力”实现的“初级动力”。虽然这种动力功率很低，每个水轮只有2-5马力，风磨时可以达到5甚至10马力，但在能源供应紧张的经济中，它已经成为一种重要的辅助动力。
通过蒸汽机的革命，人类掌握了新能源的利用技术，同时推动了能源利用技术及相关技术的发展。1769年，世界上最早的蒸汽三轮车出现了。1875年发明了热弯管锅炉，大大减小了锅炉的体积，消除了锅炉爆炸的危险。这项发明不仅提高了蒸汽车的质量，而且改善了原有蒸汽车起步性能差的问题，并于1902年制造出了世界上最快的赛车。因此，蒸汽机作为第一代汽车原动机被广泛使用。从19世纪末到20世纪初，蒸汽动力汽车达到了顶峰，并逐渐被新兴的发动机——内燃机所取代。
1873年，英国科学家进行了铅锌电池与电动机的组合实验，电动机作为一种新型的原动机出现在人们的视野中。1920年，美国迎来了电动汽车的高峰期，一直持续到1939年。直到汽油机的蓬勃发展，电动汽车才因为自身的缺点逐渐被淘汰。
在法国巴黎定居的科学家雷诺于1858年发明了燃气发动机，并于1860年申请了专利。发动机使用气体和空气的混合物来代替往复式蒸汽机的蒸汽，利用电池和感应线圈产生电火花，点燃混合物使其爆炸。这种发动机有汽缸、活塞、连杆、飞轮和其他结构。燃气发动机是内燃机的初始产品，因为它的压缩比为零。
1867年，德国科学家奥托受到雷诺公司研制的燃气发动机的启发，在广泛研究的基础上，制造了卧式气动燃气发动机。经过改进后，于1878年在法国举行的国际展览会上展出。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·迪塞尔于1897年制造了第一台柴油发动机，从概念到实施花了20年时间。
1957年，瑞士科学家乔治·w·布什提出了废气涡轮增压理论，利用发动机排出的废气的能量驱动压气机，使发动机增压。20世纪50年代以后，废气涡轮增压技术逐渐开始应用于汽车内燃机，大大提高了发动机的性能，成为内燃机发展史上的重大突破。1957年，德国科学家万克尔发明了旋转活塞发动机。德国博世公司于1967年首次推出了由电子计算机控制的汽油喷射系统。
经过长期发展，核电已逐渐成为发动机的主要能源之一。它不仅提供了长期稳定的能源供应，而且在保护能源和改善人类生存环境方面发挥着重要作用。
发动机种类
编辑外燃机
外燃机是指燃料在缸外即锅炉内燃烧的装置。锅炉燃烧时释放的热能加热水，将液态流体转化为蒸汽，然后将蒸汽引入发动机进行汽缸膨胀做功。外燃机主要包括蒸汽机和汽轮机。与内燃机相比，外燃发动机可以避免传统内燃机所存在的爆轰问题，从而在运行过程中提高效率，降低噪音，减少污染，节约成本。
内燃机
内燃机是动力机械的一种，它是一种热机，在机器内部燃烧燃料，直接将释放的热量转化为动力。按燃料可分为柴油和汽油发动机，按气缸数可分为单缸和多缸发动机，按冷却方式可分为风冷和水冷发动机。为了便于各类内燃机的生产、鉴定和使用，国家建立了相应的名称和型号编号规则，主要包括四大部分。一台完整的内燃机主要由两大机构和五大系统组成。它们是曲柄连杆机构、气门分配机构、供油系统、冷却系统、润滑系统、点火系统和起动系统。同时，内燃机热效率高，燃油消耗率低，经济性好;功率范围宽，结构紧凑，重量轻;启动快、操作简单等优点已广泛应用于水陆交通、航空动力、工程机械、军用船舶、农业机械等领域。
燃气轮机
燃气轮机是一种内燃动力机器，它驱动叶轮高速旋转，将燃料的能量转化为有用的功。它是一种旋转叶轮式热机，主要由压气机、燃烧室和水轮机三部分组成。燃气轮机在运行过程中从高温气体中吸收能量，高温气体是燃烧汽油或天然气形成的压缩气流。从机械角度来看，燃气轮机比内燃活塞发动机简单。
喷气发动机
喷气发动机可以将燃料的化学能转化为气体的动能，并以极高的速度向后喷射，产生推力。喷气发动机可分为两类:航空喷气发动机和火箭发动机。喷气发动机使用空气中的氧气作为氧化剂，将燃料与空气混合，产生高温气体，然后迅速喷出以产生推力。火箭发动机依靠自身的氧化剂和燃料燃烧并产生高温高压气体，然后加速并喷出以产生推力。
电动机
电动机是将电能转换成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，在日常生活中得到了广泛的应用。按其用途可分为工业电机、民用电机和特殊用途电机。根据工作原理的不同，可分为直流电机和交流电机。
液压机
液压机利用帕斯卡原理，以油或水为介质，以静压传动为工况，使滑块连续上下运动。按工作介质可分为以油为工作介质的液压机和以水为工作介质的液压机。
发动机基本参数
编辑气缸的排列方式
直列式排列大多数5缸以下的发动机使用直列气缸，一些6缸发动机也使用直列气缸。直列式发动机的气缸呈直线排列，缸盖、缸体、曲轴结构简单，制造成本低，扭矩特性好，运行时油耗少，体积紧凑，应用广泛，但功率较低。
V形排列在一些6缸或8缸及以上的发动机中，气缸一般排成两排，它们的轴形成一个v形角。发动机结构的v型布置更为紧凑，适用于多缸发动机，但其缸体结构复杂，加工成本高。
水平对置式排列对于航空用的活塞式发动机，有一种将曲轴置于相反方向的方法，这种汽缸结构称为水平对置发动机。与其他形式相比，这种气缸配置具有气缸数量多、惯性力平衡好、振动小、部件少、结构简单等优点。对于36.75-220.5kW功率范围的飞机发动机，现在几乎全部采用水平对置发动机，大多数轻型飞机也配备这种类型的发动机。
卧式排列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。
气缸数
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。
气门数
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
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。
最高输出功率
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
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。
效率特性
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。
速度特性
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。
发动机功能结构及原理
编辑内燃机
功能结构
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。
工作原理
编辑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。
喷气式发动机
编辑一般来讲，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。
工作原理
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
编辑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。
功能结构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。
工作原理
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
编辑功能结构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。
工作原理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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