內燃機原理

內燃機是一種動力機械，它是通過使燃料在機器內部燃燒，並將其放出的熱能直接轉換為動力的熱力發動機。

廣義上的內燃機不僅包括往複活塞式內燃機、旋轉活塞式發動機和自由活塞式發動機，也包括旋轉葉輪式的燃氣輪機、噴氣式發動機等，但通常所說的內燃機是指活塞式內燃機。

活塞式內燃機以往複活塞式最為普遍。活塞式內燃機將燃料和空氣混合，在其氣缸內燃燒，釋放出的熱能使氣缸內產生高溫高壓的燃氣。燃氣膨脹推動活塞作功，再通過曲柄連桿機構或其他機構將機械功輸出，驅動從動機械工作。

全書共八章，分別講述內燃機工作循環與性能指標，內燃機換氣過程與增壓技術，內燃機燃料與燃燒，汽油機的燃燒過程及排放控制，汽油機管理系統，柴油機混合氣形成與燃燒，柴油機燃料噴射與霧化，內燃機特性與匹配。

本書可作為熱能與動力機械工程專業及其相關專業的本科生、碩士研究生教材，也可供從事內燃機研究開發的工程技術人員參考。

活塞式內燃機自19世紀60年代問世以來，經過不斷改進和發展，已是比較完善的機械。它熱效率高、功率和轉速範圍寬、配套方便、機動性好，所以獲得了廣泛的應用。全世界各種類型的汽車、拖拉機、農業機械、工程機械、小型移動電站和戰車等都以內燃機為動力。海上商船、內河船舶和常規艦艇，以及某些小型飛機也都由內燃機來推進。世界上內燃機的保有量在動力機械中居首位，它在人類活動中佔有非常重要的地位。

活塞式內燃機起源於用火藥爆炸獲取動力，但因火藥燃燒難以控制而未獲成功。1794年，英國人斯特里特提出從燃料的燃燒中獲取動力，並且第一次提出了燃料與空氣混合的概念。1833年，英國人賴特提出了直接利用燃燒壓力推動活塞作功的設計。

之後人們又提出過各種各樣的內燃機方案，但在十九世紀中葉以前均未付諸實用。直到1860年，法國的勒努瓦模仿蒸汽機的結構，設計製造出第一台實用的煤氣機。這是一種無壓縮、電點火、使用照明煤氣的內燃機。勒努瓦首先在內燃機中採用了彈力活塞環。這台煤氣機的熱效率為4%左右。

英國的巴尼特曾提倡將可燃混合氣在點火之前進行壓縮，隨後又有人著文論述對可燃混合氣進行壓縮的重要作用，並且指出壓縮可以大大提高勒努瓦內燃機的效率。1862年，法國科學家羅沙對內燃機熱力過程進行理論分析之後，提出提高內燃機效率的要求，這就是最早的四衝程工作循環。

1876年，德國發明家奧託運用羅沙的原理，創製成功第一台往複活塞式、單缸、卧式、3.2千瓦(4.4馬力)的四衝程內燃機，仍以煤氣為燃料，採用火焰點火，轉速為156.7轉/分，壓縮比為2.66，熱效率達到14%，運轉平穩。在當時，無論是功率還是熱效率，它都是最高的。

奧托內燃機獲得推廣，性能也在提高。1880年單機功率達到11～15千瓦(15～20馬力)，到1893年又提高到150千瓦。由於壓縮比的提高，熱效率也隨之增高，1886年熱效率為15.5%，1897年已高達20～26%。1881年，英國工程師克拉克研製成功第一台二衝程的煤氣機，並在巴黎博覽會上展出。

隨著石油的開發，比煤氣易於運輸攜帶的汽油和柴油引起了人們的注意，首先獲得試用的是易於揮發的汽油。1883年，德國的戴姆勒創製成功第一台立式汽油機，它的特點是輕型和高速。當時其他內燃機的轉速不超過200轉/分，它卻一躍而達到800轉/分，特別適應交通動輸機械的要求。1885～1886年，汽油機作為汽車動力運行成功，大大推動了汽車的發展。同時，汽車的發展又促進了汽油機的改進和提高。不久汽油機又用作了小船的動力。

1892年，德國工程師狄塞爾受麵粉廠粉塵爆炸的啟發，設想將吸入氣缸的空氣高度壓縮，使其溫度超過燃料的自燃溫度，再用高壓空氣將燃料吹入氣缸，使之著火燃燒。他首創的壓縮點火式內燃機(柴油機)於1897年研製成功，為內燃機的發展開拓了新途徑。

狄塞爾開始力圖使內燃機實現卡諾循環，以求獲得最高的熱效率，但實際上做到的是近似的等壓燃燒，其熱效率達26%。壓縮點火式內燃機的問世，引起了世界機械業的極大興趣，壓縮點火式內燃機也以發明者而命名為狄塞爾引擎。

這種內燃機以後大多用柴油為燃料，故又稱為柴油機。1898年，柴油機首先用於固定式發電機組，1903年用作商船動力，1904年裝於艦艇，1913年第一台以柴油機為動力的內燃機車製成，1920年左右開始用於汽車和農業機械。

早在往複活塞式內燃機誕生以前，人們就曾致力於創造旋轉活塞式的內燃機，但均未獲成功。直到1954年，聯邦德國工程師汪克爾解決了密封問題后，才於1957年研製出旋轉活塞式發動機，被稱為汪克爾發動機。它具有近似三角形的旋轉活塞，在特定型面的氣缸內作旋轉運動，按奧托循環工作。這種發動機功率高、體積小、振動小、運轉平穩、結構簡單、維修方便，但由於它燃料經濟性較差、低速扭矩低、排氣性能不理想，所以還只是在個別型號的轎車上得到採用。

往複活塞式內燃機的組成部分主要有曲柄連桿機構、機體和氣缸蓋、配氣機構、供油系統、潤滑系統、冷卻系統、起動裝置等。

氣缸是一個圓筒形金屬機件。密封的氣缸是實現工作循環、產生動力的源地。各個裝有氣缸套的氣缸安裝在機體里，它的頂端用氣缸蓋封閉著。活塞可在氣缸套內往複運動，並從氣缸下部封閉氣缸，從而形成容積作規律變化的密封空間。燃料在此空間內燃燒，產生的燃氣動力推動活塞運動。活塞的往複運動經過連桿推動曲軸作旋轉運動，曲軸再從飛輪端將動力輸出。由活塞組、連桿組、曲軸和飛輪組成的曲柄連桿機構是內燃機傳遞動力的主要部分。

活塞組由活塞、活塞環、活塞銷等組成。活塞呈圓柱形，上面裝有活塞環，藉以在活塞往複運動時密閉氣缸。上面的幾道活塞環稱為氣環，用來封閉氣缸，防止氣缸內的氣體漏泄，下面的環稱為油環，用來將氣缸壁上的多餘的潤滑油刮下，防止潤滑油竄入氣缸。活塞銷呈圓筒形，它穿入活塞上的銷孔和連桿小頭中，將活塞和連桿聯接起來。連桿大頭端分成兩半，由連桿螺釘聯接起來，它與曲軸的曲柄銷相連。連桿工作時，連桿小頭端隨活塞作往複運動，連桿大頭端隨曲柄銷繞曲軸軸線作旋轉運動，連桿大小頭間的桿身作複雜的搖擺運動。

曲軸的作用是將活塞的往複運動轉換為旋轉運動，並將膨脹行程所作的功，通過安裝在曲軸後端上的飛輪傳遞出去。飛輪能儲存能量，使活塞的其他行程能正常工作，並使曲軸旋轉均勻。為了平衡慣性力和減輕內燃機的振動，在曲軸的曲柄上還適當裝置平衡質量。

氣缸蓋中有進氣道和排氣道，內裝進、排氣門。新鮮充量(即空氣或空氣與燃料的可燃混合氣)經空氣濾清器、進氣管、進氣道和進氣門充入氣缸。膨脹后的燃氣經排氣門、排氣道和排氣管，最後經排氣消聲器排入大氣。進、排氣門的開啟和關閉是由凸輪軸上的進、排氣凸輪，通過挺柱、推桿、搖臂和氣門彈簧等傳動件分別加以控制的，這一套機件稱為內燃機配氣機構。通常由空氣濾清器、進氣管、排氣管和排氣消聲器組成進排氣系統。

為了向氣缸內供入燃料，內燃機均設有供油系統。汽油機通過安裝在進氣管入口端的化油器將空氣與汽油按一定比例(空燃比)混合，然後經進氣管供入氣缸，由汽油機點火系統控制的電火花定時點燃。柴油機的燃油則通過柴油機噴油系統噴入燃燒室，在高溫高壓下自行著火燃燒。

內燃機氣缸內的燃料燃燒使活塞、氣缸套、氣缸蓋和氣門等零件受熱，溫度升高。為了保證內燃機正常運轉，上述零件必須在許可的溫度下工作，不致因過熱而損壞，所以必須備有冷卻系統。

內燃機不能從停車狀態自行轉入運轉狀態，必須由外力轉動曲軸，使之起動。這種產生外力的裝置稱為起動裝置。常用的有電起動、壓縮空氣起動、汽油機起動和人力起動等方式。

內燃機的工作循環由進氣、壓縮、燃燒和膨脹、排氣等過程組成。這些過程中只有膨脹過程是對外作功的過程，其他過程都是為更好地實現作功過程而需要的過程。按實現一個工作循環的行程數，工作循環可分為四衝程和二衝程兩類。

四衝程是指在進氣、壓縮、膨脹和排氣四個行程內完成一個工作循環，此間曲軸旋轉兩圈。進氣行程時，此時進氣門開啟，排氣門關閉。流過空氣濾清器的空氣，或經化油器與汽油混合形成的可燃混合氣，經進氣管道、進氣門進入氣缸；壓縮行程時，氣缸內氣體受到壓縮，壓力增高，溫度上升；膨脹行程是在壓縮上止點前噴油或點火，使混合氣燃燒，產生高溫、高壓，推動活塞下行並作功；排氣行程時，活塞推擠氣缸內廢氣經排氣門排出。此後再由進氣行程開始，進行下一個工作循環。

二衝程是指在兩個行程內完成一個工作循環，此期間曲軸旋轉一圈。首先，當活塞在下止點時，進、排氣口都開啟，新鮮充量由進氣口充入氣缸，並掃除氣缸內的廢氣，使之從排氣口排出；隨後活塞上行，將進、排氣口均關閉，氣缸內充量開始受到壓縮，直至活塞接近上止點時點火或噴油，使氣缸內可燃混合氣燃燒；然後氣缸內燃氣膨脹，推動活塞下行作功；當活塞下行使排氣口開啟時，廢氣即由此排出活塞繼續下行至下止點，即完成一個工作循環。

內燃機的排氣過程和進氣過程統稱為換氣過程。換氣的主要作用是儘可能把上一循環的廢氣排除乾淨，使本循環供入儘可能多的新鮮充量，以使儘可能多的燃料在氣缸內完全燃燒，從而發出更大的功率。換氣過程的好壞直接影響內燃機的性能。為此除了降低進、排氣系統的流動阻力外，主要是使進、排氣門在最適當的時刻開啟和關閉。

實際上，進氣門是在上止點前即開啟，以保證活塞下行時進氣門有較大的開度，這樣可在進氣過程開始時減小流動阻力，減少吸氣所消耗的功，同時也可充入較多的新鮮充量。當活塞在進氣行程中運行到下止點時，由於氣流慣性，新鮮充量仍可繼續充入氣缸，故使進氣門在下止點后延遲關閉。

排氣門也在下止點前提前開啟，即在膨脹行程後部分即開始排氣，這是為了利用氣缸內較高的燃氣壓力，使廢氣自動流出氣缸，從而使活塞從下止點向上止點運動時氣缸內氣體壓力低些，以減少活塞將廢氣排擠出氣缸所消耗的功。排氣門在上止點后關閉的目的是利用排氣流動的慣性，使氣缸內的殘餘廢氣排除得更為乾淨。

內燃機性能主要包括動力性能和經濟性能。動力性能是指內燃機發出的功率(扭矩)，表示內燃機在能量轉換中量的大小，標誌動力性能的參數有扭矩和功率等。經濟性能是指發出一定功率時燃料消耗的多少，表示能量轉換中質的優劣，標誌經濟性能的參數有熱效率和燃料消耗率。

內燃機未來的發展將著重於改進燃燒過程，提高機械效率，減少散熱損失，降低燃料消耗率；開發和利用非石油製品燃料、擴大燃料資源；減少排氣中有害成分，降低雜訊和振動，減輕對環境的污染；採用高增壓技術，進一步強化內燃機，提高單機功率；研製複合式發動機、絕熱式渦輪複合式發動機等；採用微處理機控制內燃機，使之在最佳工況下運轉；加強結構強度的研究，以提高工作可靠性和壽命，不斷創製新型內燃機

搜遍發動機新技術，變氣門，變升程，變相位，甚至停掉幾個缸的技術都出來了，就是沒有敢說他能在行進中連續變缸徑的！但有等效的。

一種最酷的發動機技術，這種發動機有一個桶形缸體，桶底后，桶底中間有圓孔。還有一個缸體，好像一根筷子穿過一張厚的圓餅並粘合，筷子就是軸，這個軸也穿過桶形缸體底部的孔，餅形體也納入桶中，封閉成一個空心圓柱體的缸腔。這個缸腔的容積是可以變化的，比如只要固定桶，用機械裝置或者液壓裝置抽動軸就可以實現。

桶底從圓孔的邊到桶的內避割條縫，插入一個矩形板；餅面從圓邊到軸割條縫，也插入一塊矩形板，兩塊矩形板可以把缸腔一分為二，成為兩個密封缸腔，第一密封缸腔和第二密封缸腔。其中一個密封缸腔從桶壁的矩形板本側開口，充入高壓氣體，或充入油氣混合物並點燃；第二密封腔從桶壁上與前一開口相隔一個矩形板的位置開口放氣。固定桶，矩形板就牽引餅和筷子轉動，反過來也行。

第一個密封腔從最小、充氣到轉過一定相位（轉角）就停止供氣，可以用閥門或者控制油氣供應量來實現。由於高壓氣體膨脹，裝置會繼續轉動，第一密封缸腔內的氣壓會降低，直到稍微低於環境氣壓，這樣會產生轉動阻力。於是第二個矩形板需要在頭部靠近邊緣開一個孔，安裝單向閥，向內補氣。如果當初的氣壓適當，在第二塊矩形板轉到第二開口的時候，第一密封缸腔的氣壓正好等於或接近於環境氣壓，這是最經濟的。第三種情況是還有少量余壓。

當兩個矩形板快要相遇的時候，需要避讓。於是從桶的裙部內圓刻成曲線滑槽，裝上滑動塊，滑動塊與第二塊矩形板連接；從軸穿出桶底的一側套裝一個空心圓柱體，外圓面刻曲線滑槽，裝上滑動塊，與第一塊矩形板連接。滑槽由圓和擺線構成，控制矩形板前沖、頂住和抽回。桶底和餅都夠厚，所以不會抽脫。第二塊矩形板在轉動方向上，和餅一塊轉動；在軸向上，則由桶上的滑槽控制，所以變換容積的時候仍能抵住桶的底部。同樣道理，第一塊矩形板總是能抵住餅的內表面。

這種裝置在一個著力面上沿弧形軌跡，把高壓氣體的內能轉化為動能，是一種動力機械裝置。反過來，也可以在機械的帶動下反向轉動，製取壓縮空氣，或者作為一個剎車器。做一個容量小的壓氣裝置，製取高壓油氣，配上點火裝置，再做一個容量動力機械裝置，將燃燒后大量高溫高壓氣體的內能轉化為動能，就是一台發動機。

它做功的軌跡是一段弧，而且可以無級的改變容量，也就意味著可以改變發動機排量。配合油門，可以改變燃燒后氣壓，靈活改變轉速；改變排量，配合變速器，在一定範圍內可以適應各種負荷，而且採取上述“最經濟的”方式。如果多套矩形板對置使用，可以減輕軸的彎曲；它是連續排氣的，因而噪音低；可以多套缸錯相聯軸，動力平穩。它可以最大限度的減少余壓排放，而且在不同負載下都能採取最經濟的工況，所以是好用節能技術。