内燃机简介
摘要
内燃机的出现为汽车的发展提供了基础，给世界带来了现代物质文明。本文简单介绍了内燃机的发展历程、常用工作指标、总体构造，以及内燃机的工作原理，使大家能对与我们生活有密切联系的内燃机有个初步认识。内燃机是近代工业文明发展的产物，以其简单、经济取代了蒸汽机，通过科学家的不断研究，内燃机已经成为现代交通运输工具的主要动力。
关键词：内燃机，发展历史，工作指标，总体构造，工作原理
一、绪论
内燃机是热机的一种，能将燃料的化学能转化机械能。一般的实现方式为，燃料与空气混合燃烧，产生热能，气体受热膨胀，通过机械装置转化为机械能对外做功。内燃机有非常广泛的应用，汽车、船舶、飞机、火箭等的发动机基本都是内燃机，其最常见的例子即为车用汽油机与柴油机。
广义上的内燃机不仅包括往复活塞式内燃机、旋转活塞式发动机和自由活塞式发动机，也包括旋转叶轮式的燃气轮机、喷气式发动机等，但通常所说的内燃机是指活塞式内燃机。
区别于外燃机，内燃机的燃烧气体同时也是工作介质，比如汽油机中，汽油燃烧后的气体直接推动活塞做功。与此相对，燃料不作为工作介质的热机则称为外燃机，比如蒸汽机的工作介质（蒸汽）并不是燃料。
二、内燃机的发展历史
活塞式内燃机起源于荷兰物理学家惠更斯用火药爆炸获取动力的研究，但因火药燃烧难以控制而未获成功。1801年，法国化学家菲利浦·勒本研制成以煤气和氢气为燃料的内燃机。1824年，卡诺（Sadi Camot）发表了热力机的基本理论——卡诺原理。
之后人们又提出过各种各样的内燃机方案，但在十九世纪中叶以前均未付诸实用。直到1860年，法国的莱诺伊尔（Lenoir）模仿蒸汽机的结构，设计制造出第一台实用的煤气机，从而结束了只有外燃机——蒸汽机作为动力机构的历史，开始了以内燃机为主的动力机械及工程时代。Lenoir的煤气机运转平稳，但由于没有压缩过程，其热效率仅有4%左右。
1862年，法国科学家罗沙（Beau De Rochse）对内燃机热力过程进行理论分析之后，提出了等容燃烧的四冲程循环工作原理，这是一次认识上的飞跃，一直沿用至今。
1876年，德国发明家奥托（Otto）运用罗沙的原理，创制成功第一台往复活塞式、单缸、卧式、3.2千
瓦的四冲程内燃机，仍以煤气为燃料，采用火焰点火，转速为156.7转/分，压缩比为2.66，其热效率提高到16%，是Lenoir内燃机热效率的4倍，应用普遍。这被认为是内燃机发展史上的第一次重大技术突破。
随着石油工业的出现和发展，为内燃机使用热值比煤气高得多的液体燃料提供了能源条件。1886年，德国人Gottlieb Daimler和Karl Benz研制出高速汽油机并将其成功地装在车辆上运行，因而这一年被公认为汽车的诞生年。1893年，德国人Rudolf Diesel发表了压燃式内燃机的工作原理，二年之后研制出水冷、高压空气喷射燃油的压燃式内燃机，使热效率提高到24%，这被认为是内燃机发展史上的第二次重大技术突破。
随着制造工艺水平的提高，1925年德国建成了专业化的喷油泵生产厂，使柴油机用于车辆上成为可能。1926年瑞士人Alfred J Buchi提出了废气涡轮增压理论。但直至1950年以后，随着燃气轮机技术的成熟，废气涡轮增加技术才逐渐在柴油机上广泛应用，使柴油机的性能指标有了大幅度提高。这是内燃机发展史上的第三次重大技术突破。
汽车发动机构造
此后，内燃机的发展与总体设计、制造工艺水平的提高和能源、环境的要求紧密相联。20世纪60年代，以动力性、可靠性和耐久性为主要目标。20世纪70年代，出现了第一次石油危机，因而经济性占据了主要位置，低油耗的经济型轿车风靡全球。20世纪80—90年代，环境污染日益严重，排放问题突出，因而
低排放、甚至零排放的动力机械才具有生命力。液化石油气、天然气、电动、燃料电池和太阳能等汽车相继问世。汽油机、柴油机也转向追求综合性的高指标，各项性能全面发展。
三、内燃机的常用工作指标
内燃机的工作指标很多，主要有动力性能指标(功率、转矩、转速)、经济性能指标(燃料与润滑油消耗率)、运转性能指标(冷起动性能、噪声和排气品质)和耐久可靠性指标(大修或更换零件之间的最长运行时间与无故障长期工作能力)。我们最常用到的是表征动力性能指标和经济性能指标的各种参数。
3.1 示功图
内燃机气缸内部实际进行的工作循环是非常复杂的，为获得正确反映气缸内部实际情况的试验数据，通常利用不同型式的示功器或内燃机数据采集系统来观察或记录相对于不同活塞位置或曲轴转角时气缸内工质压力的变化，所得的结果即为p−V示功图或p−φ示功图。
图3-1四冲程内燃机的p−φ图
从示功图可以观察到内燃机工作循环的不同阶段(压缩、燃烧、膨胀)以及进气、排气行程中的压力变化，通过数据处理，运用热力学知识，将它们与所积累的试验数据进行分析比较，可以对整个工作过程或工作过程的不同阶段进展的完善程度作出正确的判断。因此，示功图是研究内燃机工作过程的重要试验数据。
3.2 指示性能指标
内燃机的指示性能指标是指以工质对活塞做功为基础的指标。
指示功是指气缸内完成一个工作循环所得到的有用功W i，大小可由示功图中闭合曲线所占有的面积求出。
W i=∫p dV
平均指示压力p mi，是指单位气缸容积一个循环所做的指示功，单位为Pa。
p mi=W i s
式中，V s为发动机气缸工作容积（m3）。
指示功率P i指内燃机单位时间内所作的指示功。
P i=2p mi V s n τi
式中，i为气缸数，τ为冲程数。
指示热效率是发动机实际循环指示功与所消耗的燃料热量的比值。
ηit=W i 1
指示燃油消耗率是指单位指示功的耗油量，通常用单位千瓦小时指示功的耗油量克数来表示。
b i=B
P i
×103
3.3 有效性能指标
上面所讨论的指示性能指标只能评定工作循环进行的好坏，发动机发出的指示功率需扣除运动件的摩擦
功率以及驱动气门机构、风扇、机油泵、发电机等附件所消耗的功率后才能变为曲轴的有效输出，所有这些消耗功率的总和称为机械损失功率P m，从而有效功率
P e=P i−P m
有效功率与指示功率之比称为机械效率，即
ηm=P e i
内燃机的有效功率P e(kW)可以利用各种型式的测功器和转速计分别测出发动机在某一工况下曲轴的输出转矩T tq及在同一工况下的发动机转速n，按以下公式求得:
P e=T tq 2πn
×10−3=
T tq n
平均有效压力可看作是一个假想的、平均不变的压力作用在活塞顶上，使活塞移动一个冲程所做的功等于每循环所做的有效功。平均有效压力是衡量发动机动力性能的一个很重要的参数。
p me=30τP e s
升功率P L(kW／L)的定义是在标定工况下，发动机每升气缸工作容积所发出的有效功率。
P L=P e
s
=
p me n
若把每循环吸入气缸的空气量换算成进气管状态（p s，T s）的体积V1，其值一般要比活塞排量V s小，两者的比值定义为充量系数ϕc，即
ϕc=V1 V s
燃烧单位质量燃料的实际空气量与理论空气量之比称为过量空气系数ϕa，即
ϕa=m1 b0
式中，g b为每循环燃料供给量（kg）；l0为单位质量燃料完全燃烧所需的理论空气质量，称为化学计量比。
衡量发动机经济性能的重要指标是有效热效率ηet和有效燃油消耗率b e。
有效热效率是实际循环的有效功与为得到此有效功所消耗的热量的比值，即
ηet=W e
1
=
W iηm
1
ηet=ηitηm
有效燃油消耗率是指单位有效功的耗油量，通常用单位千瓦小时有效功所消耗的燃料克数b e来表示，即
b e=B
e
×103
四、内燃机的总体构造
内燃机是一部由许多机构和系统组成的复杂机器。典型的汽车发动机主要有“两大机构”和“五大系统”。
4.1 曲柄连杆机构
曲柄连杆机构的功用是将燃烧时产生的热能转变为活塞往复运动的机械能，再通过连杆将活塞的往复运动变为曲轴的旋转运动，从而对外输出动力。
图4-1 曲柄连杆机构
4.2 配气机构
配气机构的功用是根据发动机的工作顺序和工作过程，定时开启和关闭进气门和排气门，使可燃混合气或空气进入气缸，并使废气从气缸内排出，实现换气过程。
图4-2 配气机构
4.3 冷却系统
冷却系统的功用是使发动机在所有工况下都保持在适当的温度范围。