1知识资料刘帆

朽木易折，金石可镂。千里之行，始于足下。第页/共页内燃机机构的发展变迁引言内燃机是我们熟知的发动机中的一种（此外还有外燃机，电动机等），它是一部由多个机构组成的机器（可以称之为机构系统），能将液体或气体燃料与空气举行混合，再直接输入汽缸内部的高压燃烧室燃烧爆发从而产生动力。即内燃机是能将燃料的化学能转化机械能的一种热机。在生活中可以看见到内燃机也有着异常广泛的应用，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。正是如此，人们对于内燃机的研究从来都是不遗余力，作为工业时代大机器生产中许多机器的“心脏”，其发展也有着至关重要的作用。本文将从内燃机的发展变迁入手，着力探索其机构特点。2，内燃机机构概述通过查阅相关资料可以了解到，内燃机最早起源于荷兰物理学家惠更斯用火药爆炸获取动力的研究，但是因为火药燃烧难以控制而未获胜利，却形成了现代“内燃机”的工作原理。。1860年，比利时工程师艾蒂安·勒努瓦以蒸汽机为蓝本，制成了首台燃气发动机（以天然气为燃料），同时也是世界上第一台实用的内燃机，尽管效率惟独2%左右，但却宣告了外燃机（蒸汽机）时代的结束。在此之后，内燃机更是有了长足的发展，其热机效率也不断提高，并进而导致了其在汽车，飞机等上的广泛应用。对于一部详细的内燃机，可以将其分为两大机构——曲柄连杆滑块机构，配气机构，五大系统——燃料供养，润滑，冷却，点火，起动系统等。下面简要的谈谈内燃机的两大机构及其特点。(1)曲柄滑块机构曲柄滑块机构是内燃机的主体机构，它可以看作是由缸体、活塞、连杆和曲轴组成的，当燃气在缸体内腔燃烧膨胀而推进活塞移动时，通过连杆带动曲轴绕其轴线转动。活塞作为输入，将运动和力传递给曲轴作为输出。可以看出，曲柄滑块机构是内燃机实现工作循环并完成能量转化的主要机构，在作功过程中，它可以将燃料燃烧产生的热能通过活塞往复运动、由曲轴旋转运动改变为机械能，对外输出动力；在另外的几个过程中，依赖曲轴的转动惯性、通过连杆带动活塞上下运动，完成循环过程。通过力学上的分析可知，该机构是单自由度的系统，但却在实现能量转化的同时，也实现了运动形式的转化，其作用正如交流电的浮上对电力发展的贡献。下图为曲柄滑块机构。（2）配气机构配气机构普通由气门组，气门传动组和蔼门驱动组组成，它是按照内燃机的工作顺序与过程，定时开启和关闭进出气门，从而使可燃混合气进入气缸，再使废气能从气缸内排出，实现换气过程，为曲柄滑块机构持续的往复运动做基础。按照进出气门在内燃机上的布置方式可以分为侧置气门和顶置气门两类。前者结构容易，但进、排气阻力大，燃烧室难以设计得紧凑，高速性差且燃料消耗率高，因而现代内燃机已很少采用。顶置气门则弥补了上述不足，其动力性能和经济性能都优于侧置气门式，在柴油机和汽油机中得到广泛应用。顶置气门式配气机构又可分为下置凸轮轴和顶置凸轮轴两种。此外，按照曲轴与凸轮轴间的传动方式配气机构还可分为齿轮传动、链传动、齿形带传动三种。分离都有其适用方面，下图分离为配气机构与下置凸轮轴的顶置气门式配气机构。3，内燃机机构的研究现状和发展趋势内燃机均需要借助于燃料燃烧，按照工作原理的不同，内燃机可表现出不同的燃烧方式，或者机械能产生与利用方式的区别。从工作原理上大致可分为往复活塞式内燃机、转子发动机、燃气涡轮发动机和喷气发动机（少量喷气发动机不属于内燃机）。（1）往复活塞式内燃机往复活塞式内燃机是一种利用一个或者多个活塞将压力转换成旋转动能的内燃机。最常用的是利用汽油或者柴油产生压力的。通常都不止一个活塞，每个活塞都在气缸内，燃料－空气混合物被注入其内，然后被点燃。热气膨胀，推进活塞向后运动。活塞的这种直线运动通过连杆和曲轴转换成圆周运动。然而，活塞内燃机现在利用并不是无数，在较小功率的发动机如摩托车发动机上较为常见，它已经被更为高效的涡轮机所取代，并被更多的运用到轿车领域中。（2）转子发动机转子发动机的基本结构是在一个椭圆形的空间中，置入一个曲边三角形形状的转子，转子的三个面将椭圆形空间划分为三个自立的燃烧室。因为转子采偏心运转，因此这些被分隔的自立燃烧室在运转过程中，容积会不断地改变，此型引擎就是利用密闭空间变化的特质来达成四行程运转所需要的进气、压缩、点火与排气过程。其优点是转子每转一圈就做功三次，且体积小，分量轻，故障率小，同时运行平顺，噪音小。再者，转子发动机无需气门开关，高速运转下也能正常启闭，减少了机械损失获得更大功率。不足之处是提升功率较为复杂，点火系统要求郑重切混合汽油因为燃烧时光短燃烧不彻低会排出碳氢化合物造成空气污染。因为转子发动机体积小巧、构造容易，美国柏克莱加州大学的微机电系统汪克尔引擎研究室已经发展出直径1毫米、排气量0.1c.c.的转子发动机；组成的材质包括硅和压缩空气。他们总算的目标是开辟出一具可以供养100毫瓦特电力的内燃机。下图为转子发动机模型。（3）燃气涡轮发动机燃气涡轮发动机主要由压缩器、燃烧室及涡轮等部份构成。空气由进气道进入燃气轮机后，首先由压缩器加压成高压气体，接着由喷油嘴喷出燃油与空气混合后在燃烧室举行燃烧成为高温高压气体，然后进入涡轮段推进涡轮，将热能转换成机械能输出，最后的废气由排气管排出。在由涡轮输出的机械能中，一部份会用来驱动压缩器，另一部份则经由传动轴输出，用以驱动我们希翼驱动的机构如发电机、传动系统等。因为其良好的性能，燃气涡轮机也有着广泛的应用并有着长足的发展。现在的中大型飞机几乎都使用涡轮发动机作为动力来源，因其体积较小而输出动力大，更重要的是没有螺旋桨在高速时所会遭碰到的音障问题，因此也是普通超音速飞机的唯一挑选。另一方面，微型涡轮发动机的研究也十分火热。1990年代，麻省理工学院教授AlanH.Epstein带领开始研拟个人用的燃涡机可以达成所有现代电力需求，其公厘尺寸燃涡机能量比已达锂电池6倍，更有望达到其10倍以上。澳洲发现家已经开始研究这种微电机系统科技(MEMS)为便携式装置供电的可能性，其发明采用芯片产业科技，大多以硅为原料，理论上这种燃气涡轮发动机可以接上发电机来提供电力。（4）喷气发动机喷气发动机是通过加速和排出的高速流体做功的内燃机，既可以输出推力也可以输出轴功率。其基本原理就是我们异常认识的牛顿第三定律——作使劲与反作使劲的关系。喷气发动机的研究有着悠久的历史，早期实践大多因为分量较大推力不足而失败。解决问题的关键是使用由燃气驱动的涡轮来驱动压气机，这样就可以省掉热喷气发动机里面多余的活塞发动机并且提供更大的推力。19世纪三、四十年代，对于喷气发动机的研究主要应用于战争机，但在客观上也为后来航空航天事业的发展做出了贡献。作为当代最先进的内燃机之一，其今后的发展前景也是很广大的，如氢燃料吸入式发动机，但因为其本身存储的安全性而停歇在原型机阶段。还有核动力喷气发动机，显然，如何实现安全可控的核反应成为研究的难点，所以直到现在，核动力喷气发动机还是处在实验室研究的阶段。但现在的工作方式已经倾向于使用核聚变能。4，结论通过以上的文献调研可以发现，内燃机的发展经历了一个异常长的历程，但本质与核心都是围绕着怎样通过机构设计获得高能量比的机型举行的。无论是活塞内燃机的顶置气门与侧置气门，还是转子发动机的庞大改进，再到航空航天上有着广泛应用的涡轮机和喷气机的发现与广泛应用，都体现了这一点。可