熱機:利用内能做工的的機械-中文百科頻道

介紹

熱機在人類生活中發揮着重要的作用。現代化的交通運輸工具都靠它提供動力。熱機的應用和發展推動了社會的快速發展，也不可避免地損失部分能量，并對環境造成一定程度的污染。

熱機是利用内能來做功的機器。

熱機的工作原理：由内能通過做功轉化為機械能（例：酒精燃燒，化學能轉化為内能，熱量傳給水，水沸騰後将瓶塞頂出去，水蒸氣的一部分内能轉化為瓶塞的機械能。）

工作過程

要使汽油機連續工作，活塞必須在推動曲軸後回到原來位置，以便再次推動曲軸，這就要求活塞能在汽缸裡做往複運動。活塞在往複運動中從汽缸一端運動到汽缸的另一端叫做一個沖程。

熱機的四個沖程：吸氣沖程，壓縮沖程，做功沖程，排氣沖程。

四沖程就是兩周轉就是做一次功就是吸氣一次就是耗1缸油

熱機的發展史：

蒸汽機→蒸汽輪機→内燃機→噴氣發動機→火箭發動機

熱機種類很多，按工質接受燃料釋放能量的方式，分為内燃機和外燃機。

内燃機

簡介

内燃機是一種動力機械，它是通過使燃料在機器内部燃燒，并将其放出的熱能直接轉換為動力的熱力發動機。廣義上的内燃機不僅包括往複活塞式内燃機、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，但通常所說的内燃機是指活塞式内燃機。活塞式内燃機以往複活塞式最為普遍。活塞式内燃機将燃料和空氣混合，在其氣缸内燃燒，釋放出的熱能使氣缸内産生高溫高壓的燃氣。燃氣膨脹推動活塞作功，再通過曲柄連杆機構或其他機構将機械功輸出，驅動從動機械工作。

常見的有柴油機和汽油機，通過将内能轉化為機械能，是通過做功改變内能。

内燃機的四個沖程

一、汽油機

用汽油作燃料的内燃機

1. 構造

進氣門，排氣門，火花塞，氣缸，活塞，連杆，曲軸。

2. 運動過程

汽油機的一個工作循環要經曆四個沖程，屬于四沖程内燃機。它的一個工作循環中，活塞往複各運動兩次，隻有第三個沖程内燃機推動活塞做功。沖程：活塞從氣缸一端運動到另一端叫做一個沖程

沖程：活塞從氣缸一端運動到另一端叫做一個沖程

在做功沖程燃氣對活塞做功，内能轉化為機械能。其餘三個沖程要靠安裝在曲軸上的飛輪的慣性來完成（其中壓縮沖程是由活塞向上運動，壓縮燃料混合物，機械能轉化為内能）。

吸氣沖程：進氣門打開，排氣門關閉，活塞向下運動，汽油和空氣的混合物進入汽缸。

壓縮沖程：進氣門和排氣門都關閉，活塞向上運動，燃料混合物被壓縮。

做功沖程：進氣門和排氣門都關閉，火花塞點火，混合物劇烈燃燒，産生高溫高壓氣體，推動活塞向下運動，帶動曲軸轉動，對外做功。

排氣沖程：進氣門關閉，排氣門打開，活塞向上運動，把廢氣排出氣缸。

二、柴油機

用柴油作燃料的内燃機與汽油機的不同之處是把汽油機的火花塞改成了噴油嘴以及将汽油機的點燃改為柴油機的壓燃方法。

構造：進氣門，排氣門，噴油嘴，氣缸，活塞，連杆，曲軸工作過程：吸氣，壓縮，做功，排氣

發展曆史

活塞式内燃機自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内燃機為動力。海上商船、内河船舶和常規艦艇，以及某些小型飛機也都由内燃機來推進。世界上内燃機的保有量在動力機械中居首位，它在人類活動中占有非常重要的地位。

活塞式内燃機起源于用火藥爆炸獲取動力，但因火藥燃燒難以控制而未獲成功。179

4年，英國人斯特裡特提出從燃料的燃燒中獲取動力，并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内燃機方案，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，設計制造出第一台實用的煤氣機。這是一種無壓縮、電點火、使用照明煤氣的内燃機。勒努瓦首先在内燃機中采用了彈力活塞環。這台煤氣機的熱效率為4%左右。

英國的巴尼特曾提倡将可燃混合氣在點火之前進行壓縮，随後又有人着文論述對可燃混合氣進行壓縮的重要作用，并且指出壓縮可以大大提高勒努瓦内燃機的效率。1862年，法國科學家羅沙對内燃機熱力過程進行理論分析之後，提出提高内燃機效率的要求，這就是最早的四沖程工作循環。

1876年，德國發明家尼考羅斯·奧古斯特·奧托，（Nikolaus August Otto）運用羅沙的原理，創制成功第一台往複活塞式、單缸、卧式、3.2千瓦(4.4馬力)的四沖程内燃機，仍以煤氣為燃料，采用火焰點火，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。

奧托内燃機獲得推廣，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。由于壓縮比的提高，熱效率也随之增高，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制成功第一台二沖程的煤氣機，并在巴黎博覽會上展出。

随着石油的開發，比煤氣易于運輸攜帶的汽油和柴油引起了人們的注意，首先獲得試

用的是易于揮發的汽油。1883年，德國的戴姆勒（Daimler）創制成功第一台立式汽油機，它的特點是輕型和高速。當時其他内燃機的轉速不超過200轉/分，它卻一躍而達到800轉/分，特别适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（Diesel）受面粉廠粉塵爆炸的啟發，設想将吸入氣缸的空氣高度壓縮，使其溫度超過燃料的自燃溫度，再用高壓空氣将燃料吹入氣缸，使之着火燃燒。他首創的壓縮點火式内燃機（柴油機）于1897年研制成功，為内燃機的發展開拓了新途徑。

狄塞爾開始力圖使内燃機實現卡諾循環，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%。壓縮點火式内燃機的問世，引起了世界機械業的極大興趣，壓縮點火式内燃機也以發明者而命名為狄塞爾引擎。

這種内燃機以後大多用柴油為燃料，故又稱為柴油機。1898年，柴油機首先用于

固定式發電機組，1903年用作商船動力，1904年裝于艦艇，1913年第一台以柴油機為動力的内燃機車制成，1920年左右開始用于汽車和農業機械。

早在往複活塞式内燃機誕生以前，人們就曾緻力于創造旋轉活塞式的内燃機，但均未獲成功。直到1954年，聯邦德國工程師汪克爾（Wankel）解決了密封問題後，才于1957年研制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，在特定型面的氣缸内作旋轉運動，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，但由于它燃料經濟性較差、低速扭矩低、排氣性能不理想，所以還隻是在個别型号的轎車上得到采用。

内燃機的組成

簡介

往複活塞式内燃機的組成部分主要有曲柄連杆機構、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、産生動力的源地。各個裝有氣缸套的氣缸安裝在機體裡，它的頂端用氣缸蓋封閉着。活塞可在氣缸套内往複運動，并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。燃料在此空間内燃燒，産生的燃氣動力推動活塞運動。活塞的往複運動經過連杆推動曲軸作旋轉運動，曲軸再從飛輪端将動力輸出。由活塞組、連杆組、曲軸和飛輪組成的曲柄連杆機構是内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，借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，防止氣缸内的氣體漏洩，下面的環稱為油環，用來将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杆小頭中，将活塞和連杆聯接起來。連杆大頭端分成兩半，由連杆螺釘聯接起來，它與曲軸的曲柄銷相連。連杆工作時，連杆小頭端随活塞作往複運動，連杆大頭端随曲柄銷繞曲軸軸線作旋轉運動，連杆大小頭間的杆身作複雜的搖擺運動。

曲軸

曲軸的作用是将活塞的往複運動轉換為旋轉運動，并将膨脹行程所作的功，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，并使曲軸旋轉均勻。為了平衡慣性力和減輕内燃機的振動，在曲軸的曲柄上還适當裝置平衡質量。

工作原理

氣缸蓋中有進氣道和排氣道，内裝進、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。膨脹後的燃氣經排氣門、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、推杆、搖臂和氣門彈簧等傳動件分别加以控制的，這一套機件稱為内燃機配氣機構。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。

為了向氣缸内供入燃料，内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将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，在高溫高壓下自行着火燃燒。

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

内燃機不能從停車狀态自行轉入運轉狀态，必須由外力轉動曲軸，使之起動。這種産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。

工作循環

簡述

由進氣、壓縮、燃燒和膨脹、排氣等過程組成。這些過程中隻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做功過程而需要的過程。按實現一個工作循環的行程數，工作循環可分為四沖程和二沖程兩類。

四沖程

是指在進氣、壓縮、膨脹和排氣四個行程内完成一個工作循環，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，氣缸内氣體受到壓縮，壓力增

高，溫度上升；膨脹行程是在壓縮上止點前噴油和點火，使混合氣燃燒，産生高溫、高壓，推動活塞下行并做功；排氣行程時，活塞推擠氣缸内廢氣經排氣門排出。此後再由進氣行程開始，進行下一個工作循環。

二沖程

是指在兩個行程内完成一個工作循環，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，并掃除氣缸内的廢氣，使之從排氣口排出；随後活塞上行，将進、排氣口均關閉，氣缸内充量開始受到壓縮，直至活塞接近上止點時點火或噴油，使氣缸内可燃混合氣燃燒；然後氣缸内燃氣膨脹，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。

内燃機的換氣過程

内燃機的排氣過程和進氣過程統稱為換氣過程。換氣的主要作用是盡可能把上一循環的廢氣排除幹淨，使本循環供入盡可能多的新鮮充量，以使盡可能多的燃料在氣缸内完全燃燒，從而發出更大的功率。換氣過程的好壞直接影響内燃機的性能。為此除了降低進、排氣系統的流動阻力外，主要是使進、排氣門在最适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，由于氣流慣性，新鮮充量仍可繼續充入氣缸，故使進氣門在下止點後延遲關閉。

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，這是為了利用氣缸内較高的燃氣壓力，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内氣體壓力低些，以減少活塞将廢氣排擠出氣缸所消耗的功。排氣門在上止點後關閉的目的是利用排氣流動的慣性，使氣缸内的殘餘廢氣排除得更為幹淨。

内燃機性能

主要包括動力性能和經濟性能。

動力性能

是指内燃機發出的功率(扭矩)，表示内燃機在能量轉換中量的大小，标志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，标志經濟性能的參數有熱效率和燃料消耗率。

内燃機未來的發展将着重于改進燃燒過程，提高機械效率，減少散熱損失，降低燃料消耗率；開發和利用非石油制品燃料、擴大燃料資源；減少排氣中有害成分，降低噪聲和振動，減輕對環境的污染；采用高增壓技術，進一步強化内燃機，提高單機功率；研制複合式發動機、絕熱式渦輪複合式發動機等；采用微處理機控制内燃機，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，不斷創制新型内燃機

變氣門，變升程，變相位，甚至停掉幾個缸的技術，都沒能做到在行進中連續變缸徑，但有等效的。

這種發動機有一個桶形缸體，桶底後，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并粘合，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，比如隻要固定桶，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内避割條縫，插入一個矩形闆；餅面從圓邊到軸割條縫，也插入一塊矩形闆，兩塊矩形闆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闆本側開口，充入高壓氣體，或充入油氣混合物并點燃；第二密封腔從桶壁上與前一開口相隔一個矩形闆的位置開口放氣。固定桶，矩形闆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。由于高壓氣體膨脹，裝置會繼續轉動，第一密封缸腔内的氣壓會降低，直到稍微低于環境氣壓，這樣會産生轉動阻力。于是第二個矩形闆需要在頭部靠近邊緣開一個孔，安裝單向閥，向内補氣。如果當初的氣壓适當，在第二塊矩形闆轉到第二開口的時候，第一密封缸腔的氣壓正好等于或接近于環境氣壓，這是最經濟的。第三種情況是還有少量餘壓。

當兩個矩形闆快要相遇的時候，需要避讓。于是從桶的裙部内圓刻成曲線滑槽，裝上滑動塊，滑動塊與第二塊矩形闆連接；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，與第一塊矩形闆連接。滑槽由圓和擺線構成，控制矩形闆前沖、頂住和抽回。桶底和餅都夠厚，所以不會抽脫。第二塊矩形闆在轉動方向上，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，第一塊矩形闆總是能抵住餅的内表面。

這種裝置在一個着力面上沿弧形軌迹，把高壓氣體的内能轉化為動能，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，制取壓縮空氣，或者作為一個刹車器。做一個容量小的壓氣裝置，制取高壓油氣，配上點火裝置，再做一個容量動力機械裝置，将燃燒後大量高溫高壓氣體的内能轉化為動能，就是一台發動機。

它做功的軌迹是一段弧，而且可以無級的改變容量，也就意味着可以改變發動機排量。配合油門，可以改變燃燒後氣壓，靈活改變轉速；改變排量，配合變速器，在一定範圍内可以适應各種負荷，而且采取上述“最經濟的”方式。如果多套矩形闆對置使用，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餘壓排放，而且在不同負載下都能采取最經濟的工況，所以是好用節能技術。

作為一類發動機，不同于蒸汽機、活塞發動機和三角轉子發動機。叫作“可變容弧缸發動機“。

外燃機

外燃機是一種外燃的閉式循環往複活塞式熱力發動機，因它是在1816年為蘇格蘭的R.斯特林所發明，故又稱斯特林發動機。新型外燃機使用氫氣作為工質，在四個封閉的氣缸内充有一定容積的工質。氣缸一端為熱腔，另一端為冷腔。工質在低溫冷腔中壓縮，然後流到高溫熱腔中迅速加熱，膨脹做功。燃料在氣缸外的燃燒室内連續燃燒，通過加熱器傳給工質，工質不直接參與燃燒，也不更換。

由于外燃機避免了傳統内燃機的震爆做功問題，從而實現了高效律、低噪音、低污染和低運行成本。外燃機可以燃燒各種可燃氣體，如：天然氣、沼氣、石油氣、氫氣、煤氣等，也可燃燒柴油、液化石油氣等液體燃料，還可以燃燒木材，以及利用太陽能等。隻要熱腔達到700℃，設備即可做功運行，環境溫度越低，發電效率越高。該公司提供的STM4-120型25kW級機組的發電效率為29.6%，大大高于同容量的内燃機。外燃機最大的優點是出力和效率不受海拔高度影響，非常适合于高海拔地區使用。

該設備目前有三種型号可供選擇，"熱電聯産"型、"太陽能-外燃混合發電"型、"餘熱利用"型，以及車用型和流動現場電源。

熱機效率

①凡是能夠利用燃料燃燒時放出的能來做機械功的機器就叫做熱機。

②熱機在工作過程中，發熱器(高溫熱源)裡的燃料燃燒時放出的熱量并沒有全部被工作物質(工質)所吸收，而工質從發熱器所得到的那部分熱量也隻有一部分轉變為機械功，其餘部分随工質排出，傳給冷凝器(低溫熱源)。工質所作的機械功中還有一部分因克服機件摩擦而損失。根據熱機的工作特點，下面對熱機中熱量的利用和損耗情況作一說明。