热机

热机是指各种利用 内能 做功的机械。是将燃料的 化学能 转化成内能再转化成 机械能 的机器 动力机械 的一类，如 蒸汽机 、汽轮机、 燃气轮机 、 内燃机 、 喷气发动机 。

热机通常以气体作为工质（传递能量的媒介物质叫工质），利用气体受热膨胀对外做功。 热能 的来源主要有燃料燃烧产生的热能、 核能 、 太阳能 和地热等。

介绍

热机在人类生活中发挥着重要的作用。现代化的 交通运输 工具都靠它提供动力。热机的应用和发展推动了社会的快速发展，也不可避免地损失部分能量，并对环境造成一定程度的污染。热机是利用 内能 来做功的机器。

热机的工作原理：由内能通过做功转化为 机械能 （例： 乙醇 燃烧， 化学能 转化为内能，热量传给水，水沸腾后将瓶塞顶出去， 蒸汽 的一部分内能转化为瓶塞的机械能。）

工作过程

要使汽油机连续工作， 活塞 必须在推动曲轴后回到原来位置，以便再次推动曲轴，这就要求活塞能在汽缸里做往复运动。活塞在往复运动中从汽缸一端运动到汽缸的另一端叫做一个冲程。

热机的四个冲程包括吸气冲程、压缩冲程、做功冲程和排气冲程。四冲程内燃机的一个工作循环需要曲轴旋转两圈，完成一次吸气和一次做功。

热机的发展史：

蒸汽机 →蒸汽轮机→ 内燃机 → 喷气发动机 → 火箭发动机

热机种类很多，按工质接受燃料释放能量的方式，分为内燃机和 外燃机 。

内燃机

简介

内燃机是一种 动力机械 ，它是通过使燃料在机器内部燃烧，并将其放出的 热能 直接转换为动力的热力 发动机 。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。活塞式内燃机以往复活塞式最为普遍。活塞式 内燃机 将燃料和空气混合，在其气缸内燃烧，释放出的热能使气缸内产生高温高压的燃气。燃气膨胀推动 活塞 作功，再通过 曲柄 连杆机构 或其他机构将机械功输出，驱动从动机械工作。

常见的有柴油机和汽油机，通过将 内能 转化为 机械能 ，是通过做功改变内能。

内燃机的四个冲程

一、汽油机

用汽油作燃料的内燃机

1. 构造

进气门，排气门， 火花塞 ，气缸，活塞，连杆，曲轴。

2. 运动过程

汽油机的一个工作循环要经历四个冲程，属于四冲程 内燃机 。它的一个工作循环中，活塞往复各运动两次，只有第三个冲程内燃机推动活塞做功。

冲程： 活塞 在汽缸内向上或向下移动一次叫做内燃机的一个冲程。

在做功冲程燃气对活塞做功，内能转化为机械能。其余三个冲程要靠安装在曲轴上的飞轮的 惯性 来完成（其中压缩冲程是由活塞向上运动，压缩燃料 混合物 ， 机械能 转化为 内能 ）。

吸气冲程： 进气门打开，排气门关闭，活塞向下运动，汽油和空气的混合物进入汽缸。

压缩冲程： 进气门和排气门都关闭，活塞向上运动，燃料混合物被压缩。

做功冲程： 进气门和排气门都关闭， 火花塞 用产生的电火花点火，使混合物剧烈燃烧，产生高温高压气体，推动 活塞 向下运动，带动曲轴转动，对外做功。

排气冲程： 进气门保持关闭，排气门打开，活塞向上运动，把废气排出气缸。

二、柴油机

用柴油作燃料的 内燃机 与汽油机的不同之处是把汽油机的火花塞改成了 喷油嘴 以及将汽油机的点燃改为柴油机的压燃方法。

构造：进气门，排气门，喷油嘴，气缸，活塞，连杆，曲轴

工作过程：吸气，压缩，做功，排气。

另外，柴油机和汽油机最大的不同点就是柴油机有喷油嘴而汽油机有 火花塞 。

发展历史

活塞式内燃机自19世纪60年代问世以来，经过不断改进和发展，已是比较完善的机械。它 热效率 高、功率和转速范围宽、配套方便、机动性好，所以获得了广泛的应用。全世界各种类型的汽车、 拖拉机 、 农业机械 、 工程机械 、小型 移动式发电机 和战车等都以 内燃机 为动力。海上 货船 、 内河 船舶和常规舰艇，以及某些小型飞机也都由内燃机来推进。世界上内燃机的保有量在 动力机械 中居首位，它在人类活动中占有非常重要的地位。

活塞式内燃机起源于用 发射药 爆炸获取动力，但因火药燃烧难以控制而未获成功。1794年，英国人斯特里特提出从燃料的燃烧中获取动力，并且第一次提出了燃料与空气混合的概念。1833年，英国人赖特提出了直接利用燃烧压力推动 活塞 作功的设计。

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 勒努瓦 模仿 蒸汽机 的结构，设计制造出第一台实用的煤气机。这是一种无压缩、电点火、使用照明煤气的内燃机。勒努瓦首先在内燃机中采用了弹力活塞环。这台煤气机的 热效率 为4%左右。

英国 的 奇平巴尼特 曾提倡将可燃混合气在点火之前进行压缩，随后又有人著文论述对可燃混合气进行压缩的重要作用，并且指出压缩可以大大提高勒努瓦内燃机的效率。1862年，法国科学家罗沙对 内燃机 热力过程进行理论分析之后，提出提高内燃机效率的要求，这就是最早的四冲程工作循环。

1876年， 德国 发明家尼考罗斯·奥古斯特·奥托，（Nikolaus August 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(4.4马力)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， 热效率 达到14%，运转平稳。在当时，无论是功率还是热效率，它都是最高的。

奥托 内燃机 获得推广，性能也在提高。1880年单机功率达到11～15千瓦(15～20马力)，到1893年又提高到150千瓦。由于压缩比的提高，热效率也随之增高，1886年热效率为15.5%，1897年已高达20～26%。1881年， 英国 工程师克拉克研制成功第一台二冲程的煤气机，并在巴黎博览会上展出。

随着石油的开发，比煤气易于运输携带的汽油和 柴油 引起了人们的注意，首先获得试用的是易于挥发的汽油。1883年， 德国 的 梅赛德斯-奔驰集团 （Daimler）创制成功第一台立式汽油机，它的特点是轻型和高速。当时其他 内燃机 的转速不超过200转/分，它却一跃而达到800转/分，特别适应交通运输机械的要求。1885～1886年，汽油机作为 空气动力汽车 运行成功，大大推动了汽车的发展。同时，汽车的发展又促进了汽油机的改进和提高。不久汽油机又用作了小船的动力。

1892年，德国工程师狄塞尔（ diesel ）受面粉厂 粉尘爆炸 的启发，设想将吸入气缸的空气高度压缩，使其温度超过燃料的自燃温度，再用高压空气将燃料吹入气缸，使之着火燃烧。他首创的压缩点火式 内燃机 （柴油机）于1897年研制成功，为内燃机的发展开拓了新途径。

狄塞尔开始力图使内燃机实现 卡诺循环 ，以求获得最高的 热效率 ，但实际上做到的是近似的等压燃烧，其热效率达26%。压缩点火式内燃机的问世，引起了世界机械业的极大兴趣，压缩点火式内燃机也以发明者而命名为狄塞尔引擎。

这种内燃机以后大多用柴油为燃料，故又称为柴油机。1898年，柴油机首先用于固定式发电机组，1903年用作 货船 动力，1904年装于舰艇，1913年第一台以柴油机为动力的 内燃机车 制成，1920年左右开始用于汽车和 农业机械 。

早在往复活塞式 内燃机 诞生以前，人们就曾致力于创造旋转活塞式的内燃机，但均未获成功。直到1954年， 德国 工程师汪克（Wankel）解决了密封问题后，才于1957年研制出旋转活塞式发动机，被称为 转子发动机 。它具有近似三角形的旋转 活塞 ，在特定型面的气缸内作旋转运动，按奥托循环工作。这种 发动机 功率高、体积小、振动小、运转平稳、结构简单、维修方便，但由于它燃料经济性较差、低速扭矩低、排气性能不理想，所以还只是在个别型号的轿车上得到采用。

内燃机的组成

简介

往复活塞式内燃机的组成部分主要有 曲柄 连杆机构 、机体和气缸盖、配气机构、供油系统、 润滑系统 、冷却系统、起动装置等。

气缸

是一个圆筒形金属机件。密封的气缸是实现工作循环、产生动力的源地。各个装有气缸套的气缸安装在机体里，它的顶端用气缸盖封闭着。 活塞 可在气缸套内往复运动，并从气缸下部封闭气缸，从而形成容积作规律变化的密封空间。燃料在此空间内燃烧，产生的燃气动力推动活塞运动。活塞的往复运动经过连杆推动曲轴作旋转运动，曲轴再从飞轮端将动力输出。由活塞组、连杆组、曲轴和飞轮组成的 曲柄 连杆机构 是 内燃机 传递动力的主要部分。活塞组由活塞、 活塞环 、 活塞销 等组成。活塞呈圆柱形，上面装有活塞环，借以在活塞往复运动时密闭气缸。上面的几道 气环 称为气环，用来封闭气缸，防止气缸内的气体漏泄，下面的环称为油环，用来将气缸壁上的多余的润滑油刮下，防止润滑油窜入气缸。 活塞 销呈圆筒形，它穿入活塞上的销孔和连杆小头中，将活塞和连杆联接起来。连杆大头端分成两半，由连杆螺钉联接起来，它与曲轴的曲柄销相连。连杆工作时，连杆小头端随活塞作往复运动，连杆大头端随 曲柄 销绕曲轴轴线作旋转运动，连杆大小头间的杆身作复杂的摇摆运动。

曲轴

曲轴的作用是将活塞的往复运动转换为旋转运动，并将膨胀行程所作的功，通过安装在曲轴后端上的飞轮传递出去。飞轮能储存能量，使活塞的其他行程能正常工作，并使曲轴旋转均匀。为了平衡 惯性力 和减轻 内燃机 的振动，在曲轴的曲柄上还适当装置平衡质量。

工作原理

气缸盖中有进气道和 排气道 ，内装进、排气门。新鲜充量(即空气或空气与燃料的可燃混合气)经 空气滤芯 、 进气管 、进气道和进气门充入气缸。膨胀后的燃气经排气门、排气道和排气管，最后经排气消声器排入大气。进、排 气门 的开启和关闭是由 凸轮轴 上的进、排气凸轮，通过 挺柱 、推杆、摇臂和气门弹簧等传动件分别加以控制的，这一套机件称为内燃机配气机构。通常由空气滤清器、进气管、排气管和排气消声器组成进 排气系统 。

为了向气缸内供入燃料， 内燃机 均设有供油系统。汽油机通过安装在进气管入口端的 化油器 将空气与汽油按一定比例（空燃比）混合，然后经进气管供入气缸，由 汽油机点火系统 控制的电火花定时点燃。柴油机的燃油则通过柴油机喷油系统喷入 燃烧室 ，在高温高压下自行着火燃烧。

内燃机气缸内的燃料燃烧使 活塞 、气缸套、气缸盖和 气门 等零件受热，温度升高。为了保证内燃机正常运转，上述零件必须在许可的温度下工作，不致因 过热 而损坏，所以必须备有冷却系统。

内燃机不能从停车状态自行转入运转状态，必须由外力转动曲轴，使之起动。这种产生外力的装置称为起动装置。常用的有电起动、 压缩空气 起动、汽油机起动和人力起动等方式。

工作循环

简述

由进气、压缩、燃烧和膨胀、排气等过程组成。这些过程中只有膨胀过程是对外作功的过程，其他过程都是为更好地实现做功过程而需要的过程。按实现一个工作循环的行程数，工作循环可分为四冲程和二冲程两类。

四冲程

是指在进气、压缩、膨胀和排气四个行程内完成一个工作循环，此间曲轴旋转两圈。进气行程时，此时进气门开启，排气门关闭。流过 空气滤芯 的空气，或经 化油器 与汽油混合形成的可燃混合气，经进气管道、进气门进入气缸；压缩行程时，气缸内气体受到压缩，压力增高，温度上升；膨胀行程是在压缩上止点前喷油和点火，使混合气燃烧，产生高温、高压，推动 活塞 下行并做功；排气行程时，活塞推挤气缸内废气经排气门排出。此后再由进气行程开始，进行下一个工作循环。

二冲程

是指在两个行程内完成一个工作循环，此期间曲轴旋转一圈。首先，当活塞在下止点时，进、排气口都开启，新鲜充量由进气口充入气缸，并扫除气缸内的废气，使之从排气口排出；随后活塞上行，将进、排气口均关闭，气缸内充量开始受到压缩，直至活塞接近上止点时点火或喷油，使气缸内可燃混合气燃烧；然后气缸内燃气膨胀，推动 活塞 下行作功；当活塞下行使排气口开启时，废气即由此排出活塞继续下行至下止点，即完成一个工作循环。

内燃机 的换气过程

内燃机的排气过程和进气过程统称为换气过程。换气的主要作用是尽可能把上一循环的废气排除干净，使本循环供入尽可能多的新鲜充量，以使尽可能多的燃料在气缸内完全燃烧，从而发出更大的功率。换气过程的好坏直接影响内燃机的性能。为此除了降低进、 排气系统 的流动阻力外，主要是使进、排气门在最适当的时刻开启和关闭。

实际上，进气门是在上止点前即开启，以保证 活塞 下行时进气门有较大的开度，这样可在进气过程开始时减小流动阻力，减少吸气所消耗的功，同时也可充入较多的新鲜充量。当活塞在进气行程中运行到下止点时，由于 气流 惯性 ，新鲜充量仍可继续充入气缸，故使进气门在下止点后延迟关闭。

排气门也在下止点前提前开启，即在膨胀行程后部分即开始排气，这是为了利用气缸内较高的燃气压力，使废气自动流出气缸，从而使活塞从下止点向上止点运动时气缸内气体压力低些，以减少活塞将废气排挤出气缸所消耗的功。排气门在上止点后关闭的目的是利用排气流动的惯性，使气缸内的残余废气排除得更为干净。

内燃机性能

主要包括动力性能和经济性能。

动力性能

是指内燃机发出的功率( 扭矩 )，表示内燃机在能量转换中量的大小，标志动力性能的参数有扭矩和功率等。

经济性能

是指发出一定功率时燃料消耗的多少，表示能量转换中质的优劣，标志经济性能的参数有 热效率 和燃料消耗率。内燃机未来的发展将着重于改进燃烧过程，提高 机械效率 ，减少散热损失，降低燃料消耗率；开发和利用非石油制品燃料、扩大燃料资源；减少排气中有害成分，降低噪声和振动，减轻对环境的污染；采用高增压技术，进一步强化 内燃机 ，提高单机功率；研制复合式 发动机 、绝热式涡轮复合式发动机等；采用微处理机控制内燃机，使之在最佳工况下运转；加强结构强度的研究，以提高工作可靠性和寿命，不断创制新型内燃机

变 气门 ，变升程，变相位，甚至停掉几个缸的技术，都没能做到在行进中连续变缸径，但有等效的。

这种发动机有一个桶形缸体，桶底厚。桶底中间有圆孔。还有一个缸体，好像一根筷子穿过一张厚的圆饼并粘合，筷子就是轴，这个轴也穿过桶形缸体底部的孔，饼形体也纳入桶中，封闭成一个空心圆柱体的缸腔。这个缸腔的容积是可以变化的，比如只要固定桶，用机械装置或者液压装置抽动轴就可以实现。

桶底从圆孔的边到桶的内避割条缝，插入一个矩形板； 烙面 从圆边到轴割条缝，也插入一块矩形板，两块矩形板可以把缸腔一分为二，成为两个密封缸腔，第一密封缸腔和第二密封缸腔。其中一个密封缸腔从桶壁的矩形板本侧开口，充入高压气体，或充入油气 混合物 并点燃；第二密封腔从桶壁上与前一开口相隔一个矩形板的位置开口放气。固定桶，矩形板就牵引饼和筷子转动，反过来也行。

第一个密封腔从最小、充气到转过一定 相位 （转角）就停止供气，可以用 阀门 或者控制油气供应量来实现。由于高压气体膨胀，装置会继续转动，第一密封缸腔内的气压会降低，直到稍微低于环境气压，这样会产生转动阻力。于是第二个矩形板需要在头部靠近边缘开一个孔，安装 单向阀 ，向内补气。如果当初的气压适当，在第二块矩形板转到第二开口的时候，第一密封缸腔的气压正好等于或接近于环境气压，这是最经济的。第三种情况是还有少量余压。

当两个矩形板快要相遇的时候，需要避让。于是从桶的裙部内圆刻成曲线滑槽，装上滑动块，滑动块与第二块矩形板连接；从轴穿出桶底的一侧套装一个空心圆柱体，外圆面刻曲线滑槽，装上滑动块，与第一块矩形板连接。滑槽由圆和 摆线 构成，控制矩形板前冲、顶住和抽回。桶底和饼都够厚，所以不会抽脱。第二块矩形板在转动方向上，和饼一块转动；在轴向上，则由桶上的滑槽控制，所以变换容积的时候仍能抵住桶的底部。同样道理，第一块矩形板总是能抵住饼的内表面。这种装置在一个着力面上沿弧形轨迹，把高压气体的 内能 转化为动能，是一种 动力机械 装置。反过来，也可以在机械的带动下反向转动，制取 压缩空气 ，或者作为一个刹车器。做一个容量小的压气装置，制取高压油气，配上点火装置，再做一个容量动力机械装置，将燃烧后大量高温高压气体的内能转化为动能，就是一台 发动机 。

它做功的轨迹是一段弧，而且可以无级的改变容量，也就意味着可以改变发动机排量。配合油门，可以改变燃烧后气压，灵活改变转速；改变排量，配合 变速器 ，在一定范围内可以适应各种负荷，而且采取上述“最经济的”方式。如果多套矩形板对置使用，可以减轻轴的弯曲；它是连续排气的，因而噪音低；可以多套缸错相联轴，动力平稳。它可以最大限度的减少余压排放，而且在不同负载下都能采取最经济的工况，所以是好用节能技术。

作为一类 发动机 ，不同于 蒸汽机 、活塞发动机和三角 转子发动机 。叫作“可变容弧缸发动机“。

外燃机

外燃机是一种外燃的闭式循环往复活塞式热力发动机，因它是在1816年为 苏格兰 的R·斯特林所发明，故又称 斯特林发动机 。新型外燃机使用 氢气 作为工质，在四个封闭的气缸内充有一定容积的工质。气缸一端为热腔，另一端为冷腔。工质在低温冷腔中压缩，然后流到高温热腔中迅速加热，膨胀做功。燃料在气缸外的燃烧室内连续燃烧，通过 加热器 传给工质，工质不直接参与燃烧，也不更换。

由于外燃机避免了传统 内燃机 的震爆做功问题，从而实现了高效律、低噪音、低污染和低运行成本。 外燃机 可以燃烧各种 可燃气体 ，如：天然气、 沼气 、石油气、氢气、煤气等，也可燃烧 柴油 、 液化石油气 等液体燃料，还可以燃烧木材，以及利用 太阳能 等。只要热腔达到700℃，设备即可做功运行，环境温度越低，发电效率越高。该公司提供的STM4-120型25kW级机组的发电效率为29.6%，大大高于同容量的内燃机。外燃机最大的优点是出力和效率不受 平均海拔 影响，非常适合于高海拔地区使用。

该设备目前有三种型号可供选择，" 热电联产 "型、"太阳能-外燃混合发电"型、" 废热 利用"型，以及车用型和流动现场电源。

热机效率

1、凡是能够利用燃料燃烧时放出的能来做机械功的机器就叫做热机。

2、热机在工作过程中，发热器(高温热源)里的燃料燃烧时放出的热量并没有全部被工作物质(工质)所吸收，而工质从发热器所得到的那部分热量也只有一部分转变为机械功，其余部分随工质排出，传给 冷凝器 (低温热源)。工质所作的机械功中还有一部分因克服机件摩擦而损失。根据热机的工作特点，下面对热机中热量的利用和损耗情况作一说明。

燃烧效率

是指工质从发热器得到的热量和燃料燃烧时放出热量的比，如果用ηC表示，燃料燃烧效率可写成ηC=Q1/Q。

热效率

是指热机工作部分中转变为机械功的热量和工质从发热器得到的热量的比。如果用η表示，则有η=W/ Q1=( Q1-Q2) / Q1=1- Q2/ Q1。

从式中很明显地看出Q1越大，Q2越小，热效率越高，这是热机效率中的主要部分，它表明了热机中热量的利用程度。

机械效率

是指推动机轴做功所需的热量和热机工作过程中转变为机械功的热量的比，如果用ηm表示，则有ηm=Q3/(Q1-Q2)等，即η=Q有用/Q总。

热机效率η=c×m×△t/mq

热力过程

热力过程