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喷气式发动机，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，在其汽缸内燃烧，释放出的热能使汽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。

中文名：内燃机

外文名：internal combustion engine

能量转化：内能转化为机械能

类型：动力机械

特点：体积小、质量小、便于移动

发明时间：19世纪80年代左右

发展历史

内燃机

19世纪中期，科学家完善了通过燃烧煤气，汽油和柴油等产生的热转化机械动力的理论。这为内燃机的发明奠定了基础。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、小型移动电站和战车等都以内燃机为动力。海上商船、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。

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

（6） 点火系统

在汽油机中，气缸内的可燃混合气是靠电火花点燃的，为此在汽油机的气缸盖上装有火花塞，火花塞头部伸入燃烧室内。能够按时在火花塞电极间产生电火花的全部设备称为点火系，点火系通常由蓄电池、发电机、分电器、点火线圈和火花塞等组成。

（7） 起动系统

要使发动机由静止状态过渡到工作状态，必须先用外力转动发动机的曲轴，使活塞作往复运动，气缸内的可燃混合气燃烧膨胀作功，推动活塞向下运动使曲轴旋转。发动机才能自行运转，工作循环才能自动进行。因此，曲轴在外力作用下开始转动到发动机开始自动地怠速运转的全过程，称为发动机的起动。完成起动过程所需的装置，称为发动机的起动系。汽油机由以上两大机构和五大系统组成，即由曲柄连杆机构，配气机构、燃料供给系、润滑系、冷却系、点火系和起动系组成；柴油机由以上两大机构和四大系统组成，即由曲柄连杆机构、配气机构、燃料供给系、润滑系、冷却系和起动系组成，柴油机是压燃的，不需要点火系。

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。上面的几道活塞环称为气环，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。

常有术语

工作循环：内燃机热能和机械能的转换，通过活塞在气缸中的，连续的进气，压缩，动力和排气过程。每台机器的过程称为一个工作循环。

活塞冲程：上、下止点之间的最小直线距离，称为活塞的行程（或活塞冲程），曲轴与连杆大端的连接中心到曲轴的旋转中心之间的最小直线距离称为曲柄的旋转半径。

上止点和下止点：活塞在气缸中移动时，最高的点叫上止点（或叫上死点），最低的叫下止点。

工作容积：活塞从上止点运动到下一个点，称为气缸容积（活塞排量移）。

压缩比：就是发动机混合气体被压缩的程度，用压缩前的

曲柄连杆机构

气缸总容积与压缩后的气缸容积（即燃烧室容积）之比来表示空气充满气缸，气压缩比越大，表明活塞运动时，在一定的范围内气体被压缩得越厉害，其气体的温度和压力就越高，内燃机的效率也越高。

内燃机

2. 根据缸内着火方式分： 点燃式、压燃式

3. 根据冲程数分：二冲程、四冲程

4. 根据活塞运动方式分 ： 往复式、旋转式

5. 根据气缸冷却方式分 ： 水冷式、风冷式

6. 根据气缸数目分 ：单缸机、多缸机

7. 根据内燃机转速分：低速(<300r/min)、中速(300 ~ 1000 r/min)、高速(>1000 r/min)；

8. 根据进气充量压力分：自然吸气式、增压式

9. 根据汽缸排列方式，内燃机可以分为直列、斜置、对置、V形和w形。

内燃机的分类方法很多，按照不同的分类方法可以把内燃机分成不同的类型，下面让我们来看看内燃机

主要是怎样分类的。

着火方式

内燃机根据缸内着火方式的不同可以分为点燃式发动机和压燃式发动机。

点燃式发动机具有三大结构和五大系统。三大结构分别为曲柄连杆、配气机构和机体， 五大系统分别为供油、冷却、润滑、起动和点火。

压燃式发动机具有三大结构和四大系统。 三大机构分别为曲柄连杆、配气机构和机体，四大系统分别为供油、冷却、润滑、起动。

内燃机按照所使用燃料的不同可以分为汽油机和柴油机。使用汽油为燃料的内燃机称为汽油机；使用柴油为燃料的内燃机称为柴油机。汽油机与柴油机比较各有特点；汽油机转速高，质量小，噪音小，起动容易，制造成本低；柴油机压缩比大，热效率高，经济性能和排放性能都比汽油机好。

按照行程

内燃机按照完成一个工作循环所需的行程数可分为四冲程内燃机和二冲程内燃机。把曲轴转两圈(720°)，活塞在气缸内上下往复运动四个行程，完成一个工作循环的内燃机称为四冲程内燃机；而把曲轴转一圈(360°)，活塞在气缸内上下往复运动两个行程，完成一个工作循环的内燃机称为二冲程内燃机。汽车发动机广泛使用四冲程内燃机。

冷却方式

内燃机按照冷却方式不同可以分为水冷发动机和风冷发动机。水冷发动机是利用在气缸体和气缸盖冷却水套中进行循环的冷却液作为冷却介质进行冷却的；而风冷发动机是利用流动于气缸体与气缸盖外表面散热片之间的空气作为冷却介质进行冷却的。水冷发动机冷却均匀，工作可靠，冷却效果好，被广泛地应用于现代车用发动机。

气缸数目

内燃机按照气缸数目不同可以分为单缸发动机和多缸发动机。仅有一个气缸的发动机称为单缸发动机；有两个以上气缸的发动机称为多缸发动机。如双缸、三缸、四缸、五缸、六缸、八缸、十二缸等都是多缸发动机。现代车用发动机多采用四缸、六缸、八缸发动机。

气缸排列

内燃机按照气缸排列方式不同可以分为单列式和双列式)。单列式发动机的各个气缸排成一列，一般是垂直布置的，但为了降低高度，有时也把气缸布置成倾斜的甚至水平的；双列式发动机把气缸排成两列，两列之间的夹角<180°(一般为90°)称为V型发动机，若两列之间的夹角=180°称为对置式发动机。

增压方式

内燃机

船用机

船用内燃机可用柴油、汽油、煤油或煤气、天然气作燃料。烧煤气的叫煤气机，汽油机、煤气机功率小，仅用在小型船舶上。

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)经空气滤清器、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。

内燃机的工作循环由进气、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作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。

内燃机工作原理图

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，推动活塞下行做功；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。

工作指标

内燃机

2.经济性能指标：单位功率单位时间内的燃油消耗量。

3.可靠性与耐久性指标：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。

4.环保性能指标（NOx、HC、CO、微粒、噪声）：单位功率单位时间内有害物排放量。

优缺点

内燃机的利用范围

内燃机的利用范围很是遍及。地面上各类运输车辆（汽车、拖沓机、内燃机车等），矿山、建筑及工程等机械，就是因为国家的限电所以造就了很多地方用自备电源发电，水上运输可作内河及海上船舶的主机和辅机。在军事方面，如坦克、装甲车、步兵战车、重兵器牵引车和各类水面舰艇等方面都大量利用内燃机。

内燃机和外燃机相比较，具有很多优点：

①内燃机的热能利用率高。增压柴油机的最高热效率可达46%。而蒸气机仅有11~16%。

②功率范围广，适应性能好，最小的内燃机功率不到0.73千瓦，最大的内燃机功率可达34000千瓦。

⑤结构紧凑，重量轻，体积小，燃料和水的消耗量也少。

④使用操作方便，起动快。在正常情况下，一般的柴油机和汽油机能够在3~5秒的时问内起动，并能在短时间内谜到全负荷运转，而且操作比。简单安全。在石油工业中，石油勘探工作都在野外，流动性大，对于动力设备的选择和要求是:其有足够大的功率、结构紧凑、重量轻、便于搬运和安装、燃料和水的消耗少。因此内燃机在石油勘探工作中得到广泛的应用。

内燃机的缺点是：

⑴对燃料要求较高高速内燃机一般利用汽油或轻柴油作料，并且对燃料的洁净度要求严格。

⑵对环境的污染也愈来愈严重。

⑶布局复杂，发展空间——机电行业的多来源业务经营路线及通过长期大量的潜在客户积累与转化的方式。

性能发展

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，桶底后，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壁割条缝，插入一个矩形板；饼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。”

理论研究

三种理论

定压加热内燃机循环p-v图

（2）等压加热循环（Brayton循环）；对应于燃气轮机

（3）混合加热循环（Diesel 循环）；对应于柴油机

理论循环

将实际循环进行若干简化，便于进行定量分析的理想循环。

研究目的

（1）用简单公式阐明工作过程中各基本热力参数间的关系，以明确提高ηit的基本途径；

（2）确定ηit的理论极限；以判断内燃机工作过程的完善程度以及改进潜力。

（3）分析比较不同的热力循环方式的经济性和动力性。

简化假设

（1）空气作为工质，理想气体；

（2）不考虑工质更换及泄露损失，忽略进、排气流动损失及影响；

（3）理想的绝热等熵过程；工质与外界不进行热量交换；

（4）理想的加热、放热过程。

船舶应用

柴油机动力装置相关曲线图

机械损失

平均机械损失压力pmm:发动机单位气缸工作容积一个循环所损失的功。可以用来衡量机械损失的大小。即：

一、机械损失的组成：

1．活塞与活塞环的摩擦损失：占摩擦损失的主要部分，约为：45-65%

2．轴承与气门机构的摩擦损失：包括所有主轴承、连杆轴承和凸轮轴轴承等的摩擦损失。轴承直径越大，转速越高，损失越大。15-30%。

3．驱动附属机构的功率消耗：指为保证发动机工作所必不可少的部件总成，如冷却水泵总成（风冷发动机中则是冷却风扇）、机油泵、喷油泵、调速器等；占10-20%。

4．流体摩擦损失：为克服油雾、空气阻力及曲轴箱通风等将消耗一部分功。

5．驱动扫气泵及增压器的损失：二冲程或机械增压发动机中，要加上对进气进行压缩而带来的损失。10-20%

分配情况

损失测定

1．示功图法：运用示功图算出Pi值，从测功器测出发动机的有效功率Pe，从而算出产Pm、 hm及Pmm值。

问题：误差来源于P—V图上活塞上止点位置正确地确定以及测量误差。此外，各个气缸存在的不均匀性，这也会引起一定的误差。示功图法当上止点位置能得到精确校正时才能取得较满意的结果。局限：只能测量整体机械损失。

2．倒拖法：当发动机以给定工况稳定运行，冷却水、机油温度到达正常数值时，切断对发动机的供油，将电力测功器转换为电动机，以给定转速倒拖发动机，并且维持冷却水和机油温度不变，这样测得的倒拖功率即为发动机在该工况下的机械损失功率。

与实际运行的差异：(1)气体压力在膨胀行程中大幅度下降，使活塞、连杆。曲轴的摩擦损失有所减少；(2) 由于排气过程中温度低、密度大，使Pp比实际的还大；(3)倒拖在膨胀、压缩行程中，存在充量向气缸壁的传热损失，在测量该工况的有效功率时，这部分传热损失已被考虑在内。

综合结果是：倒拖时所消耗的功率要超过柴油机的实际机械损失，在低压缩比发动机中，误差大约为 5%，在高压缩比发动机中，误差可高达（15—20）%，因而此方法适用于低压缩比的汽油机。

内燃机

局限：只能使用于柴油多缸机。

4．油耗线法：保证发动机转速不变，逐渐改变供油，测出每小时耗油量B与负荷pme变化关系，绘成负荷特性曲线，延长直线段于横坐标的相交，此交点到原点的距离为平均机械损失压力pmm。

只能适用于pmm 与ηit 不随负荷变化，只适用于柴油机。

总之；倒拖法只能用于配有电力测功器的情况，不适用于大功率发动机，较适用于测定压缩比不高的汽油机的机械损失。对于排气涡轮增压柴油机，由于倒拖法和灭缸法破坏了增压系统的正常工作，只能用示功图法、油耗线法来测定机械损失。对于排气涡轮中增压、高增压的柴油机（pb>0．15MPa），除示功图外，尚无其他适用的方法可取代。

使用误区

理论循环

2、选用的润滑油粘度较高

3、单向流量控制阀或通风软管损坏后随意拆除

4、大容量的蓄电池寿命长

5、随意加添电解液

6、随便调高发电机的端电压

7、空气滤清器长期短路或随便更换不同规格的滤

8、经常在大功率、高温状态下熄火

9、高压油泵内的润滑油加注或更换不合理

10、喷油器喷油压力调整过高

11、随意拆除散热器上的空气蒸气阀

12、随意更换火花塞

燃料使用

燃油是发动机的动力源，也是造成发动机故障的主要因素，洁净的燃油不含水份和杂质是极重要的，否则会造成喷油泵和油嘴严重磨损甚至损坏。

在我国燃油质量问题一直是造成发动机寿命降低和故障的主要原因，所以在使用进口发动机尽量使用优质低含硫燃油，在无法达到要求的情况下可改造输油管路，在油水分离器前加一级粗滤或油水分离器，以不影响发动机输出功率为准选择滤芯等级。

在使用劣质燃油的情况下必须定期清洗燃油箱，否则容易在油箱中因劣质燃油含有水份和杂质多，会在油箱壁和箱底结积，长期没清洗的情况下造成结积泥皮脱落，工作中进入燃油管路，致使管路或燃油滤芯等堵塞，在日常维护中要做到良好的保养习惯，排放油箱沉积水杂质和油水分离器中沉积水。

空气污染

内燃机（例如往复式内燃机）在工作时会由于含碳燃料的不完全燃烧而排放大气污染物。内燃机的最重要排放物是二氧化碳、水汽和一些碳黑颗粒物。取决于工作状况和油气比例，内燃机还会排放一氧化碳、氮氧化物、硫化物（主要是二氧化硫）和一些未燃烧的碳氢化合物。

噪音污染

内燃机工作时会产生显著的噪音污染。比如公路上的汽车会产生噪音，飞机飞行时也会产生喷气噪音（尤其是超音速飞机）。火箭发动机产生的噪音最大。