发动机技术

概念定义

发动机技术是研究和实现能量转换、动力产生及动力输出的一组工程技术。发动机可把燃料中的化学能、电能或流体机械能等转化为动能并对外做功，用于驱动车辆、船舶、飞机、机械设备或发电装置。按能量转换方式，常见类型包括热机、电动机、液压机、气压机、喷气发动机及火箭发动机；汽车领域所称的发动机技术通常以活塞式内燃机及其燃烧、进排气、供油和控制技术为核心。

工作原理

热机通过燃烧产生热能和高温气体，再利用气体膨胀推动机械机构工作。外燃机的燃烧发生在汽缸之外，热量先传递给水或其他工质，工质膨胀后推动活塞或涡轮；蒸汽机和斯特林发动机均属于这一类型。内燃机让燃料在有限空间内燃烧，由膨胀气体直接做功，适合空间和重量受到限制的交通工具。

往复式活塞内燃机以汽缸内的压力推动活塞往复运动，再由连杆与曲轴将直线运动转换为旋转动力。四冲程循环依次完成进气、压缩、燃烧膨胀做功和排气；两冲程循环则让做功、排气及新鲜混合气进入等过程部分重叠。汽油发动机通常由火花塞点燃混合气，柴油发动机主要依靠压缩产生的高温使燃料着火。

技术构成

活塞式内燃机的核心机构包括汽缸、活塞、连杆、曲轴和燃烧室，并配合进气、燃料供给、点火或压燃、排气及控制装置。燃料与空气可在汽缸外混合，也可在汽缸内完成混合。现代发动机普遍利用电子装置控制喷射过程，以协调不同工况下的燃料供给。

增压技术用于增加进入发动机的空气量。机械增压由发动机本身或电机驱动压气机；涡轮增压利用排出的高温废气驱动涡轮，再带动压气机吸入更多空气。多缸发动机可采用直列、V形、水平对置、W形、H形或星形等汽缸排列，不同布局会影响结构尺寸、振动特性及动力传递方式。

转子发动机通过转子形腔的容积变化完成压缩、燃烧、做功和排气。喷气发动机采用连续燃烧，其进气、压气、燃烧和喷气阶段与活塞发动机的工作过程相对应；常见形式包括涡轮喷气、涡轮风扇、涡轮螺旋桨、涡轮轴和冲压发动机。火箭发动机自带氧化剂，通过喷射高速气体产生反作用力，主要由燃烧室、喷嘴和点火装置等部分构成。

燃料与应用场景

活塞式内燃机主要使用汽油和柴油，也可使用煤油、醇类燃料、生物柴油及天然气。天然气发动机通常以压缩或液化方式储存燃料，并可用于巴士等车辆。往复式内燃机广泛用于汽车、摩托车、小型船舶及发电设备；大型船舶和部分铁路车辆也可使用柴油机。燃气轮机和喷气发动机主要用于航空器及部分船舶，涡轮轴发动机常作为直升机动力，蒸汽轮机则用于火力发电站和核电站。

技术演进

早期发动机技术以外燃式蒸汽机为主。1769年，詹姆斯·瓦特取得独立冷凝器蒸汽机专利，减少汽缸反复冷却与加热造成的能量损失。1876年，尼古拉斯·奥托制成实用的单缸四冲程煤气发动机；1897年，鲁道夫·狄塞尔发明柴油机。此后，内燃机逐步应用于汽车、船舶、铁路车辆和飞机，动力形式也扩展至转子发动机、燃气轮机、喷气发动机及火箭发动机。