先进发动机的技术原理

摘 要：随着科技的发展，人类可利用的交通工具种类越来越多。同时，为各种交通工具提供动力的发动机的种类也越来越多，技术越来越复杂。目前，汽车发动机按燃料分可分为柴油机，汽油机和天然气机；按实现循环的行程数分可分为四冲程发动机，二冲程发动机；按冷却方式分可分为水冷式发动机和风冷式发动机；按点火方式分可分为压燃式发动机，点燃式发动机；按可燃混合气形成的方法可分为外部形成混合气的发动机和内部形成可燃器的内燃机；按进气方式分可分为自然吸气式发动机和增压发动机；按气缸数目分可分为单缸发动机和多缸发动机。而航空发动机可分为活塞和喷气两大类，喷气式可分为涡轮式和冲压式两大类，涡轮式的有涡喷，涡扇，涡桨，涡轴四类；冲压式的有压燃和超燃，新型的有等离子式，脉冲爆燃式等。火箭发动机大致可分为固体火箭发动机，液体火箭发动机与其他能源火箭发动机。

关键词：发动机类型；发动机构造；发动机运行原理

1 涡轮增压技术

废气涡轮增压系统就是我们平时最常见的涡轮增压装置了，增压器与发动机无任何机械联系，它实际上是一种空气压缩机，通过压缩空气来增加进气量。它是利用发动机排出的废气惯性冲力来推动涡轮室内的涡轮，涡轮又带动同轴的叶轮，叶轮压送由空气滤清器管道送来的空气，使之增压进入气缸。当发动机转速增快，叶轮就压缩更多空气进入气缸，空气的压力和密度增大可以燃烧更多的燃料，相应增加燃料量就可以增加发动机的输出功率。一般而言，加装废气涡轮增压器后的发动机功率及扭矩要增大20%-30%.但是废气涡轮增压器技术也有其必须注意的地方，那就是泵轮和涡轮轴由一根轴相连，也就是转子，发动机排出的废气驱动泵轮，泵轮带动涡轮旋转，涡轮转动后给进气系统增压。增压器安装在发动机的排气一侧，所以增压器的工作温度很高，而且增压器在工作时转子的转速非常高，可以达到每分钟十几万转，如此高的转速和温度使得常见的机械滚针式滚珠轴承无法为转子工作，因此涡轮增压器普遍采用全浮动轴承，由机油进行润滑，还有冷却液为增压器进行冷却。

涡轮增压的优点是显而易见的，它可以在不增加发动机排量的基础上，大幅度提高功率和扭矩。一台发动机装上涡轮增压器后，其输出的最大功率与未装增压器的相比，可增加大约40%甚至更多。这意味着一台尺寸和重量相同的发动机经增压后可以产生较多的功率，或者说，一台小排量的发动机经增压后，可以产生较大排量发动机相同的功率。另外，发动机在采用了增压技术后，还能提高燃油经济性和降低尾气排放，凡事有利就有弊，涡轮增压也不例外。发动机在采用废气涡轮增压技术后，工作中产生的最高爆发压力和平均温度将大幅提高，从而使发动机的机械性能，润滑性能都会受到影响。

2 转子发动机

转子发动机的优点是转子引擎的转子没旋转一圈就做功三次，与一般的四冲程发动机每旋转两圈才做功一次相比，具有马力容积比（引擎容积较小就能输出较多动力）的优点。另外，由于转子引擎的轴向运转特性，它不需要精密的曲轴平衡就能达到较高的运转转速。整个发动机只有两个转动部件，与一般的四冲程发动机具有进排气活门等二十多个活动部件相比结构大大简化，发生故障的可能性也大大减小。除了以上的优点外，转子引擎的优点亦包括体积小，重量轻，低重心，震动小等。同时其缺点也较为明显。油耗高污染重。由于没有往复式发动机的高压缩比，使得燃烧不能够很充分。虽然马自达公司曾经给转子发动机增加了单涡轮增压和双涡轮增压等装置，但只是提高了输出马力，并适度的减少了尾气排放，但還是与往复式发动机有着很大的差距。同时其还有磨损严重，零部件寿命短；部分标准欠缺；利益问题等缺点。这些缺点严重制约了转子发动机的发展，以至于其没有被大量应用于汽车产业上。

3 固体火箭发动机

固体火箭发动机由药柱，燃烧室，喷管组件和点火装置等组成。药柱是由推进剂与少量添加剂制成的中空圆柱体（中空部分为燃烧面，其横截面形状有圆形，星形等）。药柱置于燃烧室（一般即为发动机壳体）中。在推进剂燃烧时，燃烧室须承受2500至3500度的高温和102-2*107帕的高压力，所以须用高强度合金钢，钛合金或复合材料制造，并在药柱与燃烧内壁间装备隔热衬。点火装置用于点燃药柱。通常由电发火管和火药盒（装置火药或烟火剂）组成。通电后由电热丝点燃黑火药，再由黑火药点燃药柱。喷管除使燃气膨胀加速产生推力外，为了控制推力方向，常与推力向量控制系统组成喷管组件。使系统能改变燃气喷射角度，从而实现推力方向的改变。药柱燃烧完毕，发动机便停止工作。固体火箭发动机与液体火箭发动机相比较，工作时间短，加速度大导致推力不易控制，重复起动困难，从而不利于载入飞行。固体火箭发动机主要用作火箭弹，导弹和探空火箭的发动机，以及航天器发射和飞机起飞的助推发动机。

4 涡扇发动机

涡扇发动机称为涡轮风扇发动机，是飞机发动机的一种，由涡轮喷气发动机发展而成。与涡轮喷气比较，主要特点是首级压缩机的面积大很多，同时被用作空气螺旋桨（扇），将部分吸入的空气通过喷射引擎的外围向后推。发动机核心部分空气经过的部分称为内涵道，仅有风扇空气经过的核心机外侧部分称为外涵道。涡扇引擎最适合飞行速度400至1000公里时使用，因此现在多数的飞机引擎都采用涡扇作为动力来源。

5 新能源

进入21世纪以来，石油资源面临不足，各国把发展新能源汽车提上了日程。目前，主要的新能源汽车还是以太阳能与氢能为主。太阳能就是使用太阳能帆布，将太阳能转化为电能储存到汽车蓄电池中，再以蓄电池提供电力为汽车提供动力。此套系统的发动机，也就是电动机技术已经十分成熟。难点在于如何能够在短时间内收集足够多的电量为发动机提供能量，这也就是各国目前的研究重点。另一个主流新能源便是氢能。利用氢气燃烧生成水的过程所放出的热量为动力推动发动机运行，而反应生成的水又可通过化学反应生成氢气再次使用。此套系统动力强劲，并且可以做到真正的零排放，是一套非常理想的的方案。但难题在于氢气的储存与运输。氢气是一种非常活泼的气体，稍有不慎就会发生爆炸。同时目前淡水资源匮乏，无法提供足够多的淡水去生产氢气。所以，目前新能源汽车的发展遇到了瓶颈。希望各国科学家能尽早研制出一套成熟并可靠的系统。

经过笔者的介绍，相信大家对几种较为先进的发动机技术有了一定的了解，笔者也在此过程中积累了一些过程装备的相关知识。

最后，感谢中外所有在发动机领域做出贡献的学者们，是我学习和不断提升的不竭源泉；还有为我论文提出宝贵意见的人们：教学与科研经验丰富的老师和不断帮助我的同学们。

参考文献

[1]赵雨旸.增压器.北京化学工业出版社.2005

[2]辛动.三角转子发动机.1981

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