先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)原理

于健堯

摘 要：隨著科技的發(fā)展，人類可利用的交通工具種類越來越多。同時(shí)，為各種交通工具提供動(dòng)力的發(fā)動(dòng)機(jī)的種類也越來越多，技術(shù)越來越復(fù)雜。目前，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)按燃料分可分為柴油機(jī)，汽油機(jī)和天然氣機(jī)；按實(shí)現(xiàn)循環(huán)的行程數(shù)分可分為四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)，二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)；按冷卻方式分可分為水冷式發(fā)動(dòng)機(jī)和風(fēng)冷式發(fā)動(dòng)機(jī)；按點(diǎn)火方式分可分為壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)，點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)；按可燃混合氣形成的方法可分為外部形成混合氣的發(fā)動(dòng)機(jī)和內(nèi)部形成可燃器的內(nèi)燃機(jī)；按進(jìn)氣方式分可分為自然吸氣式發(fā)動(dòng)機(jī)和增壓發(fā)動(dòng)機(jī)；按氣缸數(shù)目分可分為單缸發(fā)動(dòng)機(jī)和多缸發(fā)動(dòng)機(jī)。而航空發(fā)動(dòng)機(jī)可分為活塞和噴氣兩大類，噴氣式可分為渦輪式和沖壓式兩大類，渦輪式的有渦噴，渦扇，渦槳，渦軸四類；沖壓式的有壓燃和超燃，新型的有等離子式，脈沖爆燃式等。火箭發(fā)動(dòng)機(jī)大致可分為固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)與其他能源火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。

關(guān)鍵詞：發(fā)動(dòng)機(jī)類型；發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)造；發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行原理

1 渦輪增壓技術(shù)

廢氣渦輪增壓系統(tǒng)就是我們平時(shí)最常見的渦輪增壓裝置了，增壓器與發(fā)動(dòng)機(jī)無任何機(jī)械聯(lián)系，它實(shí)際上是一種空氣壓縮機(jī)，通過壓縮空氣來增加進(jìn)氣量。它是利用發(fā)動(dòng)機(jī)排出的廢氣慣性沖力來推動(dòng)渦輪室內(nèi)的渦輪，渦輪又帶動(dòng)同軸的葉輪，葉輪壓送由空氣濾清器管道送來的空氣，使之增壓進(jìn)入氣缸。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速增快，葉輪就壓縮更多空氣進(jìn)入氣缸，空氣的壓力和密度增大可以燃燒更多的燃料，相應(yīng)增加燃料量就可以增加發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率。一般而言，加裝廢氣渦輪增壓器后的發(fā)動(dòng)機(jī)功率及扭矩要增大20%-30%.但是廢氣渦輪增壓器技術(shù)也有其必須注意的地方，那就是泵輪和渦輪軸由一根軸相連，也就是轉(zhuǎn)子，發(fā)動(dòng)機(jī)排出的廢氣驅(qū)動(dòng)泵輪，泵輪帶動(dòng)渦輪旋轉(zhuǎn)，渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)后給進(jìn)氣系統(tǒng)增壓。增壓器安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣一側(cè)，所以增壓器的工作溫度很高，而且增壓器在工作時(shí)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速非常高，可以達(dá)到每分鐘十幾萬轉(zhuǎn)，如此高的轉(zhuǎn)速和溫度使得常見的機(jī)械滾針式滾珠軸承無法為轉(zhuǎn)子工作，因此渦輪增壓器普遍采用全浮動(dòng)軸承，由機(jī)油進(jìn)行潤滑，還有冷卻液為增壓器進(jìn)行冷卻。

渦輪增壓的優(yōu)點(diǎn)是顯而易見的，它可以在不增加發(fā)動(dòng)機(jī)排量的基礎(chǔ)上，大幅度提高功率和扭矩。一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)裝上渦輪增壓器后，其輸出的最大功率與未裝增壓器的相比，可增加大約40%甚至更多。這意味著一臺(tái)尺寸和重量相同的發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)增壓后可以產(chǎn)生較多的功率，或者說，一臺(tái)小排量的發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)增壓后，可以產(chǎn)生較大排量發(fā)動(dòng)機(jī)相同的功率。另外，發(fā)動(dòng)機(jī)在采用了增壓技術(shù)后，還能提高燃油經(jīng)濟(jì)性和降低尾氣排放，凡事有利就有弊，渦輪增壓也不例外。發(fā)動(dòng)機(jī)在采用廢氣渦輪增壓技術(shù)后，工作中產(chǎn)生的最高爆發(fā)壓力和平均溫度將大幅提高，從而使發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械性能，潤滑性能都會(huì)受到影響。

2 轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)

轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是轉(zhuǎn)子引擎的轉(zhuǎn)子沒旋轉(zhuǎn)一圈就做功三次，與一般的四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)每旋轉(zhuǎn)兩圈才做功一次相比，具有馬力容積比（引擎容積較小就能輸出較多動(dòng)力）的優(yōu)點(diǎn)。另外，由于轉(zhuǎn)子引擎的軸向運(yùn)轉(zhuǎn)特性，它不需要精密的曲軸平衡就能達(dá)到較高的運(yùn)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速。整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)只有兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)部件，與一般的四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)具有進(jìn)排氣活門等二十多個(gè)活動(dòng)部件相比結(jié)構(gòu)大大簡化，發(fā)生故障的可能性也大大減小。除了以上的優(yōu)點(diǎn)外，轉(zhuǎn)子引擎的優(yōu)點(diǎn)亦包括體積小，重量輕，低重心，震動(dòng)小等。同時(shí)其缺點(diǎn)也較為明顯。油耗高污染重。由于沒有往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)的高壓縮比，使得燃燒不能夠很充分。雖然馬自達(dá)公司曾經(jīng)給轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)增加了單渦輪增壓和雙渦輪增壓等裝置，但只是提高了輸出馬力，并適度的減少了尾氣排放，但還是與往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)有著很大的差距。同時(shí)其還有磨損嚴(yán)重，零部件壽命短；部分標(biāo)準(zhǔn)欠缺；利益問題等缺點(diǎn)。這些缺點(diǎn)嚴(yán)重制約了轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展，以至于其沒有被大量應(yīng)用于汽車產(chǎn)業(yè)上。

3 固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)

固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)由藥柱，燃燒室，噴管組件和點(diǎn)火裝置等組成。藥柱是由推進(jìn)劑與少量添加劑制成的中空?qǐng)A柱體（中空部分為燃燒面，其橫截面形狀有圓形，星形等）。藥柱置于燃燒室（一般即為發(fā)動(dòng)機(jī)殼體）中。在推進(jìn)劑燃燒時(shí)，燃燒室須承受2500至3500度的高溫和102-2*107帕的高壓力，所以須用高強(qiáng)度合金鋼，鈦合金或復(fù)合材料制造，并在藥柱與燃燒內(nèi)壁間裝備隔熱襯。點(diǎn)火裝置用于點(diǎn)燃藥柱。通常由電發(fā)火管和火藥盒（裝置火藥或煙火劑）組成。通電后由電熱絲點(diǎn)燃黑火藥，再由黑火藥點(diǎn)燃藥柱。噴管除使燃?xì)馀蛎浖铀佼a(chǎn)生推力外，為了控制推力方向，常與推力向量控制系統(tǒng)組成噴管組件。使系統(tǒng)能改變?nèi)細(xì)鈬娚浣嵌龋瑥亩鴮?shí)現(xiàn)推力方向的改變。藥柱燃燒完畢，發(fā)動(dòng)機(jī)便停止工作。固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)與液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)相比較，工作時(shí)間短，加速度大導(dǎo)致推力不易控制，重復(fù)起動(dòng)困難，從而不利于載入飛行。固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)主要用作火箭彈，導(dǎo)彈和探空火箭的發(fā)動(dòng)機(jī)，以及航天器發(fā)射和飛機(jī)起飛的助推發(fā)動(dòng)機(jī)。

4 渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)

渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)稱為渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)，是飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的一種，由渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展而成。與渦輪噴氣比較，主要特點(diǎn)是首級(jí)壓縮機(jī)的面積大很多，同時(shí)被用作空氣螺旋槳（扇），將部分吸入的空氣通過噴射引擎的外圍向后推。發(fā)動(dòng)機(jī)核心部分空氣經(jīng)過的部分稱為內(nèi)涵道，僅有風(fēng)扇空氣經(jīng)過的核心機(jī)外側(cè)部分稱為外涵道。渦扇引擎最適合飛行速度400至1000公里時(shí)使用，因此現(xiàn)在多數(shù)的飛機(jī)引擎都采用渦扇作為動(dòng)力來源。

5 新能源

進(jìn)入21世紀(jì)以來，石油資源面臨不足，各國把發(fā)展新能源汽車提上了日程。目前，主要的新能源汽車還是以太陽能與氫能為主。太陽能就是使用太陽能帆布，將太陽能轉(zhuǎn)化為電能儲(chǔ)存到汽車蓄電池中，再以蓄電池提供電力為汽車提供動(dòng)力。此套系統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)，也就是電動(dòng)機(jī)技術(shù)已經(jīng)十分成熟。難點(diǎn)在于如何能夠在短時(shí)間內(nèi)收集足夠多的電量為發(fā)動(dòng)機(jī)提供能量，這也就是各國目前的研究重點(diǎn)。另一個(gè)主流新能源便是氫能。利用氫氣燃燒生成水的過程所放出的熱量為動(dòng)力推動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行，而反應(yīng)生成的水又可通過化學(xué)反應(yīng)生成氫氣再次使用。此套系統(tǒng)動(dòng)力強(qiáng)勁，并且可以做到真正的零排放，是一套非常理想的的方案。但難題在于氫氣的儲(chǔ)存與運(yùn)輸。氫氣是一種非常活潑的氣體，稍有不慎就會(huì)發(fā)生爆炸。同時(shí)目前淡水資源匱乏，無法提供足夠多的淡水去生產(chǎn)氫氣。所以，目前新能源汽車的發(fā)展遇到了瓶頸。希望各國科學(xué)家能盡早研制出一套成熟并可靠的系統(tǒng)。

經(jīng)過筆者的介紹，相信大家對(duì)幾種較為先進(jìn)的發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)有了一定的了解，筆者也在此過程中積累了一些過程裝備的相關(guān)知識(shí)。

最后，感謝中外所有在發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域做出貢獻(xiàn)的學(xué)者們，是我學(xué)習(xí)和不斷提升的不竭源泉；還有為我論文提出寶貴意見的人們：教學(xué)與科研經(jīng)驗(yàn)豐富的老師和不斷幫助我的同學(xué)們。

參考文獻(xiàn)

[1]趙雨旸.增壓器.北京化學(xué)工業(yè)出版社.2005

[2]辛動(dòng).三角轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī).1981