內燃機
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內燃機（英語：Internal combustion engine，縮寫為ICE）是熱機的一種，能將燃料的化學能轉化動能。一般的實現方式為，燃料與空氣混合燃燒，產生熱能，氣體受熱膨脹，透過機械裝置轉化為機械能對外做功。[1]內燃機有非常廣泛的應用，車輛、船舶、飛機、火箭等的引擎基本都是內燃機，其最常見的例子即為車用汽油機與柴油機。
內燃機的燃燒氣體同時也是工作介質，比如汽油機中，汽油燃燒後的氣體直接推動活塞做功。與此相對，燃料不作為工作介質的熱機則稱為外燃機，比如蒸汽機的工作介質（蒸氣）並不是燃料。
能量轉化原理
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作為熱機的一種，內燃機的能量來源是燃料燃燒產生的熱，即物質蘊含的化學能先要轉化為熱能，再成為機械能[2]。液體通過相態的變化（汽化）就能增加壓力，而氣體受熱膨脹也能增大壓力，因此液體和氣體都理論上都可以作為工作介質使用。內燃機的工作介質多為燃料與空氣混合燃燒產生的氣體，在受熱膨脹後，壓力增大，高溫高速的氣體再通過一定的機械裝置對外做工。對於內燃機而言，工作介質必須更換（開式循環），即排放燃燒過的氣體，進入新鮮氣體。[1]
歷史
[編輯]早期
[編輯]1670年，荷蘭的物理學家惠更斯用火藥在汽缸內燃燒，熱能膨脹推動活塞運動，形成了現代「內燃機」的工作原理[3]。
1801年，法國化學家菲利埔·勒本發明了煤氣氫氣內燃機，他採用煤乾餾得到的煤氣和氫氣，與空氣混合後點燃產生膨脹力推動活塞。
1862年，法國工程師艾蒂安·勒努瓦發明以天然氣為原料的二衝程臥式內燃機[4]。
近代
[編輯]在18世紀開始廣泛使用的蒸汽機（為外燃機）促進了當時工業化的發展，但是其效率較低，結構笨重，與此同時，內燃機基本仍處於試驗階段。
1860年，比利時工程師艾蒂安·勒努瓦以蒸汽機為藍本，製成了首台燃氣發動機（以天然氣為燃料），同時也是世界上第一台實用的內燃機，獲得了專利並批量生產。儘管這台內燃機的效率僅有2%－3%，但其宣告了蒸汽時代即將結束。[5][6]
德國工程師尼古拉斯·奧托在1862年－1876年間，使得燃氣發動機的熱效率達到了10%，這通過較高的氣體熱膨脹來實現。因為此發動機效率高出同期產品一倍，在1867年的巴黎博覽會上榮獲了最高獎。1876年，奧拓製成了「新奧托發動機」（德語：Neuer Otto-Motor），引入了壓縮行程的概念，氣體可以被壓縮至2.36巴，將效率進一步提高至12%，這即為四衝程發動機的原型，即奧托循環。不過這台發動機使用煤氣為燃料，阻礙了其推廣。[5]
1885年，戈特利布·戴姆勒製成了第一台汽油機，並於次年造出第一輛用汽油機驅動的汽車[7]。
1893年魯道夫·狄塞爾也製成了一台四衝程發動機，即世界首台柴油機。空氣在壓縮行程中被活塞劇烈壓縮而產生高溫，之後燃料被噴入氣缸，隨即發生自燃。通過大幅高壓縮比的方法，使得效率接近了27%。不過早期的燃料都是依靠空氣被噴射入氣缸的，直至1922年博世開發出了機械噴射裝置。[8]
1903年，挪威工程師埃吉迪烏斯·艾林製成了一台燃氣渦輪發動機，這是首台能靠燃燒產生的動力對外做功的燃氣渦輪發動機，因此他也被稱作燃氣渦輪發動機之父。[9]
德國工程師菲力斯·汪克爾在1929年即獲得了轉子發動機專利，這種特殊的活塞式發動機因此被廣泛稱作汪克爾發動機，但發動機的成品直到1950年代才出現。
在1930年代，英國人弗蘭克·惠特爾和德國人漢斯·馮·奧海恩各自取得了渦輪噴氣發動機的專利，而被認為是噴氣發動機的發明人。[10]
分類
[編輯]內燃機均需要藉助於燃料燃燒，根據工作原理的不同，內燃機可表現出不同的燃燒方式，或者機械能產生與利用方式的區別。內燃機具體實現的技術繁多，從工作原理上可粗略地作如下劃分：（值得注意的是少量噴氣發動機不是內燃機）
| 內燃機 |
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其中循環燃燒是指燃料的燃燒、做功、更換等過程都是可以從時間上區分的，內燃機總是在不斷重複每一次的循環過程。而對於連續燃燒的內燃機而言，所有過程是混合在一起的，或者說時刻都在發生。
內燃機只有在作功的過程才可以產生動能，連續燃燒的內燃機隨時都有混合氣體在推動渦輪，產生動能，但單個循環燃燒的內燃機（轉子發動機除外），只有在做功過程才會產生動能，其他階段不會產生動能，因此轉矩的波動較大。因此有些應用會使用多個內燃機，再用曲軸或其他機種輔助，使各內燃機做功的過程錯開，任一時間都有一內燃機在做功，可以減少轉矩的波動。
往復活塞式內燃機
[編輯]汽車上最常見的汽油機與柴油機都屬於往復活塞式內燃機。氣缸的內空氣與燃料的混合氣燃燒後，高壓氣體推動曲柄連杆機構產生扭矩，通過曲軸對外做功，即燃料的化學能最終轉化為曲軸旋轉的動能。汽油機一般是點燃式發動機，燃料與空氣的混合氣體在壓縮行程的末端被火花塞點燃，隨即發生爆炸並推動活塞作往復運動；而柴油機也叫壓燃式發動機，燃料一般被噴入氣缸並發生自燃，自燃後的混合氣體也因膨脹而推動了活塞。除了點燃和壓燃這兩種主要方式外，還有複合式燃燒過程，兼具點燃與壓燃式內燃機的特點。[1]
往復活塞式內燃機的工作周期被分為進氣、壓縮、做功、排氣共四個過程。通過進氣與排氣，將燃料與工作介質進行更換，而做功行程則是將熱能轉化為機械能。通過四個衝程（即活塞從氣缸的一端移動向另一端）完成循環的被稱作四衝程循環，汽車發動機多採用這種形式。只需兩個衝程即完成一次循環的被稱作二衝程循環，在較小功率的發動機如摩托車發動機上較為常見，另外還有NEVIS等方式。
轉子發動機
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轉子發動機是一種特殊的活塞式發動機，與往復式發動機的最大區別在於，使用轉子活塞驅動的偏心機構代替了曲柄連杆機構。從側面看，轉子是一個具有凸出弧邊的三角形，氣缸的內壁是余擺線（Trochoid），當轉子旋轉時，轉子的三個頂點沿汽缸壁形成了三個相互分隔的燃燒室，偏心機構使得每個燃燒室的容積不斷改變，與往復活塞式內燃機中活塞上下運動產生的效果類似。轉子每工作一圈，每個燃燒室都能各自完成一次燃燒的循環過程。[1]這種發動機在汽車、摩托車、飛機上有少量使用。
燃氣渦輪發動機
[編輯]燃氣渦輪發動機是一種連續燃燒的內燃機，其循環的各個狀態的改變發生在空間互相分隔的部件中（壓縮機、燃燒室、渦輪機），彼此通過導流部件相連，燃料的供給、燃燒、更換等過程都是持續的。空氣首先由壓縮機加壓，接着進入燃燒室，燃料同時也被噴入燃燒室，兩者混合燃燒，形成的高溫高壓氣體會推動渦輪，一部分能量用以繼續驅動壓縮機，另一部分則用以對外做功。燃料的化學能最終以渦輪旋轉（旋轉動能）的形式被加以利用，剩餘的氣體則被當作廢氣排出。[1]這種發動機在船舶上有廣泛使用。
噴氣發動機
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大多數的噴氣發動機都是內燃機，其燃燒過程也是連續的。一般在噴氣發動機中，燃燒產生的高壓氣流向外噴射，依據牛頓第三定律產生的反作用力形成推力，如此在理論上即使位於真空的環境中也能夠產生推力，不過也有一些例外，比如渦輪風扇發動機中的一部分氣流並未經過燃燒，使這種發動機兼具渦輪噴氣發動機與渦輪螺旋槳發動機的特點。大部分內燃機是使高溫氣體推動機械裝置旋轉的形式對外作功，即能量最後以旋轉動能的方式呈現，而在許多噴氣發動機中，可對外作功的能量以高溫氣體的動能為最終表現形式。噴氣發動機的種類繁多，在飛機上有廣泛使用。
火箭發動機基本都屬於噴氣發動機，[11] 不過少數使用電能、核能、太陽能等的火箭發動機不屬於熱機範疇，自然也就不是內燃機。
燃料
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內燃機使用的燃料非常廣泛，一般都是碳氫化合物，[1]比較常見的有：
- 汽油：汽油機普遍使用，多用於驅動汽車、摩托車等。
- 柴油：柴油機普遍使用，燃氣渦輪發動機上也常見，多用於驅動汽車、船舶等。
- 航空煤油：多用於噴氣式發動機，在飛機、火箭上有廣泛使用。
- 液化石油氣：車用液化石油氣的性能與汽油和柴油大致相當，大多數使用液化石油氣的汽車同時會使用汽油或者柴油，即雙重燃料系統。[12]
- 壓縮天然氣：作為汽車發動機的燃料有少量應用。[13][14]
- 生物燃料：為可再生能源，如生物柴油、二甲醚、甲烷、乙醇等均可從生物質中獲取。
- 氫氣：一種常見的火箭發動機燃料，也是氫氣車的燃料。
氧化劑
[編輯]內燃機的燃料需要氧化才能產生能量，因此也需要氧化劑。最常見的氧化劑是空氣中的氧氣，好處是不需另外儲存，可以提昇功率重量比及功率體積比，在一些特別應用中會需要其他的氧化劑，可能是因為提昇功率，或是在水底或太空等沒有空氣的場合：以下是一些曾用到內燃機中，不是空氣的氧化劑。
- 壓縮空氣曾用在魚雷上。
- 加入一些壓縮空氣的壓縮氧氣，曾用在日製的93型魚雷，有些潛水艇會用純氧，火箭上會使用液氧。
- 在一些賽車用油中會加入硝基甲烷，以提昇功率並控制燃燒。
- 戰術飛機會用二氧化氮及額外的汽油來提昇瞬間的沖力，有些特種車輛及伯特·魯坦的航天火箭也是如此。
- 在二次大戰時德國曾研究用過氧化氫作為潛水艇的氧化劑，有些非核子動力的潛水艇、火箭（黑箭號運載火箭）及戰鬥機（Me 163戰鬥機）也使用過氧化氫作為氧化劑。
- 氯氣及氟氣也曾在實驗室中用作內燃機的氧化劑，但沒有實務上的應用。
冷卻
[編輯]作為一種熱機，內燃機通常需要冷卻，最主要的冷卻方式為風冷和水冷：[1]
- 風冷：利用空氣壓力和/或風扇使冷卻空氣流經散熱片。
- 水冷：汽車普遍使用的冷卻方式，由循環流動的液體的為內燃機降溫，不過冷卻用的液體不一定是水。相對風冷而言，水冷的效果更加均勻，可靠，噪聲較小，使用比較普遍。
空氣和噪音污染
[編輯]空氣污染
[編輯]內燃機（例如往復式內燃機）在工作時會由於含碳燃料的不完全燃燒而排放大氣污染物。[15]內燃機的最重要排放物是二氧化碳、水汽和一些碳黑顆粒物。取決於工作狀況和油氣比例，內燃機還會排放一氧化碳、氮氧化物、硫化物（主要是二氧化硫）和一些未燃燒的碳氫化合物。
噪音污染
[編輯]內燃機工作時會產生顯著的噪音污染。比如公路上的汽車會產生噪音，飛機飛行時也會產生噴氣噪音（尤其是超音速飛機）。火箭發動機產生的噪音最大。
參考文獻
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