内燃机

# 内燃机 – Bartosz Ciechanowski 来源：https://ciechanow.ski/internal-combustion-engine/ 19 世纪发明的内燃机（https://en.wikipedia.org/wiki/Internal_combustion_engine）彻底改变了陆地、水上和空中的运输方式。尽管如今内燃机无处不在，但其工作原理可能仍让人感到神秘。在这篇文章中，我将解释下方演示中展示的所有基本发动机部件的功能。你可以拖动它从其他角度观察： 谈论机械装置而不展示其运动是很难的，因此本文中的许多演示都是动画形式的。默认情况下所有动画均处于**启用**状态，但如果你觉得它们分散注意力，或者想节省电量，可以**全局暂停**（https://ciechanow.ski/internal-combustion-engine/#）它们。**已禁用**，但如果你希望在阅读时看到动态内容，可以**全局取消暂停**（https://ciechanow.ski/internal-combustion-engine/#）它们。 这样的发动机看起来可能很复杂，但我们将从基本原理逐步构建。实际上，我们从一个简单得多的产生旋转运动的方式开始。 ## 曲柄[](https://ciechanow.ski/internal-combustion-engine/#crank) 让我们看一个简单的曲柄。它由**手柄**、**曲柄臂**和**轴**组成。当**力**施加到手柄上时，轴就会旋转，我们可以通过观察连接的圆盘来看到这一点： 在距离**轴**一定距离处施加**力**会产生扭矩（https://ciechanow.ski/gears/#torque）。我们推**手柄**的力越大，**轴**上的扭矩就越大。这种曲柄机构正是手动咖啡研磨机或自行车中将直线力转换为扭矩的原理。 用自己的肌肉来驱动是一回事，但制造发动机的全部意义在于避免体力劳动，让设备本身做功。为此，我们需要找到一种可靠且易于引导的强大力的来源。幸运的是，这种装置在几百年前就被发明出来了——*大炮*正是我们需要的。在下方的演示中，你可以观察到**炮弹**如何从**大炮**中发射。对角线表示*剖面*视图——它让我们看到原本被遮挡的区域内部的情况： 当火药被点燃时，它会迅速产生大量气体，推动炮弹沿炮管前进。由于炮弹紧密贴合，它只能朝一个方向运动。虽然可靠且易于引导，但炮弹在推动曲柄时效果并不好： 我们只能让**轴**转动一部分，而炮弹早已飞走了。不过，通过一些修改，我们可以更好地利用爆炸的推力。 首先，我们将炮弹替换为一个**活塞**，它具有圆柱形状并在其上钻了一个孔。然后我们使用一个**销**将一根**连杆**连接到**活塞**上，这根**连杆**可以在**曲轴**上自由摆动： 顾名思义，**曲轴**既包含旋转轴，也包含承受力的曲柄部分。通过将这个组件放入一个简化的炮壳——**气缸**中，我们解决了炮弹飞出的问题，因为**活塞**的向下运动受到限制，并会在**曲轴**继续旋转时向上返回： 注意，**活塞**现在在**气缸**内有一个最小和最大位置。沿该长度方向向上或向下的一次移动称为一个*冲程*。如果我们现在触发爆炸，燃烧气体将推动**活塞**向下，从而转动**曲轴**： 这仍然不是一个令人兴奋的机器，因为它只做一次有用的旋转功。为了使其更实用，我们需要不断重复爆炸循环——我们必须添加新的燃料，触发燃烧过程，并排出废气，一次又一次。 像黑火药这样的固体燃料对于自动化机器来说并不实用。处理流体形式的燃料要容易得多——它们的进入可以通过各种阀门控制。我们将修改已经构建的气缸，在燃烧室顶部添加新的开口： 可能很难看清各个开口的布局，所以让我们看一下剖面视图： 通过第一个大的弯曲开口，我们将提供汽油和空气的混合物；通过第二个开口，我们将排出废气。这两个开口将由**进气门**和**排气门**控制。最后，为了点燃混合物，我们将使用由**导线**的暴露端产生的电火花。让我们看看所有部件如何组合在一起： 现在我们准备用这台机器来做有用的功。首先，当**活塞**向下运动时，我们将打开**进气门**，让带有燃料的空气进入，我用黄色表示。这是*进气*冲程： 一旦**活塞**到达其最低位置，**进气门**关闭，**活塞**开始向上运动，压缩空气和燃料的混合物，这提高了燃烧的*热效率*（https://en.wikipedia.org/wiki/Thermal_efficiency）。这是*压缩*冲程： 电压通过导线的开口端，产生火花，点燃空气-燃料混合物。燃烧产生的膨胀气体推动**活塞**向下，在**曲轴**上产生扭矩。这是*做功*冲程： 请注意，气缸内的火焰传播实际上相当复杂（https://youtu.be/xflY5uS-nnw?t=333），你在这里看到的是一个简化的可视化。**气缸**现在充满了废气，我们可以通过打开**排气门**从另一个孔排出废气。这是*排气*冲程： 现在我们回到了起点，循环完成。让我们一同看看这四个步骤： 由于**活塞**向下移动两次，向上移动两次，总共完成了*四个*冲程，我们构建的发动机被称为*四冲程发动机*。注意，**曲轴**需要旋转*两圈*，**活塞**才能完成*一个*完整的工作循环，经历进气、压缩、做功和排气四个阶段。 虽然功能上可行，但我们构建的发动机更像一个玩具示例，并没有展示真正内燃机中许多部件的工程巧思。让我们基于迄今为止设计的原理，构建一个更真实的机器——一种可以在汽车中找到的发动机。 ## 发动机缸体[](https://ciechanow.ski/internal-combustion-engine/#engine-block) 让我们从发动机最大最重的部分开始——*发动机缸体*。它构成了主体和其他部件的安装结构： 注意，这个缸体包含四个大的圆柱形开口（https://ciechanow.ski/internal-combustion-engine/#），定义了四个气缸。回想一下，活塞仅在做功冲程期间对曲轴施加推力，因此大约只有四分之一的时间。这种不均匀的作用会产生大量振动。虽然对于较小的发动机（例如割草机）通常可以接受，但典型的汽车发动机有多个气缸，以确保更均匀的动力输出。我将在文章末尾更深入地讨论这些概念。 由于四个气缸排成一列，我们将构建的发动机被称为直列四缸发动机。其他发动机可能采用不同的气缸排列方式，通常是水平对置（https://en.wikipedia.org/wiki/Flat_engine）或 V 形（https://en.wikipedia.org/wiki/V_engine）配置。 缸体两侧通过各种加强筋加固，以提高结构的刚性——缸体必须承受气缸内爆炸的力量。你可能已经注意到缸体的顶部是完全平坦的——我们很快就会在那里安装另一个部件。如果你查看缸体的剖面，会发现气缸周围的区域是空的： 这些通道是为了让冷却液在气缸周围流动，带走燃烧的热量。虽然我不打算深入探讨发动机冷却的细节，但值得注意，发动机应在特定的工作温度下运行，冷却液泵、恒温器和散热器确保发动机不会过冷或过热。 ## 曲轴[](https://ciechanow.ski/internal-combustion-engine/#crankshaft) 让我们看看要安装到发动机上的第一个大部件——曲轴： 注意，曲轴有五个主要的圆柱形部分，它们定义了其旋转轴线，称为**主轴颈**。还有四个**连杆轴颈**，它们偏离轴线布置。所有轴颈通过**曲柄臂**连接。注意，虽然这里的各部分颜色不同，但整个曲轴是由一块金属制成的。 你可能想知道为什么两个内侧**连杆轴颈**的偏置方式与两个外侧的不同，让我们装上**活塞组件**，看看它们在曲轴上的运动： 由于**连杆轴颈**位于不同位置，四个活塞中的每一个都可以在四冲程循环的不同阶段运行。注意，**主轴颈**中心与**连杆轴颈**中心之间的距离决定了活塞在气缸中上下移动的距离。 真正的活塞及其连杆具有一定质量，因此会在旋转的曲轴上产生重量不平衡。为了抵消这种质量，**曲柄臂**具有拉长的形状，形成配重，有助于平衡轴上的惯性力。 有人可能认为将曲轴安装到**发动机缸体**中就像直接将其放入指定位置一样简单： 不幸的是，这实际上行不通。在发动机运行期间，活塞对曲轴施加很大的力，**主轴颈**会直接摩擦外壳，产生大量摩擦，磨损零件。为了解决这个问题，我们首先需要放入一些**轴承**，使曲轴旋转平稳： 这些金属条看起来不起眼，但**轴承**通常由较软的材料制成，因此它们会首先磨损，从而在发生任何接触时防止曲轴本身退化。然而，大多数情况下，曲轴实际上根本不接触**轴承**。注意**轴承**上的小孔，它与**发动机缸体**内部的相应孔对齐： 通过那个孔，发动机在压力下泵油。曲轴的直径略小于**轴承**的内径，因此油会填充两个表面之间的微小间隙。油的存在在这里至关重要，因为它为*流体动压润滑*（https://en.wikipedia.org/wiki/Lubrication）创造了条件。油会粘附在**轴承**和**曲轴**上，但由于**曲轴**旋转，它会在两个表面之间的**油**中产生速度变化。在下方的演示中，小箭头表示液体的局部速度： 直径的差异导致形成楔形形状，从而产生一个高压区域，将**曲轴轴颈**从**轴承**上抬起。注意，演示中的间隙大小不成比例，但在实际运行的发动机中，旋转的**曲轴**应完全漂浮在一层非常薄的油膜上。 你可能已经注意到，一半的轴承还包含一个小油槽，在压力下形成一个小的油池。此外，曲轴上有小孔： 这些通道实际上是内部连通的，来自轴承油池的油通过曲轴本身的小通道流动。这个巧妙的解决方案将油从**主轴颈**分配到**连杆轴颈**，后者在发动机内部不断改变位置。下面的演示展示了这些通道的典型布置之一以及曲轴内部和表面的**油**的存在： 最后让我们安装**曲轴**。我们将使用五个**端盖**将其夹紧，这些端盖中装有相应的**轴承**，然后**拧紧**所有部件： 这些**螺钉**必须拧紧到精确的扭矩——要足够高，使**端盖**能够承受爆炸通过活塞连杆向下推的力量，将**曲轴**固定到位，但**螺钉**上的扭矩不能太高，以免使曲轴所在的最终开口的圆形形状发生变形。 ## 活塞[](https://ciechanow.ski/internal-combustion-engine/#pistons) 曲轴本身用于接收来自活塞的力，所以让我们近距离看看一个活塞： 首先，注意**活塞**内部的所有空腔。它们是为了减轻重量——**活塞**应尽可能轻，以最小化其往复运动产生的惯性力。在这个活塞中，顶部称为*活塞顶*的部分有一个碟形凹腔。其他活塞可能是平的，或者有更复杂的形状（https://help.summitracing.com/app/answers/detail/a_id/5017/~/piston-styles）。 活塞的直径实际上略小于气缸的直径，否则它们在运动过程中可能会*卡死*，导致灾难性的发动机故障。然而，活塞仍然需要密封燃烧室，防止气体从活塞周围泄漏。这个问题通过放置在**活塞**顶部凹槽中的**活塞环**来解决： 单独的**活塞环**有相当大的间隙，但当放入气缸时，它们被挤压成合适的形状。注意，安装后的环仍然有一个微小的间隙： 虽然当**环**变热膨胀时间隙会缩小，但间隙绝不应该完全闭合，因为环可能在压力下断裂。环尺寸的公差非常精确。由于**环**被挤压成更小的形状，它想要膨胀，这种张力有助于它与气缸壁形成紧密密封。这种张力还通过进入活塞凹槽的加压气体进一步增强，将环进一步推向气缸壁。 我们发动机中的活塞有三个环，上面的两个主要帮助保持燃烧室内的压力。第三个起不同的作用——它是一个*油环*。活塞下方的气缸壁不断被喷油，以确保冲程期间的平稳运动。在向下冲程中，油环刮掉多余的油，油通过环和活塞凹槽中的开口流出： 活塞顶部面对燃烧的巨大热量。环与活塞*和*气缸壁接触，因此它们积极参与散热。此外，由于活塞顶部与热气体接触更紧密，其温度高于下部，因此膨胀更多。为了适应这一点，活塞在顶部是锥形的，这样当活塞的不同区域达到工作温度时，形状更加均匀。 活塞在环下方的区域称为*裙部*。裙部的部分通过一层薄油膜在冲程期间与气缸壁接触，从而稳定活塞。虽然它们看起来是完全圆的，但活塞裙部实际上是略微椭圆的（https://www.enginelabs.com/engine-tech/the-shape-of-things-why-your-piston-skirts-arent-round/）。 **活塞**通过**活塞销**连接到其**连杆**。你可能已经注意到，**活塞**在销孔末端附近有微小的凹槽。我们将在其中放置**卡环**——它们将防止**销**离开孔： 活塞**连杆**本身非常坚固，因为它们必须承受爆炸的力……（原文在此处截断，待续）