發(fā)動(dòng)機(jī)使用活塞和汽缸，因此它們產(chǎn)生的動(dòng)力是連續(xù)的來回，推拉或往復(fù)的運(yùn)動(dòng)。許多機(jī)器（幾乎所有車輛）都依賴于輪子的轉(zhuǎn)動(dòng)-換句話說，是旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。其功用是將活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)榍S的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)將作用于活塞上的力轉(zhuǎn)變?yōu)榍S對(duì)外輸出的轉(zhuǎn)矩，以驅(qū)動(dòng)汽車車輪轉(zhuǎn)動(dòng)。曲柄連桿機(jī)構(gòu)由活塞組、連桿組和曲軸、飛輪組等零部件組成。



  將往復(fù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的另一種方法是使用齒輪。這就是蘇格蘭出色的工程師 詹姆斯·瓦特（James Watt，1736–1819）在1781年決定做的，當(dāng)時(shí)他發(fā)現(xiàn)，在改進(jìn)的蒸汽機(jī)設(shè)計(jì)中需要使用的曲柄機(jī)構(gòu)實(shí)際上已經(jīng)獲得了專利保護(hù)。瓦特的設(shè)計(jì)被稱為太陽齒輪和行星齒輪，由兩個(gè)或多個(gè)齒輪組成，其中一個(gè)齒輪（行星齒輪）被活塞桿上下推動(dòng)，圍繞另一個(gè)齒輪（太陽齒輪）運(yùn)動(dòng)并引起該齒輪旋轉(zhuǎn)。



  一些發(fā)動(dòng)機(jī)和機(jī)器需要將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成往復(fù)運(yùn)動(dòng)。為此，您需要一種與曲軸相反的方式工作，即凸輪。甲凸輪是一個(gè)非圓形（通常蛋形）輪，其具有類似棒擱置在其上。當(dāng)車軸轉(zhuǎn)動(dòng)車輪時(shí)，車輪使桿向上和向下上升。試想一下一輛車輪呈蛋形的汽車。在行駛過程中，車輪（凸輪）照常轉(zhuǎn)動(dòng)，但車身同時(shí)上下彈跳，因此旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)會(huì)在乘客中產(chǎn)生往復(fù)運(yùn)動(dòng)！是不是很奇怪？但這種齒輪也有特殊的用處。

  凸輪可用于各種機(jī)器。電動(dòng)牙刷中有一個(gè)凸輪， 隨著內(nèi)部的電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)，牙刷可以前后移動(dòng)。



  引擎的效率如何？



  值得注意的是卡諾得出的結(jié)論：發(fā)動(dòng)機(jī)（的效率取決于其運(yùn)行的最高和最低溫度。用數(shù)學(xué)術(shù)語來說，卡諾氏發(fā)動(dòng)機(jī)在Tmax（最高溫度）和Tmin（最低溫度）之間運(yùn)行的效率為：



  （Tmax-Tmin）/ Tmax



  兩種溫度均以開爾文（K）為單位。在循環(huán)開始時(shí)提高氣缸內(nèi)流體的溫度使其效率更高。在循環(huán)的相反極端降低溫度也會(huì)使其效率更高。換句話說，真正高效的發(fā)動(dòng)機(jī)在最大可能的溫差之間運(yùn)行。換句話說，我們希望Tmax盡可能高，而Tmin盡可能低。這就是為什么之類的蒸汽渦輪機(jī)在電廠必須使用冷卻塔盡可能地冷卻蒸汽：這就是它們從蒸汽中獲取最大能量并產(chǎn)生最大電力的方式。在現(xiàn)實(shí)世界中，諸如汽車和飛機(jī)之類的移動(dòng)車輛顯然沒有冷卻塔之類的東西，并且很難實(shí)現(xiàn)較低的Tmin溫度，因此提高Tmax是我們通常重點(diǎn)關(guān)注的問題。汽車，卡車，噴氣式飛機(jī)和太空火箭中的真實(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)在極高的溫度下工作（因此，它們必須由合金和陶瓷等高溫材料制成）。

  引擎類型：



  外燃發(fā)動(dòng)機(jī)



  最早的蒸汽機(jī)是覆蓋整個(gè)建筑物的巨型機(jī)器，通常用于從淹沒的礦井中抽水。他們?cè)?8世紀(jì)初期由英國(guó)人Thomas Newcomen（1663 / 4–1729）率先開發(fā)，它們只有一個(gè)汽缸和一個(gè)活塞，活塞與來回?fù)u擺的大橫梁相連。通常，將重梁向下傾斜，以使活塞在氣缸中處于較高位置。將蒸汽泵入鋼瓶中，然后將水噴入，冷卻蒸汽，產(chǎn)生部分真空，并使光束反向傾斜，然后再重復(fù)該過程。梁式發(fā)動(dòng)機(jī)是一項(xiàng)重要的技術(shù)進(jìn)步，但它們太大，太慢且效率低下，無法為工廠的機(jī)器和火車提供動(dòng)力。



  蒸汽機(jī)



  在1760年代，詹姆斯·瓦特（James Watt）大大改進(jìn)了紐科門的蒸汽機(jī)，使其更小，更高效，更強(qiáng)大，并有效地將蒸汽機(jī)轉(zhuǎn)變?yōu)楦鼘?shí)用，更實(shí)惠的機(jī)器。瓦特的工作導(dǎo)致了可以在工廠中使用的固定式蒸汽機(jī)以及可以為蒸汽機(jī)車提供動(dòng)力的緊湊型移動(dòng)式發(fā)動(dòng)機(jī)。



  斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)



  并非所有的外部?jī)?nèi)燃機(jī)都巨大且效率低下。蘇格蘭神職人員羅伯特·斯特林（Robert Stirling，1790–1878年）發(fā)明了一種非常聰明的發(fā)動(dòng)機(jī)，該發(fā)動(dòng)機(jī)具有兩個(gè)氣缸，兩個(gè)氣缸帶有活塞，為兩個(gè)驅(qū)動(dòng)單個(gè)車輪的曲柄提供動(dòng)力。一個(gè)鋼瓶保持永久高溫（由外部能源加熱，從煤火到地?zé)崮茉淳桑?，另一個(gè)鋼瓶保持永久低溫。發(fā)動(dòng)機(jī)的工作原理是通過一個(gè)稱為蓄熱器的裝置在汽缸之間來回往復(fù)輸送相同體積的氣體（永久密封在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部）。這有助于保留能量并大大提高發(fā)動(dòng)機(jī)的效率。斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)雖然總是由外部熱源提供動(dòng)力，但不一定涉及燃燒。在我們有關(guān)斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的主要文章中找到更多信息。



  內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)



  在19世紀(jì)中葉，包括法國(guó)人約瑟夫·埃蒂安·萊諾瓦（JosephétienneLenoir，1822–1900年）和德國(guó)尼古拉斯·奧托（Nikolaus Otto，1832年至1891年）等幾位歐洲工程師完善了燃燒汽油的內(nèi)燃機(jī)。對(duì)于卡爾·奔馳（1844–1929）來說，將這些發(fā)動(dòng)機(jī)中的一個(gè)連接到三輪車上并制造出世界上第一臺(tái)汽油動(dòng)力汽車僅一步之遙。



  柴油機(jī)



  在19世紀(jì)后期，另一位德國(guó)工程師Rudolf Diesel（1858–1913年）意識(shí)到，他可以制造出一種功能更強(qiáng)大的內(nèi)燃機(jī)，該內(nèi)燃機(jī)可以消耗各種不同的燃料。與汽油發(fā)動(dòng)機(jī)不同，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)燃料的壓縮更多，因此它自發(fā)爆炸成火焰并釋放出鎖定在其中的熱能。如今，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)仍然是驅(qū)動(dòng)重型車輛（例如卡車，輪船和建筑機(jī)械）以及許多汽車的首選機(jī)器。



  旋轉(zhuǎn)式發(fā)動(dòng)機(jī)



  內(nèi)燃機(jī)的缺點(diǎn)之一是它們需要?dú)飧?，活塞和旋轉(zhuǎn)的曲軸來利用其動(dòng)力：氣缸是固定的，而活塞和曲軸卻在不斷移動(dòng)。旋轉(zhuǎn)式發(fā)動(dòng)機(jī)是與內(nèi)燃機(jī)截然不同的設(shè)計(jì)，其中“汽缸”（并非總是呈圓柱狀）圍繞有效的固定曲軸旋轉(zhuǎn)。盡管旋轉(zhuǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)的歷史可以追溯到19世紀(jì)，但最著名的設(shè)計(jì)也許是相對(duì)現(xiàn)代的Wankel旋轉(zhuǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)，尤其是在某些日本馬自達(dá)汽車中使用。



  發(fā)動(dòng)機(jī)的最大效率是多少？



  熱力發(fā)動(dòng)機(jī)的效率是否有限制？是! 最小值永遠(yuǎn)不能小于零（絕對(duì)為零），因此，根據(jù)上面的等式，沒有任何一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的效率可以超過Tmax / Tmax = 1，這與100％的效率相同，而大多數(shù)實(shí)際的發(fā)動(dòng)機(jī)不會(huì)到達(dá)那附近。如果您的蒸汽機(jī)在50°C到100°C之間運(yùn)行，則效率約為13％。為了使效率達(dá)到100％，您必須將蒸汽冷卻至絕對(duì)零（?273°C或0K），這顯然是不可能的。即使您可以將其冷卻至凍結(jié)（0°C或273K），您仍然只能管理27％的效率。



  這也有助于我們理解為什么后來的蒸汽機(jī)（由Richard Trevithick和Oliver Evans等工程師率先使用）使用更高的壓力比。托馬斯·紐科門（Thomas Newcomen）等人產(chǎn)生的蒸汽更多，高壓發(fā)動(dòng)機(jī)更小，更輕，并且更易于安裝在行駛中的車輛上，但它們的效率也更高。在更高的壓力下，水在更高的溫度下會(huì)沸騰，這給我們帶來了更高的效率。



  在兩倍大氣壓下，水在約120°C（393K）時(shí)沸騰，在最低溫度為0°C時(shí)效率為30％。在四倍大氣壓下，沸騰溫度為143°C（417K），效率接近35％。這是一個(gè)很大的進(jìn)步，但距離100％仍有很長(zhǎng)的路要走。發(fā)電廠的蒸汽輪機(jī)使用的壓力確實(shí)很高（通常是大氣壓的200倍以上）。在200個(gè)大氣壓下，水在約365°C（?640K）的溫度下沸騰，從而產(chǎn)生最大的 如果我們也可以將水冷卻至凍結(jié)狀態(tài)（并且沒有其他熱量損失或效率低下），則理論效率約為56％。即使在那些極端和理想的條件下，我們離100％的效率還有很長(zhǎng)的路要走。真正的渦輪機(jī)更有可能達(dá)到35％至45％。制造高效的發(fā)動(dòng)機(jī)比看起來困難得多！