變位齒輪
[拼音]：neiranji
[英文]：internal combustion engine
燃料在機器內部燃燒，使放出的熱能直接轉換為動力的熱力發動機，是一種動力機械。廣義上的內燃機不僅包括往復活塞式內燃機、旋轉活塞式發動機和自由活塞式發動機，也包括旋轉葉輪式的燃氣輪機、噴氣式發動機等，但通常所說的內燃機是指活塞式內燃機。活塞式內燃機以往復活塞式最為普遍。活塞式內燃機將燃料和空氣混合，在其氣缸內燃燒，釋放出的熱能使氣缸內產生高溫高壓的燃氣。燃氣膨脹推動活塞作功，再通過曲柄連桿機構（見曲柄滑塊機構）或其他機構將機械功輸出，驅動從動機械工作。活塞式內燃機自19世紀60年代問世以來，經過不斷改進和發展，已是比較完善的機械。它熱效率高、功率和轉速範圍寬、配套方便、機動性好，所以獲得了廣泛的應用。全世界各種型別的汽車均以內燃機為動力。海上商船、內河船舶和常規艦艇（見船舶動力裝置），以及某些小型飛機都由內燃機來推進。內燃機車約佔各類機車的 2/3。拖拉機、農業機械、工程機械、小型移動電站和戰車等也都是用內燃機作為動力。世界上內燃機的保有量在動力機械中居首位，它在人類活動中佔有非常重要的地位。
簡史
活塞式內燃機起源於用火藥爆炸獲取動力，但因火藥燃燒難以控制而未獲成功。1794年，英國人R.斯特里特提出從燃料的燃燒中獲取動力，並且第一次提出了燃料與空氣混合的概念。1833年，英國人W.L.賴特提出了直接利用燃燒壓力推動活塞作功的設計。
煤氣機問世
人們提出過各種各樣的內燃機方案，但在19世紀中葉以前均未付諸實用。直到1860年，法國的┵.勒努瓦模仿蒸汽機的結構設計製造出第一臺實用的煤氣機。這是一種無壓縮、電點火、使用照明煤氣的內燃機。勒努瓦首先在內燃機中採用了彈力活塞環。這臺煤氣機的熱效率為 4％左右。 英國的 W.巴尼特曾提倡將可燃混合氣在點火之前進行壓縮。隨後又有人著文論述對可燃混合氣進行壓縮的重要作用，並且指出壓縮可以大大提高勒努瓦內燃機的效率。1862年，法國科學家A.E.B.de羅沙對內燃機熱力過程進行理論分析之後，提出提高內燃機效率的要求，這就是最早的四衝程工作迴圈。1876年，德國發明家N.A.奧托運用羅沙的原理，創制成功第一臺往復活塞式、單缸、臥式、3.2千瓦（4.4馬力）的四衝程內燃機，仍以煤氣為燃料，採用火焰點火，轉速為156.7轉／分，運轉平穩。在當時，無論是功率還是熱效率，它都是最高的。壓縮比最初為2.66，熱效率達到14％。奧托內燃機獲得推廣，效能也在不斷提高。1880年單機功率達到11～15千瓦(15～20馬力)，到1893年又提高到150千瓦（200馬力）。由於壓縮比的提高，熱效率也隨之增高，1886年熱效率為15.5％，1897年已高達20～26％。1881年，英國工程師D.克拉克研製成功第一臺二衝程的煤氣機，並在巴黎博覽會上展出。
汽油機誕生
隨著石油的開發，比煤氣易於運輸攜帶的汽油和柴油引起了人們的注意。首先獲得試用的是易於揮發的汽油。1883年，德國的G.戴姆勒創制成功第一臺立式汽油機，它的特點是輕型和高速。當時其他內燃機的轉速不超過200轉／分，它卻一躍而達到800轉／分。輕型和高速特別適應交通動輸機械的要求，1885～1886年汽油機作為汽車動力執行成功，大大推動了汽車的發展;同時，汽車的發展又促進了汽油機的改進和提高。不久汽油機又用作小船的動力。
柴油機的發明
1892年，德國工程師R.狄塞爾受麵粉廠粉塵爆炸的啟發，設想將吸入氣缸的空氣高度壓縮，使其溫度超過燃料的自燃溫度，再用高壓空氣將燃料吹入氣缸，使之著火燃燒。他首創的壓縮點火式內燃機(柴油機)於1897年研製成功，為內燃機的發展開拓了新途徑。狄塞爾開始力圖使內燃機實現卡諾迴圈，以求獲得最高的熱效率，但實際上做到的是近似的等壓燃燒。其熱效率達26％。壓縮點火式內燃機的問世，引起了世界機械業的極大興趣。壓縮點火式內燃機也以發明者而命名為狄塞爾引擎 (Diesel engine)。這種內燃機以後大多用柴油為燃料，故又稱為柴油機。1898年，柴油機首先用於固定式發電機組，1903年用作商船動力，1904年裝於艦艇，1913年第一臺以柴油機為動力的內燃機車製成，1920年左右始用於汽車和農業機械。
旋轉活塞式發動機的產生
早在往復活塞式內燃機誕生以前，人們就曾致力於創造旋轉活塞式的內燃機，但均未獲成功。直到 1954年，聯邦德國工程師 F.汪克爾解決了密封問題後才於1957年研製出旋轉活塞式發動機，被稱為汪克爾發動機。它具有近似三角形的旋轉活塞，在特定型面的氣缸內作旋轉運動，按奧托迴圈工作。這種發動機功率高、體種小、振動小、運轉平穩、結構簡單、維修方便，但由於它燃料經濟性較差、低速扭矩低、排氣效能不理想，所以還只是在個別型號的轎車上得到採用。
分類
內燃機的型別繁多，它可以按多種方式分類，最主要的是按它所用的燃料（如柴油、汽油等）和工作迴圈的行程數（四衝程、二衝程）分類，也有按冷卻介質、氣缸排列分類的，還可按點火方式、進氣是否增壓來分類。其詳細分類見表1。
基本組成
往復活塞式內燃機的組成部分主要有曲柄連桿機構、機體和氣缸蓋、配氣機構、供油系統、潤滑系統、冷卻系統、起動裝置等。
氣缸是一個圓筒形金屬機件。密封的氣缸是實現工作迴圈、產生動力的源地(見彩圖)。各個裝有氣缸套的氣缸安裝在機體裡，它的頂端用氣缸蓋封閉著。活塞在氣缸套內可往復運動，並從氣缸下部封閉氣缸，從而形成容積作規律變化的密封空間。燃料在此空間內燃燒，產生的燃氣動力推動活塞運動。活塞的往復運動經過連桿推動曲軸作旋轉運動，一般是曲軸從飛輪端將動力輸出。由活塞組、連桿組、曲軸和飛輪組成的曲柄連桿機構是內燃機傳遞動力的主要部分。
活塞組由活塞、活塞環、活塞銷等組成。活塞呈圓柱形，上面裝有活塞環，藉以在活塞往復運動時密閉氣缸。上面的幾道活塞環稱為氣環，用來封閉氣缸，防止氣缸內的氣體漏洩，下面的環稱為油環，用來將氣缸壁上的多餘的潤滑油刮下，防止潤滑油竄入氣缸。活塞銷呈圓筒形，它穿入活塞上的銷孔和連桿小頭中，將活塞和連桿聯接起來。連桿大頭端分成兩半，由連桿螺釘聯接起來，它與曲軸的曲柄銷相連。連桿工作時，連桿小頭端隨活塞作往復運動，連桿大頭端隨曲柄銷繞曲軸軸線作旋轉運動，連桿大小頭間的杆身作複雜的搖擺運動。曲軸的作用是將活塞的往復運動轉換為旋轉運動，並將膨脹行程所作的功通過安裝在曲軸後端上的飛輪傳遞出去。飛輪能儲存能量，使活塞的其他行程能正常工作，並使曲軸旋轉均勻。為了平衡慣性力和減輕內燃機的振動，在曲軸的曲柄上還適當裝置平衡質量。
活塞位於距曲軸軸線最遠的位置稱為上止點；位於距曲軸軸線最近的位置稱為下止點。上、下止點之間的距離稱為活塞行程。上、下止點之間的氣缸容積稱為氣缸工作容積。
氣缸蓋中有進氣道和排氣道，內裝進、排氣門。新鮮充量（即空氣或空氣與燃料的可燃混合氣）經空氣濾清器、進氣管、進氣道和進氣門充入氣缸。膨脹後的燃氣經排氣門、排氣道和排氣管，最後經排氣消聲器排入大氣。進、排氣門的開啟和關閉是由凸輪軸上的進、排氣凸輪，通過挺柱、推杆、搖臂和氣門彈簧等傳動件分別加以控制的，這一套機件稱為內燃機配氣機構。通常由空氣濾清器、進氣管、排氣管和排氣消聲器組成進排氣系統。
為了向氣缸內供入燃料，內燃機均設有供油系統。汽油機通過安裝在進氣管入口端的化油器將空氣與汽油按一定比例（空燃比）混合，然後經進氣管供入氣缸，由汽油機點火系統控制的電火花定時點燃。柴油機的燃油則通過柴油機噴油系統噴入燃燒室，在高溫高壓下自行著火燃燒。
內燃機氣缸內的燃料燃燒使活塞、氣缸套、氣缸蓋和氣門等零件受熱，溫度升高。為了保證內燃機正常運轉，上述零件必須在許可的溫度下工作，不致因過熱而損壞，所以必須備有冷卻系統（見內燃機冷卻系統）。
在曲柄連桿機構、配氣機構、活塞與氣缸套和傳動齒輪等相互摩擦的零件之間均供入潤滑油進行潤滑，以便減小摩擦，降低磨損，冷卻淨化和防腐，從而保證內燃機正常工作並延長其使用壽命。為此，內燃機設有潤滑系統（見內燃機潤滑系統）。
內燃機不能從停車狀態自行轉入運轉狀態，必須由外力轉動曲軸，使之起動。這種產生外力的裝置稱為起動裝置。常用的有電起動、壓縮空氣起動、汽油機起動和人力起動等方式（見內燃機起動裝置）。
工作迴圈
內燃機的工作迴圈由進氣、壓縮、燃燒和膨脹、排氣等過程組成。這些過程中只有膨脹過程是對外作功的過程，其他過程都是為更好地實現作功過程而需要的過程。按實現一個工作迴圈的行程數，工作迴圈可分為四衝程和二衝程兩類。（見彩圖）
四衝程工作迴圈
在進氣、壓縮、膨脹和排氣四個行程內，即在曲軸旋轉兩圈內完成一個工作迴圈。
（1）進氣行程：活塞由上止點下行到下止點。此時進氣門開啟，排氣門關閉。流過空氣濾清器的空氣，或經化油器與汽油混合形成的可燃混合氣，經進氣管道、進氣門進入氣缸。
（2）壓縮行程：活塞由下止點上行至上止點，此時進、排氣門均關閉，氣缸內氣體受到壓縮，壓力增高，溫度上升。
（3）膨脹行程：在壓縮上止點前即噴油或點火，使混合氣燃燒，產生高溫、高壓的燃氣推動活塞下行並作功，此時活塞由上止點下行至下止點。
（4）排氣行程：在活塞從下止點向上止點運動時推擠氣缸內廢氣經排氣門排出。此後再由進氣行程開始，進行下一個工作迴圈。
二衝程工作迴圈
在兩個行程，即曲軸旋轉一圈內完成一個工作迴圈。當活塞在下止點時，進、排氣口都開啟，新鮮充量由進氣口充入氣缸，並掃除氣缸內的廢氣，使之從排氣口排出。活塞上行，將進、排氣口均關閉，氣缸內充量開始受到壓縮，直至活塞接近上止點時點火或噴油，使氣缸內可燃混合氣燃燒。氣缸內燃氣膨脹，推動活塞下行作功。當活塞下行使排氣口開啟時，廢氣即由此排出，進氣口再開啟時新鮮充量充入氣缸並清除廢氣，活塞繼續下行至下止點時即完成一個工作迴圈。當活塞返回上行時即開始下一個工作迴圈（見二衝程內燃機）。
示功圖
整個工作迴圈中氣缸內氣體壓力隨相應於不同活塞位置時的氣缸內容積而變化的關係曲線，其包圍的面積可表示整個工作迴圈中氣缸內氣體所作的功，故稱為示功圖。示功圖是由示功器測錄的。
換氣過程和配氣相位
內燃機的排氣過程和進氣過程統稱為換氣過程。換氣的主要作用是儘可能把上一迴圈的廢氣排除乾淨，使本迴圈供入儘可能多的新鮮充量，以使盡可能多的燃料在氣缸內完全燃燒，從而發出更大的功率。換氣過程的好壞直接影響內燃機的效能。為此，除了降低進、排氣系統的流動阻力外，主要是使進、排氣門在最適當的時刻開啟和關閉。若用曲軸轉角表示進、排氣門的開啟和關閉的時間，則稱之為配氣相位，也就是說要選擇最合適的配氣相位。實際上，四衝程內燃機的進、排氣門不是在上、下止點位置時開啟和關閉，而是適當地提前開啟和延遲關閉。進氣門是在上止點前即開啟，以保證活塞下行時進氣門有較大的開度，這樣可在進氣過程開始時減小流動阻力，減少吸氣所消耗的功，同時也可充入較多的新鮮充量。當活塞在進氣行程中執行到下止點時，由於氣流慣性，新鮮充量仍可繼續充入氣缸，故使進氣門在下止點後延遲關閉。排氣門也在下止點前提前開啟，即在膨脹行程後部分即開始排氣，這是為了利用氣缸內較高的燃氣壓力使廢氣自動流出氣缸，從而使活塞從下止點向上止點運動時氣缸內氣體壓力低些，以減少活塞將廢氣排擠出氣缸所消耗的功。排氣門在上止點後關閉的目的是利用排氣流動的慣性，使氣缸內的殘餘廢氣排除得更為乾淨。因為排氣門延遲關閉而進氣門提前開啟，在上止點附近就有一段時間進、排氣門同時開啟，這段時間稱為氣門重疊期，如用曲軸轉角表示這重疊期，則稱為氣門重疊角。在氣門重疊期內會有少量新鮮充量充入氣缸後即從排氣門流出，這種現象稱為掃氣。
氣缸點火次序
對於兩缸以上的多缸內燃機來說，雖然各個氣缸都按相同的工作迴圈順序工作，但在同一時刻每個氣缸所進行的工作過程卻不相同。各個氣缸的同名行程按照氣缸數目和排列方式相互隔開一定的曲軸轉角。各個氣缸同名行程的順序稱為氣缸工作順序。氣缸工作順序常以各缸點火的先後次序表示，故又稱之為氣缸點火次序，也稱為氣缸發火次序。
四衝程內燃機在曲軸轉兩圈（即720°曲軸轉角）中，每個氣缸完成一個工作迴圈。要使內燃機運轉平穩，須使每缸作功行程均勻地分佈在720°曲軸轉角內。i個氣缸的四衝程內燃機相鄰點火的各缸間隔角度θ＝720°/i。如6缸內燃機的點火次序可為1-5-3-6-2-4。二衝程內燃機在曲軸轉一圈（即 360°曲軸轉角）中，每個氣缸完成一個工作迴圈，則間隔角度應為θ＝360°/i。
效能引數
內燃機效能主要包括動力效能和經濟效能。動力效能是指內燃機發出的功率（扭矩），表示內燃機在能量轉換中量的大小。標誌動力效能的引數有扭矩和功率等。經濟效能是指發出一定功率時燃料消耗的多少，表示能量轉換中質的優劣，標誌經濟效能的引數有熱效率和燃料消耗率。
扭矩
從內燃機曲軸輸出的扭矩是指：燃料在氣缸內燃燒後燃氣膨脹所產生的功，除了克服內燃機內各部分摩擦阻力和驅動本機輔助裝置外，用於驅動其他工作機械時由曲軸輸出的扭矩。它可用測功器測量。
有效功率
內燃機在單位時間內所輸出的有效功稱為有效功率，又稱輸出功率。在某工況下，用測功器測得內燃機扭矩 Μe（牛·米）、用轉速計測得內燃機轉速n（轉／分）後，可用下式求出有效功率
內燃機銘牌上標明的功率稱為標定功率，或稱為額定功率。與標定功率相當的轉速稱為標定轉速，或額定轉速。
有效熱效率
轉換成內燃機有效功的熱量與所消耗燃料熱量的比值。如果知道所用燃料的低熱值Hu(千焦／千克)，並測得內燃機的有效功率P（千瓦）和每小時燃料消耗量Gb（千克／時），則可按下式求得有效熱效率
內燃機有效熱效率越高，表示燃料的熱量利用得越好，內燃機的燃料經濟性越好。
燃料消耗率
內燃機為輸出每 1千瓦有效功率而在1小時內所消耗的燃料，稱為燃料消耗率ge。對外作功相同的內燃機所消耗的燃料越少，即燃料消耗率越低，則表明內燃機的燃料經濟性越好。
燃料消耗率用下式計算
或
現代內燃機的有效熱效率和燃料消耗率在表2所列範圍之內。
平均有效壓力
內燃機在一個迴圈中單位氣缸容積所發出的有效功。它反映內燃機單位氣缸工作容積輸出扭矩的大小。平均有效壓力pe是內燃機強化程度的重要標誌，並且經常用來表示內燃機的動力效能。其計算公式如下
式中τ為衝程數，四衝程內燃機τ＝4，二衝程內燃機τ＝2；V h 為一個氣缸的工作容積（升）；i為內燃機的氣缸數目。
現代各型別內燃機的平均有效壓力pe一般在表3所列範圍內。
升功率(Pe)
相當於每1升氣缸工作容積所發出的有效功率，可用下式求算
Pe大，則表明內燃機的強化程度高，所以它也是評價內燃機動力效能時常用的引數。
內燃機特性
內燃機按給定條件穩定運轉時，其主要效能引數（功率、燃料消耗率等）與工作狀況的主要引數(轉速、負荷)之間的變化規律稱為內燃機特性。它常用曲線表示，稱為內燃機特性曲線（見圖）。它可用來評定內燃機在不同運轉條件下的動力效能和經濟效能。內燃機的主要特性有負荷特性、速度特性、調速特性、推進特性和萬有特性。
負荷特性
在轉速不變時，主要效能引數（燃料消耗率ge)、燃料消耗量G b和排氣溫度tr等）隨負荷（用平均有效壓力pe或有效功率P 表示）而變化的規律。它可用來評定在固定轉速下工作的內燃機在不同負荷下運轉的經濟性。
速度特性
將內燃機的油量調節機構（如汽油機的節氣門，柴油機噴油泵的齒條或拉桿）固定在某一位置上時，內燃機扭矩Μe、功率P、燃料消耗率ge等主要效能引數隨轉速而變化的規律。油量調節機構固定在標定功率位置時測得的速度特性稱為全負荷速度特性，或稱外特性。
扭矩隨轉速變化的曲線形狀，可以說明內燃機動力效能對外界負荷變化的適應能力，通常用扭矩儲備係數μ m表示
μ m值對工程機械、貨運汽車和拖拉機用內燃機很有意義。因為這類內燃機工作時經常遇到短期超負荷的情況，要求內燃機在降低轉速時發出更大的扭矩，以克服短期過載，避免內燃機熄火或頻繁換檔。
調速特性
將調速手柄固定在某一位置時，由調速器自動控制油量調節機構的變化情況下，有效功率和扭矩與轉速相應變化的規律。它主要用來考核所用調速器的效能是否符合內燃機的使用要求。
推進特性
在船用柴油機按螺旋槳特性P＝An3(A為常數)工作時，各種效能引數隨轉速變化的規律。它用來評定驅動螺旋槳的船用內燃機的效能，以及匹配螺旋槳和確定船舶的經濟航速。
萬有特性
表明內燃機各主要效能引數之間相互關係的綜合特性。它是以轉速 n為橫座標，以平均有效壓力pe和功率P為縱座標，並在座標場中繪出若干條等燃料消耗率ge曲線和等功率P 曲線所構成的曲線族。它可以表示各種轉速、各種負荷狀況下的燃料經濟性，對全面評定內燃機效能，特別是經常在變轉速、變負荷下工作的車用內燃機效能有重要意義。
發展趨勢
與其他熱力發動機相比，往復活塞式內燃機熱效率高（柴油機熱效率為0.40～0.46，汽油機為0.30，汽輪機為0.35，蒸汽機為0.09～0.16，燃氣輪機為0.30），功率範圍大（0.6～40000千瓦），轉速範圍寬（90～6000轉／分，甚至達10000轉／分），配套方便，成本較低，已成為現代動力機械中的重要組成部分，並且仍在不斷地發展。內燃機的發展趨勢是：
（1）改進燃燒過程，提高機械效率，減少散熱損失，降低燃料消耗率；
（2）開發和利用非石油製品燃料、擴大燃料資源；
（3）減少排氣中有害成分， 降低噪聲（見內燃機噪聲）和振動，減輕對環境的汙染（見內燃機排汙）；
（4）採用高增壓技術（見內燃機增壓），進一步強化內燃機，提高單機功率；
（5）研製複合式發動機、絕熱式渦輪複合式發動機；
（6）採用微處理機控制內燃機，使之在最佳工況下運轉。加強結構強度的研究，以提高工作可靠性和壽命(見內燃機壽命)，不斷創制新型內燃機。
參考書目
西安交通大學內燃機教研室編：《內燃機原理》，中國農業機械出版社，北京，1981。
長尾不二夫著，馮中、萬欣等譯校：《內燃機原理與柴油機設計》，機械工業出版社，北京，1984。（長尾不二夫:《內燃機関講義》第3次改著，養賢堂，東京，1977。）