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内燃机（ICE或IC 发动机）是一种热力发动机，其中燃料与氧化剂（通常是空气）在燃烧室中发生燃烧，燃烧室是工作流体流动回路的组成部分。在内燃机中，燃烧产生的高温和高压气体的膨胀对发动机的某些部件施加直接的力。
顶置凸轮轴四冲程汽油发动机中的气缸图： C——曲轴 _ E—— 排气凸轮轴 I—— 进气凸轮轴 P——活塞 _ R——连杆 _ S——火花塞 _ V——阀门。 _ 红色：排气，蓝色：进气。 W——冷却水 套 灰色结构 —— 发动机组 该力通常作用于活塞（活塞发动机）、涡轮叶片（燃气轮机）、转子（汪克尔发动机）或喷嘴（喷气发动机）。这种力将组件移动一段距离，将化学能转化为动能，用于推动、移动或为发动机连接的任何物体提供动力。在发动机的重量或尺寸更重要的应用中，这取代了外燃发动机。 第一台商业上成功的内燃机由étienne Lenoir于1860年左右制造，第一台现代内燃机由Nicolaus Otto于1876年制造。 内燃机一词通常指的是间歇性燃烧的发动机，例如更熟悉的四冲程和二冲程活塞发动机，以及六冲程活塞发动机和汪克尔转子发动机等变体。第二类内燃机使用连续燃烧：燃气轮机、喷气发动机和大多数火箭发动机，它们中的每一种都是内燃机，其原理与前面描述的相同。枪支也是内燃机的一种形式，尽管是一种非常专业的类型，以至于它们通常与迫击炮和高射炮等武器一起被视为一个单独的类别。
卡诺描述理想燃烧循环的图表 相反，在诸如蒸汽或斯特林发动机的外燃发动机中，能量被传递到不由燃烧产物组成、混合或污染的工作流体。用于外燃发动机的工作流体包括在锅炉中加热的空气、热水、加压水甚至液态钠。虽然有许多固定应用，但大多数 ICE 用于移动应用，并且是汽车、飞机和船只等车辆的主要电源。 内燃机通常由天然气等化石燃料或汽油、柴油或燃料油等石油产品提供动力。可再生燃料（如生物柴油）用于压缩点火 (CI) 发动机，生物乙醇或ETBE（乙基叔丁基醚）用于火花点火 (SI) 发动机中的生物乙醇。早在1900年，柴油机的发明者鲁道夫·迪塞尔 ( Rudolf Diesel ) 就使用花生油来驱动他的发动机。可再生燃料通常与化石燃料混合。氢很少使用，可以从化石燃料或可再生能源中获得。 内燃机历史: 各种科学家和工程师为内燃机的发展做出了贡献。1791年，约翰·巴伯发明了燃气轮机。1794年，Thomas Mead获得了燃气发动机的专利。同样在1794年，罗伯特街获得了内燃机专利，这也是第一个使用液体燃料的内燃机，并在那个时候制造了发动机。1798年，约翰史蒂文斯制造了第一台美国内燃机。
汽车的往复式发动机 1807年，法国工程师Nicéphore Niépce（后来发明了摄影）和Claude Niépce使用受控粉尘爆炸的Pyréolophore运行原型内燃机，该发动机已获得拿破仑·波拿巴的专利。这台发动机为法国索恩河上的一艘船提供动力。 同年，瑞士工程师弗朗索瓦·艾萨克·德·里瓦兹（ Franois Isaac de Rivaz）发明了一种基于氢的内燃机，并通过电火花为发动机提供动力。1808年，德·里瓦兹将他的发明安装在一辆原始的工作车辆上——“世界上第一辆内燃动力汽车”。1823年，塞缪尔·布朗为第一台工业应用的内燃机申请了专利。 1854年在英国，意大利发明家欧金尼奥·巴尔桑蒂和费利斯·马特乌奇获得了认证：“通过气体爆炸获得动力”。1857年，Great Seal 专利局授予他们第1655 号专利，用于发明“从气体中获取动力的改进装置”。Barsanti 和Matteucci于1857年至1859年间在法国、比利时和皮埃蒙特获得了相同发明的其他专利。 1860年，比利时工程师让·约瑟夫·艾蒂安·勒努瓦（ Jean Joseph Etienne Lenoir）生产了一个燃气内燃机。1864年，Nicolaus Otto为第一台大气气体发动机申请了专利。1872年，美国人乔治布雷顿发明了第一台商用液体燃料内燃机。1876年，尼古拉斯·奥托开始与戈特利布·戴姆勒和威廉·迈巴赫合作，为压缩充气四冲程发动机申请了专利。 1879年，卡尔·本茨为可靠的二冲程汽油发动机申请了专利。后来，在1886年，奔驰开始了第一个商业生产带有内燃机的机动车辆，其中一个三轮四循环发动机和底盘形成一个单一的单元。1892年，鲁道夫·迪塞尔开发了第一台压缩充气压缩点火发动机。1926年，罗伯特·戈达德发射了第一颗液体燃料火箭。1939年，Heinkel He178成为世界上第一架喷气式飞机。 词源: 曾经，引擎这个词（通过古法语，来自拉丁语 ingenium，“能力”）表示任何机器——一种在诸如siege engine等表达中持续存在的意义。“马达”（来自拉丁语motor，“mover”）是任何产生机械动力的机器。传统上，电动机不被称为“发动机”。然而，内燃机通常被称为“马达”。（电动机是指由电力驱动的机车。）在划船中，安装在船体中的内燃机称为发动机，但位于横梁上的发动机称为发动机。 应用: 迄今为止，往复式活塞发动机是陆地和水上交通工具最常见的动力来源，包括汽车、摩托车、轮船以及在较小程度上的机车（一些是电动的，但大多数使用柴油发动机 ）。Wankel设计的旋转发动机用于一些汽车、飞机和摩托车。这些统称为内燃机汽车（ICEV）。
备用电源用柴油发电机 在需要高功率重量比的情况下，内燃机以燃气轮机的形式出现，或者有时以汪克尔发动机的形式出现。动力飞行器通常使用可以是往复式发动机的 ICE。飞机可以改用喷气发动机，直升机可以改用涡轮轴；两者都是涡轮机的类型。除了提供推进力外，客机还可以使用单独的 ICE 作为辅助动力装置。汪克尔发动机安装在许多无人驾驶飞行器上。 ICE 驱动为电网供电的大型发电机。它们以燃气轮机的形式出现，典型的电力输出在大约100兆瓦的范围内。联合循环发电厂使用高温废气使水蒸汽沸腾和过热来运行蒸汽轮机。因此，效率更高，因为从燃料中提取的能量比单独由内燃机提取的能量多。联合循环发电厂的效率在50% 到 60%之间。在较小的范围内，诸如燃气发动机或柴油发电机之类的固定发动机用于备用或为未连接到电网的区域提供电力电网。 小型发动机（通常是2冲程汽油/汽油发动机）是割草机、剪线机、链锯、吹叶机、高压清洗机、雪地摩托、摩托艇、舷外发动机、轻便摩托车和摩托车的常见动力源。 往复式发动机: 往复式内燃机的基础是发动机缸体，它通常由铸铁（由于其良好的耐磨性和低成本）或铝制成。在后一种情况下，气缸套由铸铁或钢制成，或涂层，如nikasil或alusil。发动机缸体包含气缸。在多缸发动机中，它们通常排列成1 排（直列发动机）或2排（水平对置发动机或V 型发动机）；3行偶尔使用（W引擎)在当代发动机中，其他发动机配置是可能的并且已经使用。单缸发动机（或重击器）在摩托车和轻型机械中的其他小型发动机中很常见。
柴油发动机气缸盖上方的气门机构。该发动机使用摇臂，但没有推杆。 在气缸的外侧，包含冷却液的通道被浇铸到发动机缸体中，而在一些重型发动机中，这些通道是可更换的可拆卸气缸套类型。水冷式发动机在发动机缸体中包含冷却液循环的通道（水套）。一些小型发动机是风冷的，气缸体没有水套，而是有散热片从气缸体伸出，通过直接将热量传递给空气来冷却发动机。气缸壁通常通过珩磨来完成，以获得能够保留更多油的十字槽。太粗糙的表面会因活塞过度磨损而迅速损坏发动机。 活塞是一种短的圆柱形部件，将气缸的一端与压缩空气和燃烧产物的高压隔离开来，并在发动机运转时在其中连续滑动。在较小的发动机中，活塞由铝制成。而在较大的应用中，它们通常由铸铁制成。活塞的顶壁称为其顶部，通常是平的或凹的。一些二冲程发动机使用带有导流头的活塞。除了整体的加强结构（活塞腹板）外，活塞在底部是开放的并且是中空的。 当发动机工作时，燃烧室中的气体压力对活塞顶施加一个力，该力通过其腹板传递到活塞顶。活塞销。每个活塞的圆周上都装有环，主要防止气体泄漏到曲轴箱或油进入燃烧室。通风系统将在正常运行期间通过活塞逸出的少量气体（窜气）从曲轴箱中排出，这样它就不会积聚污染油并产生腐蚀。在二冲程汽油发动机中，曲轴箱是空气-燃料路径的一部分，由于它的连续流动，二冲程发动机不需要单独的曲轴箱通风系统。 气缸盖通过许多螺栓或螺柱连接到发动机缸体上。它有几个功能。气缸盖密封与活塞相反一侧的气缸；它包含用于进气和排气的短管道（端口）以及相关的进气门，这些进气门打开以使气缸充满新鲜空气，而排气门则打开以使燃烧气体逸出。 然而，二冲程曲轴箱扫气发动机将气口直接连接到气缸壁，没有提升阀。相反，活塞控制它们的打开和闭塞。在火花点火发动机和喷油器的情况下，气缸盖还固定火花塞对于使用直接喷射的发动机。所有 CI（压缩点火）发动机都使用燃油喷射，通常是直接喷射，但有些发动机使用间接喷射。SI（火花点火）发动机可以使用化油器或燃油喷射作为端口喷射或直接喷射。 大多数 SI 发动机每个气缸有一个火花塞，但有些有2个。气缸盖垫片可防止气体在气缸盖和发动机缸体之间泄漏。阀门的打开和关闭由一个或多个凸轮轴和弹簧控制 - 或者在某些发动机中 - 一种减振机构不使用弹簧。凸轮轴可以直接压在气门杆上，也可以直接或通过推杆作用在摇臂上。 曲轴箱底部密封有一个油底壳，用于收集正常运行期间掉落的油，以便再次循环使用。在气缸体和油底壳之间形成的空腔容纳曲轴，将活塞的往复运动转换为旋转运动。曲轴通过主轴承相对于发动机缸体保持在适当的位置，使其能够旋转。曲轴箱中的隔板构成每个主轴承的一半；另一半是可拆卸的帽子。在某些情况下，使用单个主轴承甲板而不是几个较小的盖。 连杆连接到曲轴的偏置部分（曲柄销) 一端通过活塞销传递到另一端的活塞，从而传递力并将活塞的往复运动转化为曲轴的圆周运动。连杆连接到活塞销的一端称为小端，另一端与曲轴连接，称为大端。大端有一个可拆卸的半部，以便在曲轴周围组装。它通过可拆卸螺栓与连杆保持在一起。 气缸盖具有连接到相应端口的进气歧管和排气歧管。进气歧管直接连接到空气滤清器，或在有化油器时连接到化油器，然后再连接到空气滤清器。它将来自这些设备的空气分配到各个气缸。排气歧管是排气系统中的第一个部件。它收集气缸中的废气并将其驱动到路径中的以下组件。ICE的排气系统还可能包括催化转化器和消音器。废气路径的最后一段是排气管。 四冲程发动机: 活塞的上止点（TDC）是最靠近阀门的位置；下死点(BDC) 是距离它们最远的相反位置。冲程是活塞从 TDC 到 BDC的运动，反之亦然，以及相关的过程。当发动机运转时，曲轴以几乎恒定的速度连续旋转。在4冲程 ICE 中，每个活塞按以下顺序每曲轴旋转2个冲程。从 TDC的描述开始，这些是： 1、进气、进气或吸气：由于凸轮凸角压在气门杆上，进气门打开。在 CI 发动机的情况下，活塞向下移动增加了燃烧室的容积并允许空气进入，在不使用直接喷射的 SI 发动机的情况下允许空气-燃料混合物进入。在任何情况下，空气或空气-燃料混合物都称为充气。 2、压缩：在这个冲程中，两个阀门都关闭，活塞向上移动，减少了燃烧室容积，当活塞处于上止点时达到最小值。活塞在压缩时对装药做功；结果，其压力、温度和密度增加；理想气体定律提供了这种行为的近似值。就在活塞到达上止点之前，点火开始。在 SI 发动机的情况下，火花塞接收到产生火花的高压脉冲，这就是它的名字并点燃充电。在 CI 发动机的情况下，燃油喷射器将燃油以喷雾形式快速喷射到燃烧室中；燃料因高温而着火。 3、动力或工作冲程：燃烧气体的压力向下推动活塞，产生比压缩充气所需的更多动能。作为压缩冲程的补充，燃烧气体膨胀，因此它们的温度、压力和密度降低。当活塞接近 BDC 时，排气阀打开。由于剩余压力（超过背压、排气口上的表压），燃烧气体不可逆地膨胀；这称为排污。 4、排气：当活塞向上移动排出燃烧气体时，排气阀保持打开状态。对于自然吸气发动机，由于活塞没有完全关闭燃烧室，因此在正常运行期间，一小部分燃烧气体可能会留在气缸中；这些气体溶解在下一次充电中。在这个冲程结束时，排气门关闭，进气门打开，并在下一个循环中重复该顺序。进气门可以在排气门关闭之前打开，以便更好地进行扫气。 二冲程发动机： 这种发动机的定义特征是每个活塞在曲轴每转一圈完成一个循环。进气、压缩、动力和排气这4个过程仅在2个冲程中进行，因此不可能专门为每个冲程指定一个冲程。从 TDC 开始，循环包括： 1、动力：当活塞下降时，燃烧气体对其做功，就像在四冲程发动机中一样。关于膨胀的相同热力学考虑也适用。 2、扫气：在 BDC 前曲轴旋转约75°，排气门或端口打开，并发生排污。此后不久，进气阀或传输端口打开。进入的充气将剩余的燃烧气体置换到排气系统，并且一部分充气也可能进入排气系统。活塞到达 BDC 并反转方向。在活塞向上移动一小段距离进入气缸后，排气阀或端口关闭；很快，进气阀或传输端口也关闭。 3、压缩：在进气和排气都关闭的情况下，活塞继续向上移动压缩充气并对其进行工作。与四冲程发动机的情况一样，在活塞到达 TDC之前点火开始，并且同样考虑充气压缩的热力学。 4、冲程发动机使用活塞作为容积泵来完成4冲程中的2个扫气，而2冲程发动机使用做功冲程的最后部分和压缩冲程的第一部分来组合进气和排气. 置换充气和排气所需的功来自曲轴箱或单独的鼓风机。对于清除、燃烧气体的排出和新鲜混合物的进入，描述了两种主要方法：循环清除和单流清除。2010年代发布的 SAE 新闻表明，“循环清除”在任何情况下都比 Uniflow 清除更好。 历史设计: Dugald Clerk于1879年开发了第一台双冲程发动机。它使用一个独立的气缸，用作泵，以便将燃料混合物传输到气缸。 1899年，John Day将 Clerk的设计简化为当今广泛使用的2冲程发动机。日间循环发动机是曲轴箱扫气和端口定时的。曲轴箱和排气口下方的气缸部分用作泵。当曲轴转动时，日间循环发动机开始运行，活塞从 BDC 向上（朝向缸盖）移动，在曲轴箱/气缸区域形成真空。然后化油器通过簧片阀将燃料混合物送入曲轴箱或旋转盘阀（由发动机驱动）。从曲轴箱到气缸中的端口有铸造管道以提供进气，另一个从排气口到排气管。与气缸长度相关的端口高度称为“端口正时”。 在发动机的第一个上冲程中，由于曲轴箱是空的，因此不会有燃料进入气缸。在下冲程中，活塞现在压缩混合燃料，由于混合燃料中添加了油，因此润滑了气缸中的活塞和轴承。当活塞向下移动时，它首先露出排气口，但在第一个冲程中没有燃烧的燃料可以排出。随着活塞进一步向下移动，它露出进气口，进气口有一条通向曲轴箱的管道。由于曲轴箱中的混合燃料处于压力之下，混合燃料通过管道进入气缸。 由于在活塞上升到足以关闭排气口之前，燃料气缸中没有障碍物可以直接从排气口移出，因此早期的发动机使用高圆顶活塞来减慢燃料的流动。后来，燃料使用膨胀室设计“共振”回气缸。当活塞上升到接近上止点时，火花点燃了燃料。当活塞被动力向下驱动时，它首先打开已燃烧燃料在高压下排出的排气口，然后打开该过程已完成的进气口，并将不断重复。 后来的发动机使用了道依茨公司设计的一种端口来提高性能。它被称为Schnurle 逆流系统。DKW 为他们所有的摩托车授权了这种设计。他们的DKW RT125是首批达到100mpg 以上的机动车辆之一。 点火： 内燃机需要通过火花点火（SI）或压缩点火（CI）来点燃混合物。在可靠的电气方法发明之前，使用的是热管法和火焰法。已经建造了带有激光点火的实验发动机。 火花点火过程: 火花点火发动机是对使用热管点火的早期发动机的改进。当博世开发出磁电机时，它成为了发电为火花塞供电的主要系统。许多小型发动机仍然使用磁力点火。小型发动机通过使用反冲启动器或手摇曲柄手摇来启动。在Delco 开发汽车起动机的Charles F. Kettering之前，所有汽油发动机汽车都使用手摇曲柄。 较大的发动机通常使用存储在铅酸电池中的电能为其启动电机和点火系统供电。电池的充电状态由汽车交流发电机或（以前）使用发动机动力产生电能存储的发电机维持。 当发动机具有启动马达系统时，电池提供用于启动的电力，并且在发动机关闭时提供电力。在交流发电机无法维持超过13.8伏（对于常见的12V 汽车电气系统）的罕见运行条件下，电池还提供电力。随着交流发电机电压降至13.8伏以下，铅酸蓄电池会越来越多地承受电力负载。在几乎所有运行条件下，包括正常怠速条件下，交流发电机都提供初级电力。 一些系统在节气门全开情况下禁用交流发电机磁场（转子）电源。禁用该磁场可将交流发电机皮带轮机械负载降低到几乎为零，从而最大限度地提高曲轴功率。在这种情况下，电池提供所有初级电力。 汽油发动机吸入空气和汽油的混合物，并在燃料处于最大压缩状态时通过活塞从下死点到上死点的运动对其进行压缩。考虑到燃烧室的容积，气缸扫掠面积的减小用一个比率来描述。早期发动机的压缩比为 6比1。随着压缩比的增加，发动机的效率也随之提高。 对于早期的感应和点火系统，压缩比必须保持在较低水平。随着燃料技术和燃烧管理的进步，高性能发动机可以以12:1的比率可靠运行。对于低辛烷值燃料，由于温度升高，当燃料点燃时压缩比增加，就会出现问题。Charles Kettering开发了一种铅添加剂，可以实现更高的压缩比，从1970年代开始逐渐被放弃用于汽车用途，部分原因是担心 铅中毒。 燃料混合物在气缸中活塞的不同进程中被点燃。在低转速时，火花发生在接近活塞达到上止点的位置。为了产生更多的动力，随着转速的升高，火花在活塞运动过程中提前提前。火花发生时，随着转速的升高，燃料仍被逐渐压缩。 必要的高压（通常为10,000伏）由感应线圈或变压器提供。感应线圈是一种反激系统，通过某种类型的同步断续器中断初级系统电流。断续器可以是触点或功率晶体管。这种点火方式的问题在于，随着 RPM的增加，电能的可用性会降低。这尤其是一个问题，因为点燃更稠密的燃料混合物所需的能量更高。结果通常是高转速失火。 开发了电容器放电点火。它产生一个上升的电压，该电压被发送到火花塞。CD 系统电压可以达到 60,000伏。 CD 点火器使用升压变压器。升压变压器使用存储在电容中的能量来产生电火花。无论使用哪种系统，机械或电气控制系统都会为适当的气缸提供精心定时的高压。该火花通过火花塞点燃发动机气缸中的空气燃料混合物。 虽然汽油内燃机在寒冷天气下比柴油发动机更容易启动，但在极端条件下它们仍然会出现寒冷天气启动问题。多年来，解决方案是将汽车停在加热区域。在世界的某些地方，机油实际上在一夜之间被排干和加热，然后返回发动机进行冷启动。 在1950年代初期，汽油气化器装置被开发出来，在寒冷天气开始时，原汽油被转移到部分燃料燃烧的装置中，导致另一部分变成热蒸汽，直接送到进气阀歧管。该装置非常受欢迎，直到电动发动机缸体加热器成为在寒冷气候下销售的汽油发动机的标准配置。 压燃过程: 对于点火，柴油、PPC和HCCI发动机仅依靠发动机在压缩过程中产生的高温和压力。发生的压缩水平通常是汽油发动机的两倍或更多。柴油发动机只吸入空气，在峰值压缩前不久，通过燃油喷射器将少量柴油喷射到气缸中，使燃油立即点燃。HCCI 型发动机同时吸收空气和燃料，但由于更高的压力和温度，继续依赖于独立的自动燃烧过程。 这也是为什么柴油和HCCI 发动机更容易出现冷启动问题的原因，尽管它们在寒冷天气中一旦启动也能正常运行。带间接喷射的轻型柴油发动机在汽车和轻型卡车中使用电热塞（或其他预热：参见康明斯 ISB#6BT ），在开始前预热燃烧室，以减少寒冷天气中的不启动情况。 大多数柴油车也有电池和充电系统。然而，该系统是次要的，制造商将其添加为一种奢侈品，以便于启动、打开和关闭燃料（也可以通过开关或机械装置完成）以及运行辅助电气元件和附件。大多数新发动机都依赖电气和电子发动机控制单元(ECU)，它们还可以调整燃烧过程以提高效率并减少排放。 |
