发动机使用活塞和汽缸，因此它们产生的动力是连续的来回，推拉或往复的运动。许多机器（几乎所有车辆）都依赖于轮子的转动-换句话说，是旋转运动。其功用是将活塞的往复运动转变为曲轴的旋转运动，同时将作用于活塞上的力转变为曲轴对外输出的转矩，以驱动汽车车轮转动。曲柄连杆机构由活塞组、连杆组和曲轴、飞轮组等零部件组成。



  将往复运动转换为旋转运动的另一种方法是使用齿轮。这就是苏格兰出色的工程师 詹姆斯·瓦特（James Watt，1736–1819）在1781年决定做的，当时他发现，在改进的蒸汽机设计中需要使用的曲柄机构实际上已经获得了专利保护。瓦特的设计被称为太阳齿轮和行星齿轮，由两个或多个齿轮组成，其中一个齿轮（行星齿轮）被活塞杆上下推动，围绕另一个齿轮（太阳齿轮）运动并引起该齿轮旋转。



  一些发动机和机器需要将旋转运动转换成往复运动。为此，您需要一种与曲轴相反的方式工作，即凸轮。甲凸轮是一个非圆形（通常蛋形）轮，其具有类似棒搁置在其上。当车轴转动车轮时，车轮使杆向上和向下上升。试想一下一辆车轮呈蛋形的汽车。在行驶过程中，车轮（凸轮）照常转动，但车身同时上下弹跳，因此旋转运动会在乘客中产生往复运动！是不是很奇怪？但这种齿轮也有特殊的用处。

  凸轮可用于各种机器。电动牙刷中有一个凸轮， 随着内部的电动机旋转，牙刷可以前后移动。



  引擎的效率如何？



  值得注意的是卡诺得出的结论：发动机（的效率取决于其运行的最高和最低温度。用数学术语来说，卡诺氏发动机在Tmax（最高温度）和Tmin（最低温度）之间运行的效率为：



  （Tmax-Tmin）/ Tmax



  两种温度均以开尔文（K）为单位。在循环开始时提高气缸内流体的温度使其效率更高。在循环的相反极端降低温度也会使其效率更高。换句话说，真正高效的发动机在最大可能的温差之间运行。换句话说，我们希望Tmax尽可能高，而Tmin尽可能低。这就是为什么之类的蒸汽涡轮机在电厂必须使用冷却塔尽可能地冷却蒸汽：这就是它们从蒸汽中获取最大能量并产生最大电力的方式。在现实世界中，诸如汽车和飞机之类的移动车辆显然没有冷却塔之类的东西，并且很难实现较低的Tmin温度，因此提高Tmax是我们通常重点关注的问题。汽车，卡车，喷气式飞机和太空火箭中的真实发动机在极高的温度下工作（因此，它们必须由合金和陶瓷等高温材料制成）。

  引擎类型：



  外燃发动机



  最早的蒸汽机是覆盖整个建筑物的巨型机器，通常用于从淹没的矿井中抽水。他们在18世纪初期由英国人Thomas Newcomen（1663 / 4–1729）率先开发，它们只有一个汽缸和一个活塞，活塞与来回摇摆的大横梁相连。通常，将重梁向下倾斜，以使活塞在气缸中处于较高位置。将蒸汽泵入钢瓶中，然后将水喷入，冷却蒸汽，产生部分真空，并使光束反向倾斜，然后再重复该过程。梁式发动机是一项重要的技术进步，但它们太大，太慢且效率低下，无法为工厂的机器和火车提供动力。



  蒸汽机



  在1760年代，詹姆斯·瓦特（James Watt）大大改进了纽科门的蒸汽机，使其更小，更高效，更强大，并有效地将蒸汽机转变为更实用，更实惠的机器。瓦特的工作导致了可以在工厂中使用的固定式蒸汽机以及可以为蒸汽机车提供动力的紧凑型移动式发动机。



  斯特林发动机



  并非所有的外部内燃机都巨大且效率低下。苏格兰神职人员罗伯特·斯特林（Robert Stirling，1790–1878年）发明了一种非常聪明的发动机，该发动机具有两个气缸，两个气缸带有活塞，为两个驱动单个车轮的曲柄提供动力。一个钢瓶保持永久高温（由外部能源加热，从煤火到地热能源均可），另一个钢瓶保持永久低温。发动机的工作原理是通过一个称为蓄热器的装置在汽缸之间来回往复输送相同体积的气体（永久密封在发动机内部）。这有助于保留能量并大大提高发动机的效率。斯特林发动机虽然总是由外部热源提供动力，但不一定涉及燃烧。在我们有关斯特林发动机的主要文章中找到更多信息。



  内燃发动机



  在19世纪中叶，包括法国人约瑟夫·埃蒂安·莱诺瓦（JosephÉtienneLenoir，1822–1900年）和德国尼古拉斯·奥托（Nikolaus Otto，1832年至1891年）等几位欧洲工程师完善了燃烧汽油的内燃机。对于卡尔·奔驰（1844–1929）来说，将这些发动机中的一个连接到三轮车上并制造出世界上第一台汽油动力汽车仅一步之遥。



  柴油机



  在19世纪后期，另一位德国工程师Rudolf Diesel（1858–1913年）意识到，他可以制造出一种功能更强大的内燃机，该内燃机可以消耗各种不同的燃料。与汽油发动机不同，柴油发动机对燃料的压缩更多，因此它自发爆炸成火焰并释放出锁定在其中的热能。如今，柴油发动机仍然是驱动重型车辆（例如卡车，轮船和建筑机械）以及许多汽车的首选机器。



  旋转式发动机



  内燃机的缺点之一是它们需要气缸，活塞和旋转的曲轴来利用其动力：气缸是固定的，而活塞和曲轴却在不断移动。旋转式发动机是与内燃机截然不同的设计，其中“汽缸”（并非总是呈圆柱状）围绕有效的固定曲轴旋转。尽管旋转发动机的历史可以追溯到19世纪，但最著名的设计也许是相对现代的Wankel旋转发动机，尤其是在某些日本马自达汽车中使用。



  发动机的最大效率是多少？



  热力发动机的效率是否有限制？是! 最小值永远不能小于零（绝对为零），因此，根据上面的等式，没有任何一个发动机的效率可以超过Tmax / Tmax = 1，这与100％的效率相同，而大多数实际的发动机不会到达那附近。如果您的蒸汽机在50°C到100°C之间运行，则效率约为13％。为了使效率达到100％，您必须将蒸汽冷却至绝对零（−273°C或0K），这显然是不可能的。即使您可以将其冷却至冻结（0°C或273K），您仍然只能管理27％的效率。



  这也有助于我们理解为什么后来的蒸汽机（由Richard Trevithick和Oliver Evans等工程师率先使用）使用更高的压力比。托马斯·纽科门（Thomas Newcomen）等人产生的蒸汽更多，高压发动机更小，更轻，并且更易于安装在行驶中的车辆上，但它们的效率也更高。在更高的压力下，水在更高的温度下会沸腾，这给我们带来了更高的效率。



  在两倍大气压下，水在约120°C（393K）时沸腾，在最低温度为0°C时效率为30％。在四倍大气压下，沸腾温度为143°C（417K），效率接近35％。这是一个很大的进步，但距离100％仍有很长的路要走。发电厂的蒸汽轮机使用的压力确实很高（通常是大气压的200倍以上）。在200个大气压下，水在约365°C（〜640K）的温度下沸腾，从而产生最大的 如果我们也可以将水冷却至冻结状态（并且没有其他热量损失或效率低下），则理论效率约为56％。即使在那些极端和理想的条件下，我们离100％的效率还有很长的路要走。真正的涡轮机更有可能达到35％至45％。制造高效的发动机比看起来困难得多！