发动机
概述
发动机（engine）是统称将化学、电、热等外部供给的能量转换为机械运动或有用功的装置。狭义上指利用燃料燃烧热的热机，尤其是内燃机；广义上则包括电动机（马达）、蒸汽机、燃气轮机以及喷气与火箭发动机。它是汽车、航空、船舶、发电与工业设备各领域中的核心动力源，而效率与排放法规则是引领技术发展的主轴。
主要内容
定义与词源
“发动机”源自英语 engine，而该词又来自拉丁语 ingenium（才能、发明物），最初泛指各类“精巧的装置”。经过工业革命时期，其含义缩小为“生产动力的机械”；在韩语中，则多惯用于指代汽车的动力装置。
工作原理
所有发动机都依据能量守恒定律，将供给的能量转化为动能。就热机而言，由于热力学第二定律，无法将供给的热能全部转化为功，卡诺效率构成理论上的上限。实际效率因摩擦、热损失、排气损失、泵气损失等而进一步降低。
历史
- 1世纪希罗的汽转球（aeolipile）——最早的蒸汽反冲装置
- 1698年萨弗里发动机、1712年纽科门发动机——用于矿山排水的常压发动机
- 1769年詹姆斯·瓦特的改良型蒸汽机——独立冷凝器、引入旋转运动
- 1860年勒努瓦发动机、1876年尼古劳斯·奥托的四冲程发动机
- 1892年鲁道夫·狄塞尔的柴油发动机专利，1897年实用化
- 1886年卡尔·本茨的汽油汽车
- 1879年以后电动机实用化，1888年尼古拉·特斯拉的交流感应电动机
- 1930年代弗兰克·惠特尔的燃气轮机与喷气发动机，此后火箭发动机不断发展
分类
1. 热机
- 外燃机：蒸汽机、斯特林发动机
- 内燃机：汽油（奥托）发动机、柴油发动机、转子（汪克尔）发动机、燃气轮机
- 喷气与火箭：涡轮喷气、涡轮风扇、冲压发动机、液体与固体火箭
2. 非热机
- 电动机：直流、感应、同步、无刷直流（BLDC）、步进电机
- 其他：液压马达、气动马达
内燃机的结构与四冲程
汽油发动机重复进行吸气—压缩—爆发（膨胀）—排气四个冲程。其由活塞、曲轴、连杆、气门、凸轮轴、点火系统、燃油喷射系统、冷却系统、润滑系统构成，压缩比、排量、气门正时以及是否涡轮增压决定着输出与效率。柴油发动机采用压燃方式，热效率更高。
主要性能指标
- 输出功率（马力、kW）、扭矩（N·m）、额定转速（rpm）
- 热效率：汽油约25~35%，柴油30~45%，大型二冲程柴油机50%以上
- 比输出功率、燃油消耗率、排放物（NOx、PM、CO、HC）、耐久性与可维护性
电动机
将电能转换为旋转力，效率可达85~95%，远高于热机。其在低转速下即可输出最大扭矩，且噪声与振动小，因而广泛应用于电动汽车（EV）、机器人、家电与工业自动化领域。近来，减少稀土使用的绕线式与励磁绕组式电机备受关注。
最新动向
- 电动化与混合动力化：纯汽油与柴油机型的新开发正在缩减，PHEV、EREV（增程式）与混合动力的需求不断增加。欧盟维持2035年新车CO₂减排100%（事实上停止销售内燃机新车）的目标，但关于合成燃料（e-fuel）例外以及2025~2026年重新审议的讨论仍在持续。
- 氢发动机：丰田、现代汽车、JCB等正在开发氢直喷内燃机。燃烧时不产生CO₂，且可利用现有零部件与生产设备，但降低NOx以及储运与加注基础设施仍是课题。
- 高效电动机：800V系统、SiC逆变器、发卡式（hairpin）绕组、无稀土电机、轴向磁通（AFM）电机已进入商用化阶段。
- 航空与船舶：SAF（可持续航空燃料）、氢燃料电池、混合电推进以及用于eVTOL的小型涡轮正在开发之中；在船舶领域，氨与甲醇双燃料发动机正作为应对IMO碳监管的方案实现商用化。
- AI与数字化：CFD与热流仿真、ECU控制优化、预测性维护（predictive maintenance）中引入机器学习，使开发周期、燃油经济性与耐久性得到改善。
- 法规趋严：随着欧7、中国6b、美国EPA 2027标准等排放法规不断收紧，后处理装置与燃烧控制技术的重要性日益凸显。
相关主题
- [[内燃机]]
- [[电动机]]
- [[热力学]]
- [[汽车]]
- [[燃气轮机]]
- [[火箭发动机]]