探秘汽油引擎：从运作原理到发展变革

在我们日常出行中，汽车作为重要的交通工具，其动力来源——汽油引擎，扮演着至关重要的角色。当我们踩下油门，车子几乎能瞬间加速，引擎内部究竟发生了什么？今天，就让我们一同揭开汽油引擎的工作原理，了解它的运作机制、发展历程以及不同类型引擎的特点。

当我们在驾驶座上操作车辆时，汽车的内燃引擎正通过一系列精密的机械运动，将燃油的化学能转化为机械能，为车辆提供持续的动力输出。

引擎运转时，空气和燃油会通过由多个气缸组成的燃烧系统。它们在引擎内部按特定比例混合，经过压缩后由火花塞点燃，产生推动活塞运动的爆发力。汽车引擎的活塞以每分钟约1000～3000次（转速不同）的频率进行往复运动。这种高速运动产生的能量需要通过传动系统进行合理分配，否则车辆将无法平稳行驶。变速箱作为动力传递的关键部件，通过不同齿轮比的组合，将引擎转速调整至适合当前行驶状态的范围。试想如果没有变速箱的调节，引擎直接驱动车轮，车辆将无法实现从起步到高速的平稳过渡。因为引擎在低转速时扭矩不足，而高转速时又超出日常行驶需求，必须通过传动系统进行合理匹配。

那么，引擎具体是如何将燃油转化为动力的呢？首先，进气门开启，空气通过节气门进入进气歧管，与喷油嘴喷射的燃油混合形成可燃混合气。在气缸内，混合气被充分压缩，为燃烧做好准备。此时，活塞向下运动，气缸容积增大，产生负压吸入更多混合气。随后，进排气门关闭，形成密闭燃烧室。当活塞上行时，气缸容积减小，混合气被压缩至原体积的1/10-1/14（压缩比），压力和温度急剧升高。在压缩行程接近终点时，火花塞产生高压电火花，点燃被压缩的混合气。燃烧产生的高温高压气体推动活塞下行，通过连杆将直线运动转化为曲轴的旋转运动。最后，排气门开启，活塞上行将燃烧后的废气排出，完成一个工作循环。

汽油引擎的废气主要成分包括约13%的二氧化碳、13%的水蒸气以及73%的氮气，此外还含有少量未完全燃烧的碳氢化合物和一氧化碳。

不同类型引擎的特点

动力输出特性差异

不同用途的交通工具需要匹配不同特性的动力系统。例如，火箭发动机的瞬时功率可达汽车引擎的上万倍。交通工具的设计速度通常与动力系统功率直接相关。普通乘用车需要兼顾燃油经济性和排放标准，而赛车引擎则通过增加气缸数量、提高转速等方式追求最大功率输出，以满足竞技需求。

喷气发动机与活塞发动机的区别

喷气发动机的工作原理与往复式活塞发动机有本质区别。活塞发动机采用间歇式的四冲程循环，而喷气发动机实现的是连续燃烧过程。通过将空气持续压缩、燃烧并高速排出，喷气发动机能够产生持续的推力，为航空器提供飞行所需的动力。

在喷气发动机中，高温燃气通过尾喷管加速排出，其速度可达进气速度的两倍以上，根据动量守恒原理产生反作用推力。燃烧后的高温燃气还会驱动涡轮旋转，涡轮通过轴系带动前端的压气机工作。燃油通过高压油泵喷入燃烧室，与压缩空气混合后在约900℃的高温下持续燃烧。喷气发动机用连续的流道代替了活塞发动机的周期性工作过程，将进气、压缩、燃烧、排气四个环节在发动机的不同区段同时进行。气流在通过进气风扇时速度降低、压力升高，经过压气机后压力进一步提升。

1886年问世的“奔驰专利汽车”（Benz Patent-Motorwagen）被认为是世界上首款量产的内燃机汽车。

汽油引擎作为现代汽车的核心系统，其工作原理体现了精密的热力学转换过程。从燃油喷射、混合气形成到燃烧做功，每个环节都经过精心设计。同时，引擎技术也在持续演进，在热效率提升、动力性能优化、轻量化设计以及智能控制等方面不断取得突破。不同类型动力系统的差异，展示了工程技术在不同应用场景下的创新解决方案。随着材料科学和电子控制技术的发展，汽油引擎及其衍生技术将持续进步，为交通运输领域带来更多可能性。

文中图片均来源于《How it works》杂志

本文为科普中国·星空计划扶持作品

作者：《how it works》科普团队

审核：孙明轩 上海工程技术大学 教授