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[摘 要]能源是人类社会发展过程中必不可少的资源，而能源利用是集诸多学科于一身的综合类领域，提高能源的利用效率对于人类社会的可持续发展具有重要的现实意义。发动机作为动力系统，其运转的根本是能源。基于此点，本文就能源利用的发动机热能与动力工程展开研究。
[关键词]能源利用；发动机；热能与动力工程
中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）16-0036-01
一、热力发动机概述
热力发动机是指将太阳能、地热能、热能等转换为机械功的动力机械，其中热能可来源于常规燃料、核燃料的反应，这种热力发动机简称为热机，是人类主要利用的动能机械。最常使用的热力发动机包括燃气轮机、蒸汽动力装置、内燃机（如柴油机、煤气机、汽油机）等，这些热力发动机均依靠水蒸气、燃烧气体、空气等工质完成热功转换，并由高温热源供给工质热量。例如蒸汽动力装置，燃料燃烧后产生的高温热量由锅炉中的水吸收，进而生成高温高压蒸汽，在有限空间的作用下，蒸汽在汽轮机中膨胀对外做功，以推动转子转动，而后再进入凝汽器向冷却水中排入剩余热量。
当前，热力发动机广泛应用于交通运输、工业、发电、农业、国防等诸多领域，根据工质加热方式不同和热能转换方式不同可分为两大类。其一，以工质加热方式的不同将热力发动机分为内燃式和外燃式。内燃式主要包括内燃机、燃气轮机等，其燃料在燃烧室或气缸内燃烧。外燃式主要包括蒸汽动力装置，其燃料在汽轮机、内燃机等机体之外的锅炉炉膛内燃烧；其二，以热能转换为机械功的运动方式不同可将热力发动机分为往复活塞式、自由活塞式、旋转活塞式和旋转叶轮式。往复活塞式主要包括柴油机、煤气机、蒸汽机、汽油机和热气机等。旋转叶轮式主要包括燃气轮机、汽轮机、喷气式发动机等。旋转活塞式和自由活塞式分别指旋转活塞式发动机和自由活塞式发动机。通过组合不同种类的热力发动机可以构建联合机组，如自由活塞—燃汽轮机组可由燃气轮机与自由活塞发动机联合，复合式发动机可由燃气轮机与柴油机联合等。
二、能源利用背景下发动机的热能与动力工程研究
（一）热力学的理论基础
热力学全称是热动力学，其具体是指研究热现象中物态转变和能量转换规律的一门学科。工程热力学是该学科中最先发展起来的一个分支，它主要研究的是热能与机械能以及其它一些能量间转换的规律，是机械工程领域当中最为重要的基础类学科之一。热力学是在以下理论基础之上建立的起来的，具体包括：能量不会凭空出现，也不可能凭空消失；能量的各种表现形式之间是能够互相转化的；热能可通过燃烧获得；热能在某种特定的条件下可以转化为机械能；由于运动过程中各个部分存在接触摩擦，因而，热能不可能完全转变为机械功；能量转化的过程存在不可逆性，并且始终会朝着最可能的方向进行转换，如热能只会从较热的部分传向较冷的部分，若是想从较冷的状态转变为较热的状态时，则必须获取能量。
（二）工作原理及分类
燃料在耗氧燃烧的过程中，其化学能会转化为热能，而利用热能转化为机械能实现的机械整体被称为热机。
1.内燃。当燃烧在热机内进行时，即内燃，大致上分为以下两种可能，并且在这两种情况下，工作回路均为开式。其一，整个工作进程为循环性，每个循环周期内都需要导入新的载荷并控制燃气的量，热机在这种工况下运行便需要使用往复活塞；其二，整个工作进程是连续不间断的，即便替换载荷也不需要中断，比较典型的有燃气轮机的进程等。
2.外燃。当燃烧是在热机之外进行时，即外燃。通常在这种情况下，整个工作进程可以是连续的，并且工作回路也应是闭合的。这是因为，热机的工质不需要进行替换，其能够始终保持原有的化学性质不发生改变，最为重要是可以承受状态变化。
3.混合均质与混合异质。所谓的混合均质具体是指在燃烧空间外对混合燃气进行调节，以此来实现均质化；而在燃烧空间内部进行混合燃气调节时，由于实现均衡的操作条件相对较差，所以是异质，即混合异质也被称为内部调节。
4.引燃与自动点火。当点燃的过程是通过电火花来实现的，即受控引燃；如果是由于混合气体达到了自燃的温度而被点燃，则称之为自动点火。
（三）热力学循环
一般情况下，想要使热能转变为机械能，只能是在热机中的工质发生状态改变时才有可能实现。这里所指的状态改变主要包括以下几种情况：温度上升或下降、压力升高或降低、体积增大或减小。
（四）对燃料的要求
目前，热机中使用的燃料大体上可分为以下三类：第一类是用于调节热机内的均质和受控引燃的燃料类；第二类是用于调节热机内的异质和自动点火的燃料类；第三类是用于内部燃烧连续的燃气轮机类热机的燃料类，其中每一类燃料均具有各自的要求。
1.石油气。用于调节热机内均质的燃料类中主要包括含铅、不含铅和液化石油气等，这些燃料应当易于挥发，这样有助于确保空气燃料的混合均质，其挥发性应当满足如下要求：蒸汽压力、燃料气化的百分比、密度、不超标的铅含量以及辛烷指标等。
2.柴油。这是一种可用于调节混合异质的燃料，它是一种由沸点大概在180℃-360℃之间的碳氢化合物组合而成的混合物。柴油应当满足以下要求：密度、引火点、沸腾曲线、运动粘度以及十六烷值等。
3.燃气轮机使用的燃料则应当满足以下要求：黏稠值、杂质含量（铅、钒、硫磺等），这是外燃机对燃料最低的要求标准。
（五）燃烧
通常情况下，周期性的燃烧会引起诸多问题，较为典型应当属瞬间点火。所以，每分钟在6000转以上的四冲程内燃机，其每次循环所用的时间应当为1/（6000/2/60）=1/50=0.02秒。然而，一个完整的循环过程具体包括以下四个环节，即吸气冲程、压缩冲程、作功冲程以及排气冲程，而燃烧却只会发生在作功冲程这个环节上，故此，该冲程所占用的时间仅为0.02/4=0.005秒。对于双冲程的内燃机而言，上述循环周期的时间总值应当除以3（约等于）而不再是除以2；对于受控引燃或是调节均质的热机，其冲程中的引燃阶段通常是比较稳定的，但前提是混合成分的组成。而热量的释放则主要是由燃烧室的引燃点位置和结构所决定的；决定燃烧速度的主要因素包括尚未燃烧的混合成分中的火焰扩散速度、温度变化以及涡旋强度等；引燃阶段的持续时间一般都是固定不变的，并且在作功冲程之前，应准备一个调节引燃时刻的装置，这样便可以确保作功期间燃料中的热能转化为机械能，从而被系统最大程度地利用。
参考文献
[1] 黄德中.基于工质相变循环的热力发动机及其有限时间热力学分析[J].绍兴文理学院学报.2010（9）.
[2] 杨超华.从能源利用看节约的必然性[A].中国自然辩证法研究会全国地学哲学委员会第十届学术年会论文集[C].2009（10）.
[3] 张新欣.何茂刚.曾科.张颖.发动机余热利用蒸气动力循环的工质筛选[J].江苏大学学报（自然科学版）.2008（5）.
[4] 李立君.尹泽勇.乔渭阳.刘志华.胡燕华.汽油转子发动机热力过程数值模拟研究[J].内燃机工程.2010（6）.
[关键词]能源利用；发动机；热能与动力工程
中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）16-0036-01
一、热力发动机概述
热力发动机是指将太阳能、地热能、热能等转换为机械功的动力机械，其中热能可来源于常规燃料、核燃料的反应，这种热力发动机简称为热机，是人类主要利用的动能机械。最常使用的热力发动机包括燃气轮机、蒸汽动力装置、内燃机（如柴油机、煤气机、汽油机）等，这些热力发动机均依靠水蒸气、燃烧气体、空气等工质完成热功转换，并由高温热源供给工质热量。例如蒸汽动力装置，燃料燃烧后产生的高温热量由锅炉中的水吸收，进而生成高温高压蒸汽，在有限空间的作用下，蒸汽在汽轮机中膨胀对外做功，以推动转子转动，而后再进入凝汽器向冷却水中排入剩余热量。
当前，热力发动机广泛应用于交通运输、工业、发电、农业、国防等诸多领域，根据工质加热方式不同和热能转换方式不同可分为两大类。其一，以工质加热方式的不同将热力发动机分为内燃式和外燃式。内燃式主要包括内燃机、燃气轮机等，其燃料在燃烧室或气缸内燃烧。外燃式主要包括蒸汽动力装置，其燃料在汽轮机、内燃机等机体之外的锅炉炉膛内燃烧；其二，以热能转换为机械功的运动方式不同可将热力发动机分为往复活塞式、自由活塞式、旋转活塞式和旋转叶轮式。往复活塞式主要包括柴油机、煤气机、蒸汽机、汽油机和热气机等。旋转叶轮式主要包括燃气轮机、汽轮机、喷气式发动机等。旋转活塞式和自由活塞式分别指旋转活塞式发动机和自由活塞式发动机。通过组合不同种类的热力发动机可以构建联合机组，如自由活塞—燃汽轮机组可由燃气轮机与自由活塞发动机联合，复合式发动机可由燃气轮机与柴油机联合等。
二、能源利用背景下发动机的热能与动力工程研究
（一）热力学的理论基础
热力学全称是热动力学，其具体是指研究热现象中物态转变和能量转换规律的一门学科。工程热力学是该学科中最先发展起来的一个分支，它主要研究的是热能与机械能以及其它一些能量间转换的规律，是机械工程领域当中最为重要的基础类学科之一。热力学是在以下理论基础之上建立的起来的，具体包括：能量不会凭空出现，也不可能凭空消失；能量的各种表现形式之间是能够互相转化的；热能可通过燃烧获得；热能在某种特定的条件下可以转化为机械能；由于运动过程中各个部分存在接触摩擦，因而，热能不可能完全转变为机械功；能量转化的过程存在不可逆性，并且始终会朝着最可能的方向进行转换，如热能只会从较热的部分传向较冷的部分，若是想从较冷的状态转变为较热的状态时，则必须获取能量。
（二）工作原理及分类
燃料在耗氧燃烧的过程中，其化学能会转化为热能，而利用热能转化为机械能实现的机械整体被称为热机。
1.内燃。当燃烧在热机内进行时，即内燃，大致上分为以下两种可能，并且在这两种情况下，工作回路均为开式。其一，整个工作进程为循环性，每个循环周期内都需要导入新的载荷并控制燃气的量，热机在这种工况下运行便需要使用往复活塞；其二，整个工作进程是连续不间断的，即便替换载荷也不需要中断，比较典型的有燃气轮机的进程等。
2.外燃。当燃烧是在热机之外进行时，即外燃。通常在这种情况下，整个工作进程可以是连续的，并且工作回路也应是闭合的。这是因为，热机的工质不需要进行替换，其能够始终保持原有的化学性质不发生改变，最为重要是可以承受状态变化。
3.混合均质与混合异质。所谓的混合均质具体是指在燃烧空间外对混合燃气进行调节，以此来实现均质化；而在燃烧空间内部进行混合燃气调节时，由于实现均衡的操作条件相对较差，所以是异质，即混合异质也被称为内部调节。
4.引燃与自动点火。当点燃的过程是通过电火花来实现的，即受控引燃；如果是由于混合气体达到了自燃的温度而被点燃，则称之为自动点火。
（三）热力学循环
一般情况下，想要使热能转变为机械能，只能是在热机中的工质发生状态改变时才有可能实现。这里所指的状态改变主要包括以下几种情况：温度上升或下降、压力升高或降低、体积增大或减小。
（四）对燃料的要求
目前，热机中使用的燃料大体上可分为以下三类：第一类是用于调节热机内的均质和受控引燃的燃料类；第二类是用于调节热机内的异质和自动点火的燃料类；第三类是用于内部燃烧连续的燃气轮机类热机的燃料类，其中每一类燃料均具有各自的要求。
1.石油气。用于调节热机内均质的燃料类中主要包括含铅、不含铅和液化石油气等，这些燃料应当易于挥发，这样有助于确保空气燃料的混合均质，其挥发性应当满足如下要求：蒸汽压力、燃料气化的百分比、密度、不超标的铅含量以及辛烷指标等。
2.柴油。这是一种可用于调节混合异质的燃料，它是一种由沸点大概在180℃-360℃之间的碳氢化合物组合而成的混合物。柴油应当满足以下要求：密度、引火点、沸腾曲线、运动粘度以及十六烷值等。
3.燃气轮机使用的燃料则应当满足以下要求：黏稠值、杂质含量（铅、钒、硫磺等），这是外燃机对燃料最低的要求标准。
（五）燃烧
通常情况下，周期性的燃烧会引起诸多问题，较为典型应当属瞬间点火。所以，每分钟在6000转以上的四冲程内燃机，其每次循环所用的时间应当为1/（6000/2/60）=1/50=0.02秒。然而，一个完整的循环过程具体包括以下四个环节，即吸气冲程、压缩冲程、作功冲程以及排气冲程，而燃烧却只会发生在作功冲程这个环节上，故此，该冲程所占用的时间仅为0.02/4=0.005秒。对于双冲程的内燃机而言，上述循环周期的时间总值应当除以3（约等于）而不再是除以2；对于受控引燃或是调节均质的热机，其冲程中的引燃阶段通常是比较稳定的，但前提是混合成分的组成。而热量的释放则主要是由燃烧室的引燃点位置和结构所决定的；决定燃烧速度的主要因素包括尚未燃烧的混合成分中的火焰扩散速度、温度变化以及涡旋强度等；引燃阶段的持续时间一般都是固定不变的，并且在作功冲程之前，应准备一个调节引燃时刻的装置，这样便可以确保作功期间燃料中的热能转化为机械能，从而被系统最大程度地利用。
参考文献
[1] 黄德中.基于工质相变循环的热力发动机及其有限时间热力学分析[J].绍兴文理学院学报.2010（9）.
[2] 杨超华.从能源利用看节约的必然性[A].中国自然辩证法研究会全国地学哲学委员会第十届学术年会论文集[C].2009（10）.
[3] 张新欣.何茂刚.曾科.张颖.发动机余热利用蒸气动力循环的工质筛选[J].江苏大学学报（自然科学版）.2008（5）.
[4] 李立君.尹泽勇.乔渭阳.刘志华.胡燕华.汽油转子发动机热力过程数值模拟研究[J].内燃机工程.2010（6）.