发动机

因为活塞式内燃机的气缸需要承受燃料爆炸时的巨大压力，对材料的工艺要求较高，因此内燃机的发展晚于外燃机。然而由于外燃机的工作过程是开放的，效率要比内燃机低，体积也较内燃机庞大。因此各种空间限制比较大的交通工具主要使用内燃机为动力来源。[15]大功率内燃机的制造较为困难，导致火车与大型船舶在20世纪初以后才逐渐使用内燃机[16][17]。在对经济性要求不高的军用船只上则又被体积更加小巧，结构更简单的燃气轮机所替代。

活塞内燃机工作过程

四冲程循环運作過程示意圖。

活塞内燃机的工作过程有四个步骤：進氣、壓縮、點燃、排气。

内燃机工作时需要让燃料和空气在汽缸内燃烧。所以，必须要吸入空气，并将其与燃料混合起来。这一混合过程可以发生在汽缸外，也可发生在汽缸内。以前，燃料依靠机械作用直接喷射，现在的发动机基本使用电子装置控制喷射过程，这样可以有利于发动机的工作过程更加平稳。发动机活塞的抽吸作用就足以吸入空气，但是对于大功率发动机来说，饱和工作状态下需要更多的空气来辅助燃烧。这时就可以采用压气机来吸入更多的空气。这一过程被称为增压，常见增压方式主要为机械增压与涡轮增压。机械增压就是利用电机或发动机本身动力带动压气机运转完成增压过程，涡轮增压则是利用发动机排出的高温废气来带动涡轮旋转，再通过涡轮带动压气机吸入更多空气。由于涡轮增压不需要浪费额外的能源就可增大发动机功率，现在已经广泛运用在乘用车辆上。此外还有惯性增压、气波增压、冲压式增压等不同的增压原理。[18]需要在不同稀薄程度大气中工作的航空发动机甚至采用多级增压系统来满足对空气的需求。由于提升燃料供给只需增大泵给量即可，所以提升发动机的极限功率一般都是在增大进气量上下功夫。例如著名的氮氧加速系统，就是通过向燃料与空气的混合气体中加入能产生氧气的一氧化二氮。

燃烧在汽缸燃烧室内完成，此时的混合气体处于压缩状态。然后便是做功与排放产物。对于两冲程循环来说，做功与排放燃烧产物、吸入新的混合气体的过程几乎同时完成[19]。四冲程循环则在不同的经过中完成这四个个过程。而六冲程循环的种类较多，工作顺序各不相同。

活塞内燃机燃料

内燃机主要使用液体燃料，尤其是柴油与汽油。早期内燃机也使用煤油。汽油发动机主要用在小型车辆与设备上，柴油发动机多用于大型设备。二者在结构上的区别之一，在于汽油发动机需要用火花塞点燃燃料，柴油发动机则使用压燃的办法点燃燃料。不过，也有安置火花塞以利于低温环境中工作的柴油发动机。近年来由于油价上升以及环保的要求，改进了的柴油发动机也被使用在了小型乘用车上。[20][21]同样出于环保需要，醇类燃料、生物柴油燃料占得比率也越来越大。内燃机的气体燃料则以甲烷也即天然气最为常见；氢气内燃机则是被认为各项性能均很优秀，然而距离大规模产业化尚远的一种发动机[22][23]。与液体燃料相比，气体与氧气混合更加充分，放出的热更多，产生的有害气体更少。然而气体的储存较液体困难，现在一般采用压缩或液化的方式。使用压缩天然气（CNG）的气体发动机是发展较为成熟的一种气体发动机，多使用在公交车辆上。这类发动机多由柴油发动机改装而来，由于天然气着火点高于柴油，使用点燃的方式工作；同时压缩比也比柴油发动机低。[24][25]

直列4缸发动机的缸体

除了应用在轻型摩托车、小型割草机等便携工具上的小型、微型内燃机外，大部分活塞式内燃机都为多缸发动机。汽缸根据排列方式不同，可分为直列式、V型、W型（可看为两台V型发动机交错）、星型（多用于航空发动机）、水平对置、X型、倒V型（多用于航空发动机）等。内燃机在工作过程中会随着活塞的运动产生震动，将汽缸间的夹角加大将可有助于汽缸之间抵消相互运动。夹角增大到180度时就成了水平对置发动机，此种发动机是运行最稳定的发动机类型之一。[26]然而由于现在发动机设计和制造工艺和控制技术的进步，水平发动机的优势已不如以前明显。同时水平对置发动机还有会因为地球引力产生偏置磨损（活塞底部磨损更严重）等缺点，现已逐渐不再使用。航空星型发动机也具有良好的稳定性能，数个汽缸（一般为奇数）按圆周排列，共用同一个飞轮。然而制造工艺较为复杂，截面积也较大，不利于降低风阻。

转子发动机由德國汪克爾博士發明，採用不间断旋轉方式運動。它利用转子形腔的体积变化来完成压缩、燃烧、做功、排气四个过程[27]。最早使用在德國NSU（奧迪汽車前身之一）的RO 80車款上[28]。因为转子发动机在工作过程中多个行腔分别完成不同的工作过程，因此对于单个转子来说，燃烧做功是连续的。以三角转子发动机为例，转子运动一圈，相当于3缸活塞发动机运动4个行程。同时，转子发动机的动力可以由转子直接输出，发动机整体结构较活塞发动机简单。不过，由于转子在工作过程中做的是偏心运动，会降低发动机载具的稳定性。[29]而且转子发动机耗油量较大，目前日本馬自達車廠在製造此類引擎並將之實用化方面投入较多。

喷气式客机使用的涡轮风扇发动机

与活塞式发动机不同，喷气式发动机的燃烧过程是连续的。不过，仍然可以将喷气发动机的进气段、压气段、燃烧段、喷气段，同活塞式发动机的吸气、压缩、燃烧、排气四个阶段相类比。除了冲压发动机以外，燃料的燃烧一方面转化为高温气体的动能，一方面还要推动涡轮装置，再由涡轮驱动进气装置和压气机。喷气式发动机的机构要承受燃料燃烧时的高温高压，对材料要求极高，目前世界上也仅有少数国家能够独立生产和设计喷气式发动机。[30]除了燃气轮机以外，喷气式发动机主要作为各种飞机的推进装置。

• 涡轮喷气发动机：涡轮喷气发动机是最早的一种喷气式发动机。涡轮喷气式发动机的出口燃气直接在喷管中膨胀做功，根据使用压气机的类型还可进一步分为轴流式和离心式，根据转子的数量则又可以分为单转子和多转子型。涡轮喷气发动机是其他喷气发动机的基础。对于涡轮喷气式发动机来说，要想增大其功率，可以提高空气压缩比。也就是让燃烧产生的气体温度更高，但是如此一来，喷射出的气体的速度也会大幅提高。这部分高速气体的动能将会被浪费掉。[31]因此为了提高涡轮喷气式发动机的工作效率，产生了其他一些类型的喷气式发动机。
• 涡轮风扇发动机：与涡轮喷气式发动机相比，涡轮风扇式发动机多了一套低压涡轮，燃气在此处进一步膨胀做功，带动外函道风扇。外函道风扇高速运转，将一部分燃料能量转化为空气的动能。对速度要求不高的飞机如客运飞机等采用高函道比涡轮风扇发动机。而战斗机等高速飞机则使用低函道比涡轮风扇发动机。由于涡扇发动机的出口仍然包含未经燃烧的空气，因此战斗机发动机如f100等都在涡轮风扇发动机后加了一段加力燃烧室。当需要额外推力时，可向加力燃烧室内喷射燃料进一步燃烧产生动力。[32]但加力燃烧段的效率较为低下。涡轮风扇发动机比涡轮喷气式发动机空气流量大、效率高、耗油率低、噪音低。目前，干线民航客机、运输机普遍使用涡轮风扇发动机取代涡轮喷气发动机。
• 涡轮螺旋桨发动机：与涡轮风扇发动机较为类似，燃气膨胀做功，驱动低压涡轮带动螺旋桨转动。然而螺旋桨的转速比风扇低的多，因此需要一套减速机构将涡轮的轴功率输出至螺旋桨，同时涡轮螺旋桨发动机没有喷气机构，能量基本都用做轴功率。涡轮螺旋桨发动机的油耗比涡轮风扇发动机更低。然而由于其速度较慢，基本上只用在运输机及短程客機上。
• 涡轮轴发动机：与涡轮螺旋桨发动机十分相近，主要区别在于更多的能量被用作轴功率的输出。多用作直升飞机的动力装置。
• 冲压发动机：冲压发动机没有压气装置。它利用进气道的复杂形状，将高速运动的空气压缩，再与燃料混合后燃烧。冲压发动机结构简单，推重比大。然而由于只有在一定速度下时冲压发动机才能正常工作，无法从静止状态启动。所以要么飞行器采用冲压发动机和其他发动机组成的混合发动机为动力，要么飞行器由其他载具牵引，达到一定速度后再启动冲压发动机。[33]

火箭发动机分类方法众多，按照燃料种类，可以分为化学能火箭发动机、电能火箭发动机、核能火箭发动机、太阳能火箭发动机等。目前，化学能火箭发动机是发展最成熟，也是运用最广泛的一种火箭发动机。化学能火箭发动机又可以进一步的分为液体火箭发动机与固体火箭发动机。[34]

巨大的F-1火箭发动机

• 固体火箭发动机结构简单，机械零部件少。因此使用起来更加快捷方便。不同于在使用时装填燃料的液体火箭发动机，固体火箭发动机的燃料可以贮藏在发动机内长期存放，有利于载具的随时使用。同样由于结构简单，固体火箭发动机可靠性较高。固体燃料的密度大于液体燃料，因此节省下贮存燃料的空间，降低整体质量。综合这些优点，固体火箭发动机的成本要低于同功率的液体火箭发动机。不过，固体燃料的推力较低。也正因此，固体火箭发动机在较长的一段时间内都无法运用在宇宙航行使用的大型运载工具之上。固体火箭发动机点燃之后就将一直工作下去，无法控制推力或是反复点火，因此无法具备良好的操控性能，工作过程中产生的高温也要求固体火箭发动机不能长期工作。固体燃料自身性能受外界影响也使得固体火箭发动机性能不够稳定。同时，固体燃料燃烧后会产生较多的残余物质，一方面会对环境造成危害，另一方面对于军事用途来说，则会暴露载具的运动轨迹。综合以上这些因素，固体火箭发动机往往用于火箭弹、导弹的动力装置，航天器的辅助动力装置如逃逸发动机、分离发动机、减速发动机和各种民用设施如探空火箭、人工降雨火箭等。
• 液体火箭发动机需要燃料输送系统来将燃料室内的燃料输送至燃烧室，因此结构较固体火箭发动机复杂。但是采用自燃型燃料（如偏二甲肼）的发动机则可以省去点火装置。而像煤油-液氧组合的燃料系统则需要将燃料冷藏，等到发射时才向机体内灌注；液体燃料的灌注往往是不可逆的，所以必须等到完全有把握时才能进行发射准备工作。这些缺点都限制了液体燃料火箭在军事上的运用。然而，液体燃料推重比大，能够反复点火的特点对于宇宙航行来说十分有利。此外，还有采用固体燃料、液体氧化剂，液体燃料、固体氧化剂等多种形式的固液混合燃料火箭发动机。
• 电能火箭发动机利用电能将工作物质加速喷射出去以获得动能。工作物质可以是通过激光、微波或射频波照射获得的等离子体，也可以是分子气体。电能往往来自于太阳能电池或是核同位素温差电池。常见的电火箭发动机包括离子推进器、霍尔推进器、磁等离子推进器等。与化学能火箭发动机相比，电火箭发动机所需要的工作物质少，整体质量轻巧。然而现有的电火箭发动机技术所能提供的推力都远远小于化学能火箭发动机。这使得电火箭发动机只能在没有空气阻力的太空航行中运用。不过由于电火箭发动机的工作时间可以比化学火箭发动机长久的多，所以在深空探测方面如新视野号探测计划更加具有优势。
• 核能火箭发动机的能源并不来自于自身的燃料，而是依靠核裂变、核聚变或衰变产生的能量。核反应产生的能量加热工作物质（通常为液态氢）产生推力。核能火箭发动机消耗的核燃料少，然而存在放射性和推重比是其主要缺点。[35]
• 太阳能火箭发动机并不是太阳帆。它通过反射镜将太阳能聚焦在推力室中，加热工作物质产生推力。太阳能火箭发动机难以获得足够大的推力，目前只是处于研究阶段。[36]

火箭发动机由于其大比冲的特点，主要运用在需要短时间加速的场合如各种火箭弹、导弹、制动、弹射座椅[37] 上。有时人们为了追求高速，也会在各种现有的交通工具上加装火箭发动机。[38][39]。同时，由于火箭发动机特别是固体火箭发动机的结构极其简单，往往也会被用在那些体积、重量受到限制的场所，例如牵引降落伞使其张开。或是与其他类型的发动机组合，以弥补其不足。由于固体火箭发动机不够稳定、液体火箭发动机复杂昂贵，一般大气层内的载人交通工具都不会以火箭发动机作为主要动力装置（但也有Me 163战斗机等例外）。可对于没空气用的大气层外宇宙航行而言，火箭发动机就成了唯一的选择。