内燃发动机是最大量的一种热力发动机，其总功率超过世界全部电站的总功率。全球开采的液体燃料，有一半以上用于这种发动机，但很可惜，转化为有用功的燃料能量不到30~40%，同时放出一氧化碳、氮氧化物和碳氢化合物等90%左右的有害废气。现在，已经制成了功率为20至500千瓦的各种类型的热力发动机——强制点燃式（汽化器发动机及燃气发动机）及压燃式（柴油机）等，用于陆上运输。发动机是一类庞大的金属产品，其中复合材料及塑料仅占总重量的1 ~ 2%。
近年来，由于世界各地区生态环境日益恶化，对汽车、拖拉机数量增长的消极影响引人瞩目。随着有害物质排放标准的日益严格，汽车化的构想得重新考虑。在解决使用汽车拖拉机所引起的生态问题的许多途径中，该提出的是改善所用的发动机——首先是提高发动机的经济性。当然，应用废气滤清器及废气燃烧器，操作过程的合理化等等，均可降低废气中的氮氧化物、碳氢化物及一氧化碳的含量，然而只有节约燃料方可减少二氧化碳的排出量，而从温室效应的威胁来看，后者尤为重要。
苏联在这方面进行了积极的研究，1988年12月16日，苏联国家科学技术委员会征集制造生态上清净的汽车运输工具的有关技术设想和设计，以期造出高度经济的汽车，并大幅度降低有害废气。本文即以其中的一个方案为基础（已决定向该方案拨款）。
在最近10年内，发动机设计的基本原则会不会发生改变呢？发动机迅速更新的主要障碍，在于缺乏一种可资代替的发动机型式。
可供选择的燃料有天然气、甲醇和氢等。但这些燃料无一不使汽车的操作指标和经济指标恶化，70年代中期，能源危机曾一度预示，燃料似乎就要迅速更新，而到80年代中期，世界市场的石油供应却已大大超过需求。尽管如此，但由于石油是一种有限的、不可再生的自然资源，将来石油价格必然要上涨。虽然到本世纪末液体燃料的需求将要增长10 ~ 15%，而按大多数的预测，石油开采量将依然大致停留在目前的水平上。
至于可供选择的发动机方面，电动车（甚至应用化学电源）的制造，直接把化学能转变为机械能，以及其他相当奇妙的构想，迄今依然处于试验阶段。要想在21世纪初安排一种新型发动机的大规模生产，则本世纪九十年代初就得造出可靠的、试验性的发动机（哪怕是发动机的模型）。
因此可以预料，最快得在21世纪初，汽车拖拉机发动机方能达到现有概念范围内的较高经济性，提高运输工具的经济性可有两个基本途径：改善发动机本身，以及改进与汽车、拖拉机的其它装置的协调性（特别是借助于采用现代的自动化工具——微信息处理机及传感器，跟踪运动速度、曲轴回转频率、爆震动量、废气组成，进气系统中空气涡流强度以及大气状况等）。我们现在即就改进发动机这一途径加以探讨。
怎样提高发动机的效率
制造运输发动机的早期历史，就是创造足够轻而经济、能与蒸汽机相竞争的设备的过程。世纪末，首批汽车出现时，在蒸汽动力技术中开始运用过热蒸汽以提高热机的效率，高压的热机得到了普及，有些功率超过了1000千瓦。这虽然提高了热机的效率，但需要笨重的传动装置，方能把能量传递给各个机床。因此，小功率的轻型发动机受到了迅速发展的运输业及绝大多数小型企业的欢迎。
1860年法国工程师Э. 伦努奥尔创造的用电火花强制点火的燃气内燃发动机，就是这样一种新型发动机，尽管它的效率低于蒸汽机的效率（低3%），法国和英国仍然开始生产这种发动机。1867年，在巴黎展览会上陈列出了H · 奥托和Э. 伦努奥尔的具有四冲程工作循环——吸入燃料混合物、压缩、燃烧膨胀以及废气的排出——的发动机，现代的汽车、拖拉机几乎均应用这种发动机。
19世纪90年代，著名的德国发明家P · 狄塞尔曾试图实现理想的卡诺循环，却获得了一个意外的结果：制成了具有高度经济性的、以石油重馏份为燃料的内燃发动机。
目前如何设法提高发动机的经济性呢？根据卡诺原理，任何热机的效率取决于加热器和冷却器的温度。理想热机的理论效率可按卡诺公式计算：
η=1－T2/T1
式中T1一一加热器（燃着的混合物）温度，T2——冷却器温度（相当于排入大气中的废气温度）。
由于燃着的混合物温度高——2200 ~ 2500 K，内燃发动机的效率大大地超过蒸汽机的效率。然而废气温度也相当高：汽化器发动机及燃气发动机为900 ~ 1100 K，同种类型的柴油机则为700至1000 K。因此在汽化器发动机中，转变成有用功的燃料化学能不足30%；柴油机则较高，为40%左右。那么其余的能量到哪里去了呢？其一部分为冷却系统的液体或空气所吸收，还有的成为废气的能量。此外，由于发动机与环境间辐射及对流的热交换，亦散失一部分能量。后两种热平衡组分显著小于前两者。作进一步分析时，可假定全部能量损失归于冷却系统带走的热量及由废气带到环境里去的热量。
近年来，在文献中出现了许多关于由陶瓷材料制成的所谓绝热发动机（更正确地说，是有限导热的发动机）的报道。这种发动机，由于陶瓷汽缸、活塞及汽缸盖不需要冷却装置，第一部分热损失照例不存在。不少日本和美国的公司确实发表了关于由陶瓷制造主要部件的发动机模型制成的广告性报道，提及可望在最近几年内在发动机制造中广泛应用以碳化硅、氮化硅、二氧化锆和刚玉等化合物为基础的高温陶瓷。应用这些材料，就有可能提高工作汽缸中的气体温度，由于摒弃了冷却装置，因而也可避免带动水泵及通风机的功率损失。但与此同时，在其他条件相同的情况下，实际上提高了吸入气体的温度，从而更主要的是提高了废气的温度。当然，用陶瓷制造发动机主要部件，可以减轻发动机重量，简化操作，减省稀有金属。但正如模型试验的计算结果所表明的那样，按传统方式工作的陶瓷发动机的效率，实际上与现有发动机的效率没有什么差别——汽缸中气体温度的提高不足以抵销废气温度的提高。能量损失只是作了重新分配：低温热交换部分的损失减少，而与废气有关的高温热交换部分的损失则增加。诚然，废气中碳氢化合物的含量可降低，氮氧化合物及CO的含量则至少不致增加。
由此可知，应用高温陶瓷作为发动机结构材料，只能加剧废气能量的损失，因而就导致一种构想：制造一种除了活塞机外还含有叶轮机——压气机及透平机，并因而具有更高效率的组合发动机。
组合发动机的发展
组合发动机的构想并不新奇，问，题很明显，这是由于在膨胀终了及排气冲程中的废气压力大大超过大气压力。1905年，瑞士工程师A · 彪希首次提出，应尽一切可能把活塞式发动机的废气导入透平机，以利用这一压力差。
但是采用透平机并没有完全解决废气能量的利用问题。由于排气系统造成的气流阻力使换气困难，照例，透平机会使活塞式发动机操作过程的指标有某些恶化，为了避免这一缺陷，可利用透平机带动给发动机汽缸供气的压气机。增大空气压力（称为增压）不仅可改善换气，而且可增加每一循环中燃烧的燃料量，从而，外形尺寸不变，发动机功率得以提高。透平机与压气机连接成一个设备，即为透平压气机。1918年开始，增压的活塞式发动机在航空上得到了广泛的应用。功率大于150千瓦的柴油机一般即宜于设计成增压柴油机。高增压（大于0.2兆帕）的汽车及拖拉机用的组合的柴油机的效率可达到45%。增压发动机的操作一方面增大了由废气造成的高温损失，另一方面，降低了由冷却水或空气（其温度几乎降低一个数量级）造成的损失。
因此，运用增压会提高废气能量。就有可能把带动压气机过剩的能量转换为机械能，用于任何需用之处（汽车空调器、冷却器，有时可直接传递给重要发动机的轴）。通常，为此还要用一个透平机——与压气机无关的动力透平。这就是所谓组合发动机的复式透平型式，近年来在发动机制造中与使用陶瓷联系在一起。
应当指出，按照陶瓷材料的机械特性，它更适用于工质流量恒定的机器（透平机、叶轮压气机），肟者的主要负载是准静态的。反之，在活塞机中工质流量是脉动的，主要负载表现出明显的脉动特性。因此，很显然，制造陶瓷燃气透平发动机并不比活塞式发动机复杂。
目前，燃气温度受透平叶片金属性能的限制。因此，虽然在燃气透平发动机中废气也膨胀至大气压力，但目前其效率仍低于活塞式发动机。而应用陶瓷，则可提高透平机进口处的温度至1600 ~ 1700 K。空气在进入燃烧室前用废气预热的汽车、拖拉机的燃气透平发动机，在此温度下的效率，与最好的柴油机相比还高15 ~ 20%。而且这种发动机将是“杂食”的发动机，它可以使用柴油机燃料、煤油、重油/甲醇及科种可燃气体。但是用陶瓷大量生产燃气透平发动机、使之现代化，尚需要巨大的投资。加之，把陶瓷用于内燃机，使废气能量的利用问题更为突出，甚至连活塞式发动机、透平压气机与一个动力透平或几个动力透平组成的系统亦不足以完全解决这一问题。这里，得求助于C. 卡诺的某些设想。
在《关于运动火力及能扩展这种作用的机器的思考》一书中，卡诺提到应用两种工质制造高效热机的可能，这两种工质便是水蒸气和可在其中混入燃料的空气。这种情况下，由废气加热水蒸气，因而根据卡诺公式，热机效率明显增高，因为加热器的温度（即燃着的燃料与空气的混合物的温度）依然跟以前一样地高，而冷却器的温度大大降低（即相当于第二种工质——蒸汽的冷凝温度）。
卡诺提出的二重循环在19世纪中叶由创造二回路蒸汽机的ДЮ · 特伦勃尔付诸实现。他在第一个回路中以水蒸汽为工质，而在第二个回路中则以乙醚蒸汽为工质。对于固定设备及船用动力装置来说，尽管因接上外部利用废气能量的回路而使重量及尺寸有所增大，但热机效率的增高是主要的。因此，广泛应用这种借废气热量发生蒸汽的二重循环，可取得明显的经济效果。
废气能量利用的现代方案
70年代初，由于出现世界能源危机的初步征兆，对汽车及拖拉机发动机中废热利用设备的关心大为增长。涉及汽车拖拉机发动机废热利用的专利数，1979年达到最高峰，从1郎0年开始，专利申请的提出即逐渐减缓。但与此同时，发表的该论题的科技论文数依然不少，且除了理论研究外，还阐明了具体的设计方案及试验结果。
世界各主要汽车公司都在制造有废热利用装置的汽车拖拉机发动机。按最佳估计，可望在1990 ~ 1992年生产出载重汽车、干线公共汽车及拖拉机用的新一代的试验性发动机。
在运输工具用的发动机中，为了利用废热，可应用：蒸汽透平及燃气透平装置、可使气体膨胀至大气压力的非传统操作循环的内燃机、蒸汽活塞机及蒸汽叶轮机、用可燃气体或蒸汽的附加的汽缸、暖气设备、斯其令发动机、带有热泵的设备、向透平压气机供汽，等等。用透平压气机增压的活塞式内燃发动机、动力透平与利用废热的汽轮机三者的组合，得到了最大的普及，可用水、甲苯、甲醇及各种有机液体为工质。
下面我们来探讨一下功率为100 ~ 300千瓦的汽车拖拉机发动机采用这种废气能量利用装置的情况。
内燃机曲轴的回转频率一般为2000 ~ 3000转/分，增压系统透平压气机曲轴的回转频率为60，000 ~ 90，000转/分。动力透平的最佳回转频率应在透平压气机的回转频率范围内。因此，为了把动力透平的能量传递给发动机曲轴，需要用传送比为30 ~ 40的减速器，后者应具有倒转离合器及流体构件（如流体离合器），以消除扭转振动。
蒸汽发生器进口处的气体温度为800 ~ 1000 K。如果用水蒸汽为介质，则出口处温度应降至400 ~ 500 K。
外部利用废气能量方案的主要要求是获得最大的功率。因此进入汽轮机的蒸汽压力应该越高越好（实际上可达10兆帕级的压力）。在这种场合，在蒸汽回路中以超声气流的单级透平（拉瓦尔透平）为最佳，且以与动力透平相同的回转频率实现其设计工作条件。这类透平可用于控制蒸汽动力设备及带动各种辅助设备等方面。这种透平处于最佳状态下的效率为70 ~ 80%。
考虑到动力透平及汽轮机的高回转频率下机械传动作业的可靠性，提出了在废气利用系统中完全采用离心泵及容积式水力发动机构成的液力传动。
大体上取决于离心泵液流部分完善程度的液力传动的效率不超过80%，略低于机械传动的效率（90 ~ 95%）。可是离心泵叶轮的外径仅为30 ~ 50毫米，重量及动力性能方面的优点可以补偿效率的降低（尺寸小，因而转动部件的惯矩小，对于汽车拖拉机发动机所特有的不固定的工作条件来说，是很大的优点）。带动辅助设备的运输工具（如联合收割机）采用液力传动的发动机最为有效。
在上述利用废气能量的方案中，有许多完全是启迪性的设想，未必为最佳。废能利用系统的最终评定，首先取决于内燃机的使用条件。如耕耘庄稼的拖拉机与长途行驶的汽车所用的动力设备，它们的使用条件不同，因之最佳的组合方案也各不相同。
蒸汽动力回路节约燃料的效果是没有疑问的。至于总的经济效果，则情况比较复杂：燃料的节约与发动机重量和成本的增加是联系在一起的。目前制造汽车用的陶瓷的价格高于合金钢的价格，只有当石油继续涨价或生态标准进一步趋于严格时，才有可能出现敌得过传统发动机的更复杂的汽车拖拉机发动机。
还缺乏可供进行详细经济分析的、精确的原始资料，但评估石油市场的动向，可以预期，汽车和拖拉机在21世纪将普遍采用带有利用废气能量的蒸汽回路的组合发动机。
