micro:bit 相关产品Jacdac SeriesJacdac能源实践套件案例九：内燃机本页总览案例九：内燃机简介按住Jacdac外接按钮模块不放，360°积木舵机持续旋转，通过曲柄连杆机构将旋转运动转化为活塞的往复直线运动，模拟内燃机点火运转；松开按钮，舵机停止，模拟发动机熄火。按钮按下=油门踩下，松开=熄火。案例目的认识内燃机，了解其将燃料化学能转化为机械能的工作原理。认识曲柄连杆机构——将旋转运动与往复运动互相转化的核心机械结构。了解能源转换链条——化学能→热能→动能→机械能，体会能量形态的变化过程。所需材料项目图片数量micro:bit V21Jacdac扩展板1Jacdac 25cm连接线2Jacdac按钮传感器1Jacdac舵机模块1360°积木舵机1USB数据线1搭建步骤模型原理说明曲柄连杆机构曲柄连杆机构是内燃机中最核心的传动部件，由三个关键部分组成：部件运动方式在本模型中的实现曲轴（曲柄）绕轴心连续旋转360°积木舵机输出轴直接驱动连杆复杂的平面摆动一端铰接在曲柄销上，一端连接活塞活塞沿气缸壁往复直线运动在"气缸"（滑轨）中上下滑动工作循环如下：舵机旋转 → 曲柄销做圆周运动 → 连杆摆动 → 活塞上下往复 ↑ ↓ 旋转动能 直线运动（模拟做功）每旋转一圈，活塞完成一次完整的上下往复（从上止点到下止点再回到上止点）——对应四冲程发动机的两个行程周期。内燃机——工业时代的"心脏"内燃机是一种将燃料在气缸内部燃烧产生的高温高压气体热能，直接转化为机械能的动力装置。与蒸汽机（燃料在外部锅炉中燃烧）不同，内燃机的燃烧发生在气缸内部，结构更紧凑、热效率更高。自1876年德国工程师尼古拉斯·奥托发明第一台实用四冲程内燃机以来，它驱动了汽车、飞机、轮船、工程机械等几乎所有现代交通工具，深刻改变了人类的生活方式。传感器原理说明本案例使用Jacdac外接按钮模块作为输入传感器。按钮模块是一种数字开关传感器，按下时电路导通输出高电平信号（1），松开时电路断开输出低电平信号（0）。程序通过持续检测按钮的按下/松开状态来控制舵机的运转与停止，实现"按住=油门踩下、松开=熄火"的直观控制逻辑。连接示意图如下图所示，将micro:bit主板插入Jacdac扩展板，将舵机模块连接在Jacdac扩展板金手指接口上。编程软件微软 MakeCodeMakeCode 编程步骤1：如何添加 Jacdac 扩展进入微软 MakeCode，点击 "新建项目"。在弹出窗口输入项目名称并点击 "创建"。点击代码抽屉中的 "扩展"。在弹出界面输入 "Jacdac" 并点击搜索图标，选择 Jacdac 软件库，如图所示。步骤2：连接硬件用数据线将micro:bit主板连接到计算机。注意： 若micro:bit主板初次运行Jacdac程序，请先预装一个空白Jacdac程序至主板，否则跳过此步骤。连接传感器，MakeCode自动识别并仿真呈现，在仿真区内传感器实时反馈传感器状态。点击 "ADD BLOCKS" 传感器扩展模块。注意： 连接新的传感器，重复执行一次"点击'ADD BLOCKS'传感器扩展模块"操作流程。如图所示编写程序参考程序链接📎https://makecode.microbit.org/_REC9MMYeX3rP你也可以通过以下网页直接下载程序，下载完成后即可开始运行程序。结果按住Jacdac外接按钮模块时，360°积木舵机全速旋转，曲柄带动连杆和活塞上下往复运动，模拟内燃机点火运转——"油门踩到底"；松开按钮，舵机立即停止，活塞静止，模拟发动机熄火。按住=运转、松开=熄火，简单直观。思考曲柄连杆机构和之前舂米机中的凸轮机构，有什么相同和不同之处？如果把舵机换成用手转动曲轴，你能感受到活塞在不同位置的阻力差异吗？为什么？程序逻辑说明触发条件动作来源按住外接按钮模块（按下不放）360°积木舵机以全速（100）持续旋转，模拟内燃机点火运转Jacdac 按钮传感器松开外接按钮模块360°积木舵机立即停止旋转，模拟发动机熄火Jacdac 按钮传感器知识拓展：内燃机——150年的热力革命一、四冲程——内燃机的灵魂节拍四冲程内燃机的一个完整工作循环包含四个行程，曲轴旋转两圈（720°），完成一次"进气→压缩→做功→排气"： ┌──────────────────────────────────────────────────────┐ │ 四冲程工作循环 │ └──────────────────────────────────────────────────────┘ 冲程1：进气 冲程2：压缩 ┌──────────┐ ┌──────────┐ │ 进气门开 │ │ 两门关闭 │ │ 排气门关 │ │ 活塞上行 │ │ 活塞下行 │ │ 气体被压 │ │ 吸入油气 │ │ 温压骤升 │ └──────────┘ └──────────┘ ↓ ↓ 冲程4：排气 冲程3：做功（唯一输出动力的冲程） ┌──────────┐ ┌──────────┐ │ 进气门关 │ │ 两门关闭 │ │ 排气门开 │ │ 火花点火 │ │ 活塞上行 │ │ 燃气燃烧 │ │ 排出废气 │ │ 推动活塞 │ └──────────┘ └──────────┘冲程活塞方向进气门排气门缸内发生什么① 进气下行（上止点→下止点）开关吸入汽油与空气的混合气② 压缩上行（下止点→上止点）关关混合气被压缩，温度升至约400°C③ 做功下行（上止点→下止点）关关火花塞点火！燃气燃烧膨胀，推动活塞——唯一输出动力的冲程④ 排气上行（下止点→上止点）关开燃烧后的废气被推出气缸关键洞察： 四个冲程中，只有做功冲程对外输出动力，其余三个冲程都在消耗能量。这就是为什么发动机需要飞轮——在做功冲程储存能量，在其他三个冲程释放能量维持运转。你的舵机模型中没有飞轮，但在真实发动机中，飞轮对平稳运转至关重要。曲轴每两圈（720°）中，只有约180°在真正"发力"。二、内燃机中的能源转换——能量形态的四级跳跃一箱汽油，如何在发动机中变成车轮的转动？这其中发生了四次能量形态的转化：化学能 热能 动能 机械能(Chemical) → (Thermal) → (Kinetic) → (Mechanical) 汽油分子 燃烧产生 高温气体 活塞→连杆 中的化学 2000°C+ 急速膨胀 →曲轴旋转 键能 高温高压 推动活塞 →飞轮输出 ↓ ↓ ↓ ↓ 存储在 气缸内 气体分子 曲轴末端的 燃料中 释放 的集体运动 可用旋转力转化阶段能量形态变化在哪发生效率损失阶段一 化学能→热能燃料燃烧释放化学键能，产生高温高压气体气缸燃烧室约2~5%（燃烧不完全）阶段二 热能→动能高温气体膨胀，推动活塞高速运动气缸内（做功冲程）约30~35%（热量散失到冷却系统）阶段三 动能→排气热未利用的热能随废气排出排气管约30%（尾气带走）阶段四 动能→机械能活塞直线运动通过连杆转化为曲轴旋转曲柄连杆机构约6%（摩擦损失）综合效率： 一台典型的汽油发动机，最终只有约25%~35%的燃料能量转化为有用的机械功。这意味着加100元的汽油，真正用来推动汽车前进的能量只值25~35元，其余65~75元变成了热——从散热器和排气管白白散失到空气中。三、内燃机发展史——四位改变世界的工程师年份人物国籍里程碑1673年惠更斯（Christiaan Huygens）荷兰首次提出用火药在气缸内燃烧推动活塞的构想，虽未成功，但播下了内燃机的种子1824年萨迪·卡诺（Sadi Carnot）法国提出"卡诺循环"理论，揭示了热机效率的理论上限，为内燃机奠定热力学理论基础1860年勒诺瓦（Étienne Lenoir）比利时制造世界第一台实用的内燃机（二冲程、无压缩），热效率仅约4%1861年德·罗夏（Alphonse Beau de Rochas）法国在论文中首次完整提出四冲程循环理论（进气→压缩→膨胀做功→排气），指出压缩是提高效率的关键1876年尼古拉斯·奥托（Nicolaus Otto）德国发明第一台实用四冲程内燃机，热效率达到14%，被称为"内燃机之父"。四冲程循环因此被命名为"奥托循环"1885年戴姆勒与迈巴赫（Daimler & Maybach）德国在奥托发动机基础上开发出高速汽油机，制成世界上第一辆摩托车1897年鲁道夫·狄塞尔（Rudolf Diesel）德国发明压燃式柴油机，热效率达26%，远高于同期汽油机。柴油（diesel）的英文名即为纪念他 效率进化： 从勒诺瓦1860年的4%，到奥托1876年的14%，再到狄塞尔1897年的26%，最后到现代汽油机的35%+和柴油机的40%+——160年间，人类将内燃机的效率提升了10倍以上。四、曲柄连杆机构——旋转与往复之间的翻译官在数学上，曲柄连杆机构的运动可以精确描述：设曲柄半径为r，连杆长度为l，曲柄转角为θ：活塞位移公式（从上止点起算）：x = r(1 - cosθ) + l - √(l² - r²sin²θ)关键几何关系：当曲柄销在最高点（θ=0°）时活塞处于上止点（TDC）；曲柄转过180°时活塞处于下止点（BDC）。活塞的总行程 = 2 × 曲柄半径。曲柄转角活塞位置对应的四冲程阶段（以做功冲程为例）0°（上止点）最高处火花塞点火，燃烧开始90°快速下行燃气燃烧膨胀，活塞被猛力下推180°（下止点）最低处做功冲程结束，排气门即将打开270°上行中排气冲程360°（上止点）回到最高处完成两个冲程，下一个循环开始你的舵机模型恰好演示了这一运动规律——舵机输出的连续旋转（曲轴），经连杆转化为活塞的往复滑动。虽然模型中舵机是"动力源"（旋转产生往复），而在真实发动机中方向相反——活塞是动力源（燃烧推动），曲轴输出旋转——但曲柄连杆机构的双向可逆性正是其精妙之处。五、内燃机与能源未来如今，我们站在内燃机时代与电动时代的交汇点：内燃机电动机能源来源汽油/柴油（化石燃料）电池/电网（可来自清洁能源）效率25%~40%85%~95%碳排放尾气直接排放CO₂零尾气排放（发电可能间接排放）能量密度极高（1kg汽油≈12kWh）较低（1kg锂电池≈0.25kWh）成熟度150年历史，极度成熟快速发展中 尽管电动车正在普及，内燃机并未退出历史舞台。2024年，全球仍有超过14亿辆燃油车在道路上行驶，每年还新增约7,000万辆。在航空、远洋航运、重型工程机械等领域，内燃机因其极高的能量密度和便捷的燃料加注，仍然难以被完全替代。未来的方向可能是混合动力（内燃机+电机协同）、氢燃料内燃机（燃烧氢气，零碳排放）、以及合成燃料（用可再生能源制造的碳中和燃料）——内燃机的故事，远未结束。
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