航空活塞式發動機組成及工作原理

航空活塞式發動機是利用汽油與空氣混合,在密閉的容器(氣缸)內燃燒,膨脹作功的機械。活塞式發動機必須帶動螺旋槳,由螺旋槳產生推(拉)力。所以,作為飛機的動力裝置時,發動機與螺旋槳是不能分割的。

(一)活塞式發動機的主要組成

（01）主要由氣缸、活塞、連桿、曲軸、氣門機構、螺旋槳減速器、機匣等組成。氣缸是混合氣(汽油和空氣)進行燃燒的地方。氣缸內容納活塞作往復運動。氣缸頭上裝有點燃混合氣的電火花塞(俗稱電嘴),以及進、排氣門。發動機工作時氣缸温度很高,所以氣缸外壁上有許多散熱片,用以擴大散熱面積。氣缸在發動機殼體(機匣)上的排列形式多為星形或V形。常見的星形發動機有5個、7個、9個、14個、18個或24個氣缸不等。在單缸容積相同的情況下,氣缸數目越多發動機功率越大。活塞承受燃氣壓力在氣缸內作往復運動,並通過連桿將這種運動轉變成曲軸的旋轉運動。連桿用來連接活塞和曲軸。 曲軸是發動機輸出功率的部件。曲軸轉動時,通過減速器帶動螺旋槳轉動而產生拉力。除此而外,曲軸還要帶動一些附件(如各種油泵、發電機等)。氣門機構用來控制進氣門、排氣門定時打開和關閉。

(二)活塞式發動機的工作原理

（01）活塞頂部在曲軸旋轉中心最遠的位置叫上死點、最近的位置叫下死點、從上死點到下死點的距離叫活塞衝程。活塞式航空發動機大多是四衝程發動機,即一個氣缸完成一個工作循環,活塞在氣缸內要經過四個衝程,依次是進氣衝程、壓縮衝程、膨脹衝程和排氣衝程。發動機開始工作時,首先進入“進氣衝程”,氣缸頭上的進氣門打開,排氣門關閉,活塞從上死點向下滑動到下死點為止,氣缸內的容積逐漸增大,氣壓降低——低於外面的大氣壓。於是新鮮的汽油和空氣的混合氣體,通過打開的進氣門被吸入氣缸內。混合氣體中汽油和空氣的比例,一般是 1比 15即燃燒一公斤的汽油需要15公斤的空氣。進氣衝程完畢後,開始了第二衝程,即“壓縮衝程”。這時曲軸靠慣性作用繼續旋轉,把活塞由下死點向上推動。這時進氣門也同排氣門一樣嚴密關閉。氣缸內容積逐漸減少,混合氣體受到活塞的強烈壓縮。當活塞運動到上死點時,混合氣體被壓縮在上死點和氣缸頭之間的小空間內。這個小空間叫作“燃燒室”。這時混合氣體的壓強加到十個大氣壓。温度也增加到攝氏4OO度左右。壓縮是為了更好地利用汽油燃燒時產生的熱量,使限制在燃燒室這個小小空間裏的混合氣體的壓強大大提高,以便增加它燃燒後的做功能力。當活塞處於下死點時,氣缸內的容積最大,在上死點時容積最小(後者也是燃燒室的容積)。混合氣體被壓縮的程度,可以用這兩個容積的比值來衡量。這個比值叫“壓縮比”。活塞航空發動機的壓縮比大約是5到8,壓縮比越大,氣體被壓縮得越厲害,發動機產生的功率也就越大。壓縮衝程之後是“工作衝程”,也是第三個衝程。在壓縮衝程快結束,活塞接近上死點時,氣缸頭上的火花塞通過高壓電產生了電火花,將混合氣體點燃,燃燒時間很短,大約0.015秒;但是速度很快,大約達到每秒30米。氣體猛烈膨脹,壓強急劇增高,可達6O到75個大氣壓,燃燒氣體的温度到攝氏2000到250O度。燃燒時,局部温度可能達到三、四千度,燃氣加到活塞上的衝擊力可達15噸。活塞在燃氣的強大壓力作用下,向下死點迅速運動,推動連桿也門下跑,連桿便帶動曲軸轉起來了。這個衝程是使發動機能夠工作而獲得動力的唯一衝程。其餘三個衝程都是為這個衝程作準備的。第四個衝程是“排氣衝程”。工作衝程結束後,由於慣性,曲軸繼續旋轉,使活塞由下死點向上運動。這時進氣門仍舊關閉,而排氣門大開,燃燒後的廢氣便通過排氣門向外排出。 當活塞到達上死點時,絕大部分的廢氣已被排出。然後排氣門關閉,進氣門打開,活塞又由上死點下行,開始了新的一次循環。從進氣衝程吸入新鮮混合氣體起,到排氣衝程排出廢氣止,汽油的熱能通過燃燒轉化為推動活塞運動的機械能,帶動螺旋槳旋轉而作功,這一總的過程叫做一個“循環”。這是一 種周而復始的運動。由於其中包含着熱能到機械能的轉化,所以又叫做“熱循環”。活塞航空發動機要完成四衝程工作,除了上述氣缸、活塞、聯杆、曲軸等構件外,還需要一些其他必要的裝置和構件。

(三)活塞式航空發動機的輔助工作系統

（01）發動機除主要部件外,還須有若干輔助系統與之配合才能工作。主要有進氣系統(為了改善高空性能,在進氣系統內常裝有增壓器,其功用是增大進氣壓力)、燃油系統、點火系統(主要包括高電壓磁電機、輸電線、火花塞)、起動系統(一般為電動起動機)、散熱系統和潤滑系統等。