活塞式發(fā)動機(jī)

第第頁活塞式發(fā)動機(jī)活塞發(fā)動機(jī)也叫往復(fù)式發(fā)動機(jī)，是一種利用一個或者多個活塞將壓力轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)動能的發(fā)動機(jī)。活塞發(fā)動機(jī)是熱機(jī)的一種，靠汽油、柴油等燃料供給動力?；钊桨l(fā)動機(jī)重要由氣缸、活塞、連桿、曲軸、氣門機(jī)構(gòu)、螺旋槳減速器、機(jī)匣等構(gòu)成?；钊胶娇瞻l(fā)動機(jī)是由汽車的活塞式發(fā)動機(jī)進(jìn)展而來，大多是四沖程發(fā)動機(jī)，即一個氣缸完成一個工作循環(huán)，活塞在氣缸內(nèi)要經(jīng)過四個沖程，依次是進(jìn)氣沖程、壓縮沖程、膨脹沖程和排氣沖程。發(fā)動機(jī)除重要部件外，還須有若干輔佑襄助系統(tǒng)與之搭配才能工作。除了傳統(tǒng)的活塞式發(fā)動機(jī)，近年來，人們又創(chuàng)造了轉(zhuǎn)子內(nèi)燃引擎，具有傳統(tǒng)活塞式發(fā)動機(jī)不同的特點(diǎn)。目錄簡介工作原理相關(guān)資料轉(zhuǎn)子內(nèi)燃引擎輔佑襄助系統(tǒng)發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)簡介最常用的往復(fù)式發(fā)動機(jī)是利用汽油或者柴油燃料產(chǎn)生壓力的。通常都不止一個活塞，每個活塞都在氣缸內(nèi)，燃料－空氣混合物被注入其內(nèi)，然后被點(diǎn)燃。熱氣膨脹，推動活塞向后運(yùn)動?；钊倪@種直線運(yùn)動通過連桿和曲軸轉(zhuǎn)換成圓周運(yùn)動。這種發(fā)動機(jī)常常被通稱為內(nèi)燃機(jī)，盡管內(nèi)燃機(jī)并不必需包括活塞?，F(xiàn)在的利用并不是很多，水蒸氣是另一種叫做蒸氣式發(fā)動機(jī)的往復(fù)式發(fā)動機(jī)的能源。這種情況下是利用特別高的蒸氣壓力來驅(qū)動活塞。蒸氣能的大部分利用中，活塞發(fā)動機(jī)已經(jīng)被更為高效的渦輪機(jī)所取代，由于要求有更高的力矩活塞已經(jīng)更多的運(yùn)用到轎車領(lǐng)域中。傳統(tǒng)四行程往復(fù)式活塞引擎，引擎轉(zhuǎn)兩周，各汽缸才完成一次進(jìn)氣、壓縮、點(diǎn)火與排氣過程引擎。至于轉(zhuǎn)子引擎，轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)一周便有三次進(jìn)氣、壓縮、點(diǎn)火與排氣。轉(zhuǎn)子跟轉(zhuǎn)子引擎輸出軸的齒輪比例為三比一，故此轉(zhuǎn)子引擎只需轉(zhuǎn)一周，各轉(zhuǎn)子便有一次進(jìn)氣、壓縮、點(diǎn)火與排氣過程，相當(dāng)于往復(fù)式引擎運(yùn)轉(zhuǎn)兩周，因此具有小排氣量就能成就高動力輸出的優(yōu)點(diǎn)（但相對的，同樣排氣量之下轉(zhuǎn)子引擎也較往復(fù)引擎的油耗高出很多）。另外，由于轉(zhuǎn)子引擎的軸向運(yùn)轉(zhuǎn)特性，它不需要精密的曲軸平衡就可以達(dá)到特別高的運(yùn)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速。多氣缸的活塞式發(fā)動機(jī)采納不同的排列形狀，直接影響發(fā)動機(jī)的外形，右圖中是幾種氣缸的排列形式。種形式是直列式，氣缸排成一排，活塞直上直下往復(fù)運(yùn)動。這種形式的發(fā)動機(jī)構(gòu)造簡單，汽車上都用它。航空上用的比較多的是第二種V形和第五種星形。V形用于液體冷卻發(fā)動機(jī)，星形用于氣體冷卻發(fā)動機(jī)。除此之外還有X形、H形等其他排列形狀。工作原理活塞頂部在曲軸旋轉(zhuǎn)中心最遠(yuǎn)的位置叫上死點(diǎn)、近來的位置叫下死點(diǎn)、從上死點(diǎn)到下死點(diǎn)的距離叫活塞沖程?；钊胶娇瞻l(fā)動機(jī)大多是四沖程發(fā)動機(jī)，即一個氣缸完成一個工作循環(huán)，活塞在氣缸內(nèi)要經(jīng)過四個沖程，依次是進(jìn)氣沖程、壓縮沖程、膨脹沖程和排氣沖程。進(jìn)氣沖程發(fā)動機(jī)開始工作時，首先進(jìn)入“進(jìn)氣沖程”，氣缸頭上的進(jìn)氣門打開，排氣門關(guān)閉，活塞從上死點(diǎn)向下滑動到下死點(diǎn)為止，氣缸內(nèi)的容積漸漸增大，氣壓降低——低于外面的大氣壓。于是新鮮的汽油和空氣的混合氣體，通過打開的進(jìn)氣門被吸入氣缸內(nèi)?；旌蠚怏w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。壓縮沖程進(jìn)氣沖程完畢后，開始了第二沖程，即“壓縮沖程”。這時曲軸靠慣性作用連續(xù)旋轉(zhuǎn)，把活塞由下死點(diǎn)向上推動。這時進(jìn)氣門也同排氣門一樣嚴(yán)密關(guān)閉。氣缸內(nèi)容積漸漸削減，混合氣體受到活塞的猛烈壓縮。當(dāng)活塞運(yùn)動到上死點(diǎn)時，混合氣體被壓縮在上死點(diǎn)和氣缸頭之間的小空間內(nèi)。這個小空間叫作“燃燒室”。這時混合氣體的壓強(qiáng)加到十個大氣壓。溫度也加添到攝氏400度左右。壓縮是為了更好地利用汽油燃燒時產(chǎn)生的熱量，使限制在燃燒室這個小小空間里的混合氣體的壓強(qiáng)大大提高，以便加添它燃燒后的做功本領(lǐng)。當(dāng)活塞處于下死點(diǎn)時，氣缸內(nèi)的容積，在上死點(diǎn)時容積最小（后者也是燃燒室的容積）?；旌蠚怏w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(fā)動機(jī)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(fā)動機(jī)產(chǎn)生的功率也就越大。工作沖程壓縮沖程之后是“工作沖程”，也是第三個沖程。在壓縮沖程快結(jié)束，活塞接近上死點(diǎn)時，氣缸頭上的火花塞通過高壓電產(chǎn)生了電火花，將混合氣體點(diǎn)燃，燃燒時間很短，大約0.015秒；但是速度很快，大約達(dá)到每秒30米。氣體猛烈膨脹，壓強(qiáng)急劇增高，可達(dá)60到75個大氣壓，燃燒氣體的溫度到攝氏2000到2500度。燃燒時，局部溫度可能達(dá)到三、四千度，燃?xì)饧拥交钊系臎_擊力可達(dá)15噸?；钊谌?xì)獾膹?qiáng)大壓力作用下，向下死點(diǎn)快速運(yùn)動，推動連桿也門下跑，連桿便帶動曲軸轉(zhuǎn)起來了。這個沖程是使發(fā)動機(jī)能夠工作而獲得動力的沖程。其余三個沖程都是為這個沖程作準(zhǔn)備的。排氣沖程第四個沖程是“排氣沖程”。工作沖程結(jié)束后，由于慣性，曲軸連續(xù)旋轉(zhuǎn)，使活塞由下死點(diǎn)向上運(yùn)動。這時進(jìn)氣門仍舊關(guān)閉，而排氣門大開，燃燒后的廢氣便通過排氣門向外排出。當(dāng)活塞到達(dá)上死點(diǎn)時，絕大部分的廢氣已被排出。然后排氣門關(guān)閉，進(jìn)氣門打開，活塞又由上死點(diǎn)下行，開始了新的一次循環(huán)。從進(jìn)氣沖程吸入新鮮混合氣體起，到排氣沖程排出廢氣止，汽油的熱能通過燃燒轉(zhuǎn)化為推動活塞運(yùn)動的機(jī)械能，帶動螺旋槳旋轉(zhuǎn)而作功，這一總的過程叫做一個“循環(huán)”。這是一種周而復(fù)始的運(yùn)動。由于其中包含著熱能到機(jī)械能的轉(zhuǎn)化，所以又叫做“熱循環(huán)”?；钊娇瞻l(fā)動機(jī)要完成四沖程工作，除了上述氣缸、活塞、聯(lián)桿、曲軸等構(gòu)件外，還需要一些其他必要的裝置和構(gòu)件。相關(guān)資料活塞式發(fā)動機(jī)只能為飛機(jī)供給軸功率，還要通過空氣螺旋槳將發(fā)動機(jī)的軸功率轉(zhuǎn)化為推動力，一起構(gòu)成航空動力裝置。而螺旋槳在飛行速度高時推動效率急劇下降，因此活塞式發(fā)動機(jī)不能作為高速飛機(jī)、特別是超音速飛機(jī)的動力，故當(dāng)今的飛機(jī)廣泛采納燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)。轉(zhuǎn)子內(nèi)燃引擎簡介通常簡稱為轉(zhuǎn)子引擎，又稱為三角旋轉(zhuǎn)活塞發(fā)動機(jī)，是四行程內(nèi)燃機(jī)的一種，由德國工程師菲力·汪克爾（FelixWankel）在1959年時創(chuàng)造，因此又稱為汪克爾引擎。與傳統(tǒng)的往復(fù)式活塞引擎不同的是，轉(zhuǎn)子引擎的運(yùn)轉(zhuǎn)元件（稱為轉(zhuǎn)子，Rotor，其斷面造型仿佛一個三角形）是與輸出軸同樣采軸向運(yùn)轉(zhuǎn)，而不需利用杠桿與凸輪結(jié)構(gòu)將輸出的氣力轉(zhuǎn)向，因而削減了運(yùn)轉(zhuǎn)時能量的耗損。優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)轉(zhuǎn)子引擎的動力軸每旋轉(zhuǎn)一圈就作功一次，與一般的四沖程發(fā)動機(jī)每旋轉(zhuǎn)兩圈才作功一次相比，具有高馬力容積比（引擎容積較小就能輸出較多動力）的優(yōu)點(diǎn)。另外，由于轉(zhuǎn)子引擎的軸向運(yùn)轉(zhuǎn)特性，它不需要精密的曲軸平衡就能達(dá)到較高的運(yùn)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速。整個發(fā)動機(jī)只有兩個轉(zhuǎn)動部件，與一般的四沖程發(fā)動機(jī)具有進(jìn)、排氣活門等二十多個活動部件相比結(jié)構(gòu)大大簡化，故障的可能性也大大減小。除了以上的優(yōu)點(diǎn)外，轉(zhuǎn)子引擎的優(yōu)點(diǎn)亦包括體積較小、重量輕、低重心等。相對地，由于轉(zhuǎn)子引擎的三個燃燒室并非完全隔離，因此在引擎使用一段時間之后簡單由于油封材料磨損而造成漏氣問題，大幅加添油耗與污染。其獨(dú)特的機(jī)械結(jié)構(gòu)也造成這類引擎較難維護(hù)和修理。雖然轉(zhuǎn)子引擎具有以小排氣量、利用高轉(zhuǎn)速而產(chǎn)生高輸出的特性，但由于運(yùn)轉(zhuǎn)特性與往復(fù)式引擎的不同，世界各國在訂立與引擎排氣量相關(guān)的稅則時，皆是以轉(zhuǎn)子引擎的實(shí)際排氣量乘以二來作為與往復(fù)式引擎之間的比較基準(zhǔn)。舉例來說，日本馬自達(dá)（Mazda）旗下搭載了轉(zhuǎn)子引擎的RX—8跑車，其實(shí)際排氣量雖然只有1308立方厘米，但在日本國內(nèi)卻是以2616立方厘米的排氣量來作為稅級計(jì)算的基準(zhǔn)。輔佑襄助系統(tǒng)發(fā)動機(jī)除重要部件外，還須有若干輔佑襄助系統(tǒng)與之搭配才能工作。重要有進(jìn)氣系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)、點(diǎn)火系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、啟動系統(tǒng)、定時系統(tǒng)、散熱系統(tǒng)等。（1）進(jìn)氣系統(tǒng)：進(jìn)氣系統(tǒng)內(nèi)常裝有增壓器來增大進(jìn)氣壓力，以此改善高空性能。（2）燃油系統(tǒng)：燃料系統(tǒng)由燃料泵、氣化器或燃料噴射裝量等構(gòu)成。燃料泵將汽油壓入氣化器，汽油在此霧化并與空氣混合進(jìn)入氣缸。（3）點(diǎn)火系統(tǒng)：點(diǎn)火系統(tǒng)由磁電機(jī)產(chǎn)生的高壓電在規(guī)定的時間產(chǎn)生電火花，將氣缸內(nèi)的混合氣體點(diǎn)燃。（4）冷卻系統(tǒng)：發(fā)動機(jī)內(nèi)燃料燃燒時產(chǎn)生的熱量除轉(zhuǎn)化為動能和排出的廢氣所帶走的部分內(nèi)能外，還有很大一部分傳給了氣缸壁和其他有關(guān)機(jī)件。冷卻系統(tǒng)的作用就是將這些熱量散發(fā)出去，以保證發(fā)功機(jī)的正常工作。（5）啟動系統(tǒng)：將發(fā)動機(jī)發(fā)動起來．需要借助外來動力．通常用電功機(jī)帶動曲軸轉(zhuǎn)動使發(fā)動機(jī)啟動。（6）定時系統(tǒng)：定時系統(tǒng)是由曲軸帶動凸輪盤推動連桿和搖臂，定時將進(jìn)氣活門和排氣活門開啟和關(guān)閉的系統(tǒng)。[2]（7）散熱系統(tǒng)：為了能夠使氣缸內(nèi)表面在高溫下正常工作，必需對氣缸和氣缸蓋進(jìn)行適當(dāng)?shù)乩鋮s。冷卻方法有兩種，一種是水冷，另一種是風(fēng)冷。水冷發(fā)動機(jī)的氣缸四周和氣缸蓋中都加工有冷卻水套，并且氣缸體和氣缸蓋冷卻水套相通，冷卻水在水套內(nèi)不斷循環(huán)，帶走部分熱量，對氣缸和氣缸蓋起冷卻作用。現(xiàn)代汽車上基本都采納水冷多缸發(fā)動機(jī)，對于多缸發(fā)動機(jī)，氣缸的排列形式?jīng)Q議了發(fā)動機(jī)外型尺寸和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對發(fā)動機(jī)機(jī)體的剛度和強(qiáng)度也有影響，并關(guān)系到汽車的總體布置。依照氣缸的排列方式不同，氣缸體還可以分成單列式，V型和對置式三種。1）直列式發(fā)動機(jī)的各個氣缸排成一列，一般是垂直布置的。單列式氣缸體結(jié)構(gòu)簡單，加工簡單，但發(fā)動機(jī)長度和高度較大。一般六缸以下發(fā)動機(jī)多采納單列式。例如捷達(dá)轎車、富康轎車、紅旗轎車所使用的發(fā)動機(jī)均采納這種直列式氣缸體。有的汽車為了降低發(fā)動機(jī)的高度，把發(fā)動機(jī)傾斜一個角度。2）V型氣缸排成兩列，左右兩列氣缸中心線的夾角γ180°，稱為V型發(fā)動機(jī)，V型發(fā)動機(jī)與直列發(fā)動機(jī)相比，縮短了機(jī)體長度和高度，加添了氣缸體的剛度，減輕了發(fā)動機(jī)的重量，但加大了發(fā)動機(jī)的寬度，且形狀較多而雜，加工困難，一般用于8缸以上的發(fā)動機(jī)，6缸發(fā)動機(jī)也有采納這種形式的氣缸體。3）對置式氣缸排成兩列，左右兩列氣缸在同一水平面上，即左右兩列氣缸中心線的夾角γ=180°，稱為對置式。它的特點(diǎn)是高度小，總體布置便利，有利于風(fēng)冷。這種氣缸應(yīng)用較少。發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)簡述活塞式發(fā)動機(jī)重要由氣缸、活塞、連桿、曲軸、氣門機(jī)構(gòu)、螺旋槳減速器、機(jī)匣等構(gòu)成。氣缸是混合氣（汽油和空氣）進(jìn)行燃燒的地方。氣缸內(nèi)容納活塞作往復(fù)運(yùn)動。氣缸頭上裝有點(diǎn)燃混合氣的電火花塞（俗稱電嘴），以及進(jìn)、排氣門。發(fā)動機(jī)工作時氣缸溫度很高，所以氣缸外壁上有很多散熱片，用以擴(kuò)大散熱面積。氣缸在發(fā)動機(jī)殼體（機(jī)匣）上的排列形式多為星形或V形。常見的星形發(fā)動機(jī)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(shù)目越多發(fā)動機(jī)功率越大。活塞承受燃?xì)鈮毫υ跉飧變?nèi)作往復(fù)運(yùn)動，并通過連桿將這種運(yùn)動變化成曲軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。連桿用來連接活塞和曲軸。曲軸是發(fā)動機(jī)輸出功率的部件。曲軸轉(zhuǎn)動時，通過減速器帶動螺旋槳轉(zhuǎn)動而產(chǎn)生拉力。除此而外，曲軸還要帶動一些附件（如各種油泵、發(fā)電機(jī)等）。氣門機(jī)構(gòu)用來掌控進(jìn)氣門、排氣門定時打開和關(guān)閉。機(jī)體是構(gòu)成發(fā)動機(jī)的骨架，是發(fā)動機(jī)各機(jī)構(gòu)和各系統(tǒng)的安裝基礎(chǔ)，其內(nèi)、外安裝著發(fā)動機(jī)的全部重要零件和附件，承受各種載荷。因此，機(jī)體必需要有充足的強(qiáng)度和剛度。機(jī)體組重要由氣缸體、汽缸套、氣缸蓋和氣缸墊等零件構(gòu)成。氣缸體水冷發(fā)動機(jī)的氣缸體和上曲軸箱常鑄成一體，稱為氣缸體——曲軸箱，也可稱為氣缸體。氣缸體一般用灰鑄鐵鑄成，氣缸體上部的圓柱形空腔稱為氣缸，下半部為支承曲軸的曲軸箱，其內(nèi)腔為曲軸運(yùn)動的空間。在氣缸體內(nèi)部鑄有很多加強(qiáng)筋，冷卻水套和潤滑油道等。氣缸體應(yīng)具有充足的強(qiáng)度和剛度，依據(jù)氣缸體與油底殼安裝平面的位置不同，通常把氣缸體分為以下三種形式。（1）一般式氣缸體其特點(diǎn)是油底殼安裝平面和曲軸旋轉(zhuǎn)中心在同一高度。這種氣缸體的優(yōu)點(diǎn)是機(jī)體高度小，重量輕，結(jié)構(gòu)緊湊，便于加工，曲軸拆裝便利；但其缺點(diǎn)是剛度和強(qiáng)度較差。（2）龍門式氣缸體其特點(diǎn)是油底殼安裝平面低于曲軸的旋轉(zhuǎn)中心。它的優(yōu)點(diǎn)是強(qiáng)度和剛度都好，能承受較大的機(jī)械負(fù)荷；但其缺點(diǎn)是工藝性較差，結(jié)構(gòu)笨重，加工較困難。（3）隧道式氣缸體這種形式的氣缸體曲軸的主軸承孔為整體式，采納滾動軸承，主軸承孔較大，曲軸從氣缸體后部裝入。其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊、剛度和強(qiáng)度好，但其缺點(diǎn)是加工精度要求高，工藝性較差，曲軸拆裝不便利。氣缸直接鏜在氣缸體上叫做整體式氣缸，整體式氣缸強(qiáng)度和剛度都好，能承受較大的載荷，這種氣缸對材料要求高，成本高。假如將氣缸制造成單獨(dú)的圓筒形零件（即氣缸套），然后再裝到氣缸體內(nèi)。這樣，氣缸套采納耐磨的優(yōu)質(zhì)材料制成，氣缸體可用價(jià)格較低的一般材料制造，從而降低了制造成本。同時，氣缸套可以從氣缸體中取出，因而便于修理和更換，并可大大延長氣缸體的使用壽命。氣缸套氣缸套有干式氣缸套和濕式氣缸套兩種。