活塞發動機

活塞式燃油發動機通常是指燃油在汽缸里燃燒膨脹，推動活塞下行帶動曲軸旋轉，以此形式輸出動力的發動機，它利用一個或者多個活塞將壓力轉換成旋轉動能。它是一種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。採用傳統四行程往復式活塞引擎，引擎轉兩周，各汽缸才完成一次進氣、壓縮、點火與排氣過程。活塞發動機通常都不止一個活塞，每個活塞都在氣缸內，燃料－空氣混合物被注入其內，然後被點燃。熱氣膨脹，推動活塞向後運動。活塞的這種直線運動通過連桿和曲軸轉換成圓周運動。

基本介紹

• 中文名：活塞發動機
• 外文名：piston engine
• 別稱：傳統四行程往復式活塞引擎
• 工作周期：引擎轉兩周，各汽缸運行一次
• 工作原理：利用汽油或者柴油燃料產生壓力

主要組成

活塞式發動機主要由曲軸、連桿、活塞、汽缸、分氣機構和機匣等部件組成。發動機前部有減速器，以降低輸出軸的轉速。大多數發動機在機匣後部裝有增壓器以提高發動機高空性能。氣缸是混合氣進行燃燒的地方。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，以及進、排氣門。發動機工作時氣缸溫度很高，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。連桿用來連線活塞和曲軸。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屬檔案。氣門機構用來控制進氣門、排氣門定時打開和關閉。

活塞發動機的組成

工作原理

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。

活塞發動機工作原理

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。溫度也增加到攝氏400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裡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，推動連桿葉門下跑，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。由於其中包含著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、聯桿、曲軸等構件外，還需要一些其他必要的裝置和構件。

布置方式

為滿足功率要求，航空發動機一般都是由多氣缸組合構成，多個缸體同時工作帶動曲軸和螺旋槳轉動以產生足夠動力。缸體的數量和布置形式多種多樣，但不管是哪種布置形式都必須保證活塞運動與曲軸運動的協調，不能在運動中互相牽制。

活塞發動機布置方式

結構特點

轉子跟轉子引擎輸出軸的齒輪比例為三比一，故此轉子引擎只需轉一周，各轉子便有一次進氣、壓縮、點火與排氣過程，相當於往復式引擎運轉兩周，因此具有小排氣量就能成就高動力輸出的優點（但相對的，同樣排氣量之下轉子引擎也較往復引擎的油耗高出許多）。另外，由於轉子引擎的軸向運轉特性，它不需要精密的曲軸平衡就可以達到非常高的運轉轉速。

優缺點

轉子引擎的轉子每旋轉一圈就作功一次，與一般的四衝程發動機每旋轉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）的優點。另外，由於轉子引擎的軸向運轉特性，它不需要精密的曲軸平衡就能達到較高的運轉轉速。整個發動機只有兩個轉動部件，與一般的四衝程發動機具有進、排氣活門等二十多個活動部件相比結構大大簡化，故障的可能性也大大減小。除了以上的優點外，轉子引擎的優點亦包括體積較小、重量輕、低重心等。 　相對地，由於轉子引擎的三個燃燒室並非完全隔離，因此在引擎使用一段時間之後容易因為油封材料磨損而造成漏氣問題，大幅增加油耗與污染。其獨特的機械結構也造成這類引擎較難維修。 　雖然轉子引擎具有以小排氣量、利用高轉速而產生高輸出的特性，但由於運轉特性與往復式引擎的不同，世界各國在制訂與引擎排氣量相關的稅則時，皆是以轉子引擎的實際排氣量乘以二來作為與往復式引擎之間的比較基準。舉例來說，日本馬自達（Mazda）旗下搭載了轉子引擎的RX-8跑車，其實際排氣量雖然只有1308立方厘米，但在日本國內卻是以2616立方厘米的排氣量來作為稅級計算的基準。
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。