航空活塞式發動機(Piston Engine)是利用航空汽油與空氣混合,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(Propeller),由螺旋槳産生推(拉)力。故作爲航空器的動力裝置時,發動機與螺旋槳是不能將其分開的。

壹、活塞式發動機的主要構成組件
活塞式發動機的構成,是由氣缸、活塞、連桿、曲軸、氣閥門機構、螺旋槳減速齒輪箱、機匣等組成。

氣缸是混合氣體(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體的火星塞,以及進、排氣閥門。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(機匣)上的排列形式多爲星形或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。活塞承受氣體燃燒壓力在氣缸內作往復運動,並透過連桿將此上下運動轉變成為曲軸的旋轉運動。連桿用來連接活塞和曲軸。曲軸是發動機輸出功率的組件。當曲軸轉動時,透過減速齒輪箱帶動螺旋槳轉動而産生拉力。除此之外曲軸還要帶動一些發動機附件(如各種油泵、發電機等)。氣閥門機構是用來控制進氣閥門、排氣閥門定時打開和關閉。

貳、活塞式發動機的工作原理
活塞頂部在曲軸旋轉中心最遠的位置稱上死點、最近的位置稱下死點、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、燃燒衝程和排氣衝程。

當發動機開始工作時,首先進入“進氣衝程”,氣缸頭上的進氣閥門打開,排氣閥門關閉,活塞從上死點向下滑動到下死點爲止,氣缸內的容積逐漸增大,氣壓於是一一降低至低於外面的大氣壓為止。於是航空汽油和與空氣的新鮮混合氣體,透過打開的進氣閥門被吸入氣缸之內。混合氣體中航空汽油和空氣的比例,一般正常的比例是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,隨即進入第二衝程,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。這時進氣閥門也與排氣閥門同意關閉。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”。這時混合氣體的氣壓值被強制增加達到十個大氣壓,溫度也提高到攝氏400度左右。壓縮是爲了更好地利用航空汽油燃燒時産生的熱量,使限制在燃燒室這個小空間內的混合氣體的壓力大幅提升,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”。活塞式航空發動機的壓縮比大約是5到8,壓縮比越大,氣體就被壓縮得越厲害,發動機所産生的功率也就越大。

壓縮衝程之後是“燃燒衝程”,也是第三個衝程。在壓縮衝程快結束,活塞接近上死點時,氣缸頭上的火星塞透過高壓電産生了放電火花,將混合氣體點燃,氣體的燃燒時間很短,大約0.015秒;但是膨脹速度很快,約可達到每秒30公尺。氣體猛烈膨脹,壓力急劇增高,可達6O到75個大氣壓,燃燒氣體的溫度到攝氏2000到2500度。在燃燒時,局部溫度可能達到攝氏3000到4000度,燃燒的氣體加到活塞上的衝擊力可達15噸。活塞在燃燒氣體的強大壓力作用下,向下死點迅速運動,推動連桿往下移動,於是連桿便帶動曲軸開始運轉。此衝程是使發動機能夠工作而獲得動力的唯一衝程,其餘三個衝程皆是爲這個衝程作準備的。

第四個衝程是“排氣衝程”。工作衝程結束後,由於慣性使得曲軸繼續旋轉,使活塞由下死點向上運動。這時進氣閥門仍舊關閉,而排氣閥門打開,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,所於於氣缸內的廢氣已被排出。然後排氣閥門關閉,進氣閥門打開,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為止,航空汽油的熱能通過燃燒轉化爲推動活塞運動的機械能,帶動螺旋槳旋轉而作功,此全部的過程稱為一個“循環”,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變,故又稱為“熱循環”。

活塞式航空發動機要完成四衝程工作,除了上述氣缸、活塞、連桿、曲軸等組件外,還需要一些其它必要的裝置及組件。
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