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活塞式发动机 编辑词条词条保护

词条创建者 随风

活塞式发动机,又称往复式发动机,是一种利用一个或多个活塞将压力转化为旋转动能的发动机。活塞式发动机是一种依靠汽油和柴油等燃料提供动力的热机。活塞式发动机主要由气缸、活塞、连杆、曲轴、气门机构、螺旋桨减速器、齿轮箱等组成。

活塞式发动机

活塞式发动机简介

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最常用的往复式发动机利用汽油或柴油燃料产生压力。通常有一个以上的活塞,每个活塞都在气缸内,将燃油空气混合物注入其中,然后点火。热空气膨胀并向后推动活塞。活塞的直线运动通过连杆和曲轴转化为圆周运动。这种类型的发动机通常被称为内燃机,尽管内燃机不一定包括活塞。
目前的利用还不是很广泛,水蒸气是往复式发动机称为蒸汽机的另一种能源。在这种情况下,使用非常高的蒸汽压来驱动活塞。在大多数蒸汽能量利用中,活塞发动机已被更高效的涡轮所取代,并且由于对更高扭矩的需求,活塞在汽车工业中的应用越来越多。
传统的四冲程往复活塞式发动机旋转两次,每个气缸完成进气、压缩、点火、排气的过程。至于旋转式发动机,转子经历三个进气,压缩,点火和排气循环每转。旋转式发动机的转子与输出轴的齿轮比为3:1,因此旋转式发动机只需要转动一次,每个转子都要经历进气、压缩、点火、排气的过程,相当于一台往复式发动机运转两周。因此,小排量可以实现大功率输出的优势(但相对而言,在相同排量下,旋转式发动机的油耗也比往复式发动机高得多)。此外,由于旋转发动机的轴向运行特性,它不需要精确的曲轴平衡来实现非常高的运行速度。
多缸活塞式发动机采用不同的布置形状,直接影响发动机的外观。图2显示了几种圆柱体排列形式。第一种形式是线性的,气缸排成一排,活塞上下往复运动。这种发动机结构简单,一般用在汽车上。第二种v型和第五种星型是航空中常用的。液冷发动机为v形,气冷发动机为星形。此外,还有x形、h形等其他排列形状。

活塞式发动机工作原理

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活塞顶部在曲轴旋转中心的最远位置称为上止点,最近位置称为下止点,从上止点到下止点的距离称为活塞行程。大多数活塞式飞机发动机是四冲程发动机,其中一个气缸完成一个工作循环。活塞在气缸中经过四个冲程,即进气冲程、压缩冲程、膨胀冲程和排气冲程。
进气行程
当发动机开始工作时,首先进入“进气冲程”。气缸盖上的进气阀打开,排气阀关闭,活塞从上死点滑到下死点。气缸内的体积逐渐增大,空气压力下降——低于外部大气压力。因此,新鲜汽油和空气的混合物通过打开的进气阀被吸入气缸。混合气体中汽油与空气的比例一般为1:15,这意味着燃烧一公斤汽油需要15公斤空气。
压缩冲程
进气冲程完成后,第二个冲程,也称为压缩冲程,开始。在这一点上,曲轴继续旋转由于惯性,推动活塞从底部死点向上。此时,进气阀也像排气阀一样紧密关闭。气缸内含量逐渐减少,混合气体被活塞强烈压缩。当活塞到达上止点时,混合气体在上止点和缸盖之间的小空间内被压缩。这个小空间被称为“燃烧室”。此时,混合气体的压力增加到10个大气压。温度也上升到400摄氏度左右。压缩是为了更好地利用汽油燃烧过程中产生的热量,大大增加限制在燃烧室狭小空间内的混合气体的压力,以增加其燃烧后做功的能力。
当活塞处于下死点时,气缸内的体积最大,而在上死点时,体积最小(后者也是燃烧室的体积)。混合气体被压缩的程度可以用这两个体积的比值来衡量。这个比率被称为压缩比。活塞式航空发动机的压缩比约为5比8。压缩比越高,气体被压缩得越厉害,发动机产生的功率也就越大。

工作行程
压缩行程之后是“工作行程”,也是第三个行程。在压缩行程结束时,当活塞接近上死点时,气缸盖上的火花塞通过高压电产生电火花,点燃混合气体。燃烧时间很短,约0.015秒;但是速度非常快,可以达到每秒30米。随着压力的急剧增加,气体急剧膨胀,达到60到75个大气压。燃烧气体的温度范围从2000到2500摄氏度。燃烧时,局部温度可达三至四千度,气体对活塞的冲击力可达15吨。在强大的气体压力下,活塞迅速向死点运动,推动连杆向下运行。然后连杆带动曲轴转动。
这个冲程是唯一能使发动机运转并获得动力的冲程。其他三个泳姿都是为这个泳姿准备的。
排气冲程
第四冲程是排气冲程。工作行程结束后,由于惯性作用,曲轴继续转动,使活塞从下死点向上运动。此时进气阀仍处于关闭状态,排气阀大开,燃烧后的废气通过排气阀向外排放。当活塞到达上止点时,绝大部分废气已排出。然后排气阀关闭,进气阀打开,活塞从上死点向下运动,开始一个新的循环。
从新鲜混合气体的进气冲程到废气的排气冲程,汽油的热能转化为机械能,通过燃烧带动活塞运动,带动螺旋桨旋转做功。整个过程被称为“循环”。这是一个周期性的运动。由于它包含了热能到机械能的转换,所以也被称为“热循环”。
活塞式航空发动机除了上述气缸、活塞、连杆、曲轴等部件外,还需要其他一些必要的装置和部件来完成四冲程工作。

活塞式发动机结构

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概述
活塞式发动机主要由气缸、活塞、连杆、曲轴、气门机构、螺旋桨减速器、齿轮箱等组成。
汽缸是燃烧汽油和空气混合物的地方。气缸内有活塞作往复运动。气缸盖配备了一个电火花塞(通常称为喷嘴),点燃混合物,以及进气和排气阀。发动机工作时,气缸温度很高,因此气缸外壁上有许多散热片,以扩大散热面积。汽缸在发动机机壳(变速箱)上的排列通常呈星形或v形。普通的星型发动机有5、7、9、14、18或24个汽缸。当单缸容积相同时,气缸越多,发动机功率越大。活塞在气体压力作用下在气缸内进行往复运动,此运动通过连杆转化为曲轴的旋转运动。连杆用于连接活塞和曲轴。曲轴是发动机输出动力的一个部件。曲轴转动时,通过减速器带动螺旋桨转动,从而产生张力。此外,曲轴还带动一些附件(如各种油泵、发电机等)。气门机构用于控制进气门和排气门开启和关闭的时机。
机体是构成发动机的框架,是安装各种机构和系统的基础。它配备了发动机内外的所有主要部件和附件,并承受各种载荷。因此,车身必须有足够的强度和刚度。机体总成主要由缸体、气缸套、缸盖、气缸垫片等部件组成。

气缸体
水冷式发动机的缸体和上曲轴箱通常是铸造在一起的,称为缸体-曲轴箱,又称缸体。缸体一般由灰口铸铁制成。缸体上半部分的圆柱腔称为气缸,下半部分是支撑曲轴的曲轴箱。内腔是曲轴运动的空间。缸体内部铸有许多加强筋、冷却水套和润滑油通道。
气缸体应有足够的强度和刚度。根据缸体的不同位置和油底壳的安装平面,通常将缸体分为以下三种形式。
(1)典型缸体的特点是油底壳的安装平面与曲轴旋转中心处于同一高度。该型缸体的优点是体高小,重量轻,结构紧凑,易于加工,便于曲轴的拆装;但其缺点是刚度和强度较差。
(2)龙门缸体的特点是油底壳的安装平面低于曲轴的旋转中心。其优点是强度和刚度好,能承受较大的机械载荷;但缺点是工艺差,结构笨重,加工困难。
(3)曲轴主轴承孔以隧道气缸体的形式为一体,采用滚动轴承。主轴承孔较大,曲轴从气缸体后部安装。其优点是结构紧凑,刚度和强度好,但缺点是加工精度要求高,加工性差,拆装曲轴不方便。
将气缸直接镗孔到缸体上称为整体气缸,具有良好的强度和刚度,可以承受较大的载荷。这种气缸对材料要求高,成本高。如果将气缸制造成单独的圆柱形部件(即气缸套),然后安装到气缸体内。这样,气缸套由耐磨的优质材料制成,缸体可由价格较低的一般材料制成,从而降低制造成本。同时气缸套可从气缸体上拆下,便于维修和更换,大大延长了气缸体的使用寿命。

缸套
有两种类型的气缸套:干式和湿式。
干式缸套的特点是,缸套插入缸体后,其外壁不直接接触冷却水,而是直接接触缸体的壁面。壁厚比较薄,一般为1-3mm。它具有整体缸体的优点,具有较好的强度和刚度,但加工相对复杂,内外表面都需要精密加工,拆卸不方便,散热性差。
湿式缸套的特点是,缸套插入缸体后,其外壁直接与冷却水接触。缸套只在上下各有一个与缸体接触的圆环,壁厚一般为5-9mm。散热性好,冷却均匀,加工方便。通常,只有内表面需要进行精密加工,而与水接触的外表面不需要进行加工,使其易于拆卸和组装。但缺点是强度和刚度不如干式缸套,而且容易漏水。应采取一些防泄漏措施。

辅助系统

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除了主要部件外,发动机还需要几个辅助系统协同工作。主要有进气系统、燃油系统、点火系统、冷却系统、起动系统、正时系统、散热系统等。
(1)进气系统:进气系统常装有涡轮增压器,以增加进气压力,提高高空性能。
(2)燃料系统:燃料系统由燃油泵、气化炉或燃油喷射能力组成。燃油泵将汽油压入气化炉,汽化后与气缸内的空气混合。
(3)点火系统:点火系统由磁电机产生高压电,在规定时间内产生电火花,点燃气缸内的混合气体。
(4)冷却系统:发动机内燃料燃烧时产生的热量,不仅转化为动能和一部分被废气带走的内能,而且有很大一部分传递到缸壁和其他有关部件上。冷却系统的作用就是将这些热量散发出去,保证发电机的正常运行。
(5)启动系统:启动发动机需要外部动力。通常,电动测功机是用来驱动曲轴启动发动机的。
(6)正时系统:正时系统是曲轴带动凸轮轴推动连杆和摇臂,在固定时间开启和关闭进排气气门的系统。
(7)冷却系统:为保证气缸内表面在高温下正常工作,有必要对气缸和气缸盖进行适当的冷却。冷却方式有两种,一种是水冷却,另一种是风冷。水冷发动机缸体周围和缸盖内加工冷却水套,缸体与缸盖冷却水套连接。冷却水在水套内不断循环,带走一部分热量,对气缸和缸盖进行冷却。
现代汽车一般使用水冷式多缸发动机。对于多缸发动机来说,气缸的排列方式决定了发动机的外形尺寸和结构特性,同时也影响着发动机机体的刚度和强度,这关系到汽车的整体布局。根据气缸的排列,缸体也可分为单排、v形、对置三种。

1)直列式

发动机的各个气缸排成一排,通常是垂直排列的。单排缸体结构简单,易于加工,但发动机长度和高度都比较大。一般来说,六缸以下的发动机大多是单排的。例如,捷达汽车、富康汽车、红旗汽车的发动机都采用这种直列缸体。有些汽车将发动机倾斜一定角度以降低其高度。
2) v型
气缸按两排排列,且左右两排气缸中心线之间的夹角γ< 180°,称为v型发动机,与直列发动机相比,v型发动机缩短了机体的长度和高度,增加了缸体的刚度,减轻了发动机的重量,但增加了发动机的宽度,且形状复杂,加工难度大。一般用于8缸以上的发动机,6缸发动机也采用这种形式的缸体。
3)对置式

所述圆柱呈两排排列,左右圆柱在同一水平面上,即左右圆柱中心线夹角γ= 180°,称为对边。其特点是高度小,整体布置方便,有利于风冷。这种类型的气缸不太常用。

转子内燃引擎

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简要介绍
通常称为旋转发动机,也称为三角旋转活塞发动机,它是由德国工程师菲利克斯·万克尔于1959年发明的一种四冲程内燃机,因此也称为万克尔发动机。与传统的往复式活塞发动机不同,旋转发动机的操作部件(称为转子,其横截面形状类似于三角形)像输出轴一样轴向运行,不需要杠杆和凸轮结构来重新定向输出力,从而减少了运行期间的能耗。
优点和缺点
旋转发动机的动力轴每转一圈就工作一次,而典型的四冲程发动机每转两圈才工作一次。它的优点是马力体积比高(较小的发动机体积可以输出更多的功率)。此外,由于旋转发动机的轴向运行特性,它不需要精确的曲轴平衡来实现更高的运行速度。整个发动机只有两个旋转部件,与典型的四冲程发动机的进排气门等20多个运动部件相比,大大简化了结构,大大降低了故障发生的可能性。除了以上优点外,旋转发动机的优点还包括体积小、重量轻、重心低。
相反,由于旋转发动机的三个燃烧室不完全隔离,在发动机使用一段时间后,容易因油封材料磨损而产生漏气问题,大大增加了油耗和污染。其独特的机械结构也使这种发动机难以维护。
虽然旋转发动机具有排量小出力大、转速利用率高的特点,但由于与往复式发动机的工作特性不同,世界各国在制定与发动机排量相关的税收法规时,都是以旋转发动机的实际排量乘以2作为与往复式发动机比较的基准。例如,配备旋转发动机的马自达RX-8跑车的实际排量只有1308立方厘米,但在日本,它是根据2616立方厘米的税收水平计算的。

其他资料

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活塞式发动机只能为飞机提供轴动力,还需要通过空气螺旋桨将发动机的轴动力转化为推进力,共同构成航空动力单元。然而,在高飞行速度下,螺旋桨的推进效率急剧下降,因此活塞发动机不能作为高速飞机特别是超音速飞机的动力。因此,燃气涡轮发动机在今天的飞机上得到了广泛的应用。

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