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活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)
活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)
活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)(活塞式發(fā)動(dòng)機(jī))
活塞發(fā)動(dòng)機(jī)也叫往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)，是一種利用一個(gè)或者多個(gè)活塞將壓力轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)動(dòng)能的發(fā)動(dòng)機(jī)�；钊l(fā)動(dòng)機(jī)是熱機(jī)的一種，靠汽油、柴油等燃料提供動(dòng)力。
目錄 簡(jiǎn)介 發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu) 工作原理 輔助系統(tǒng) 收縮展開(kāi) 簡(jiǎn)介最常用的往復(fù)式發(fā)動(dòng)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(gè)活塞，每個(gè)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(dòng)活塞向后運(yùn)動(dòng)�；钊倪@種直線運(yùn)動(dòng)通過(guò)連桿和曲軸轉(zhuǎn)換成圓周運(yùn)動(dòng)。這種發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)常被通稱(chēng)為內(nèi)燃機(jī)，盡管內(nèi)燃機(jī)并不必須包括活塞。 現(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(dòng)機(jī)的往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)的能源。這種情況下是利用非常高的蒸氣壓力來(lái)驅(qū)動(dòng)活塞。蒸氣能的大部分利用中，活塞發(fā)動(dòng)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(chē)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(guò)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(guò)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(dòng)力輸出的優(yōu)點(diǎn)（但相對(duì)的，同樣排氣量之下轉(zhuǎn)子引擎也較往復(fù)引擎的油耗高出許多）。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)到非常高的運(yùn)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速。
發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)述
活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)主要由氣缸、活塞、連桿、曲軸、氣門(mén)機(jī)構(gòu)、螺旋槳減速器、機(jī)匣等組成。 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(dòng)。氣缸頭上裝有點(diǎn)燃混合氣的電火花塞（俗稱(chēng)電嘴），以及進(jìn)、排氣門(mén)。發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)氣缸溫度很高，所以氣缸外壁上有許多散熱片，用以擴(kuò)大散熱面積。氣缸在發(fā)動(dòng)機(jī)殼體（機(jī)匣）上的排列形式多為星形或V形。常見(jiàn)的星形發(fā)動(dòng)機(jī)有5個(gè)、7個(gè)、9個(gè)、14個(gè)、18個(gè)或24個(gè)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(dòng)機(jī)功率越大�；钊惺苋�?xì)鈮毫υ跉飧變?nèi)作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，并通過(guò)連桿將這種運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變成曲軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。連桿用來(lái)連接活塞和曲軸。 曲軸是發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率的部件。曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，通過(guò)減速器帶動(dòng)螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)而產(chǎn)生拉力。除此而外，曲軸還要帶動(dòng)一些附件（如各種油泵、發(fā)電機(jī)等）。氣門(mén)機(jī)構(gòu)用來(lái)控制進(jìn)氣門(mén)、排氣門(mén)定時(shí)打開(kāi)和關(guān)閉。 機(jī)體是構(gòu)成發(fā)動(dòng)機(jī)的骨架，是發(fā)動(dòng)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(dòng)機(jī)的所有主要零件和附件，承受各種載荷。因此，機(jī)體必須要有足夠的強(qiáng)度和剛度。機(jī)體組主要由氣缸體、汽缸套、氣缸蓋和氣缸墊等零件組成。
氣缸體
水冷發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸體和上曲軸箱常鑄成一體，稱(chēng)為氣缸體——曲軸箱，也可稱(chēng)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(chēng)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(dòng)的空間。在氣缸體內(nèi)部鑄有許多加強(qiáng)筋，冷卻水套和潤(rùn)滑油道等。 氣缸體應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和剛度，根據(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，曲軸拆裝方便；但其缺點(diǎn)是剛度和強(qiáng)度較差。 (2) 龍門(mén)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，采用滾動(dòng)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，曲軸拆裝不方便。 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(duì)材料要求高，成本高。如果將氣缸制造成單獨(dú)的圓筒形零件(即氣缸套)，然后再裝到氣缸體內(nèi)。這樣，氣缸套采用耐磨的優(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(shí)，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(zhǎng)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。 干式氣缸套的特點(diǎn)是氣缸套裝入氣缸體后，其外壁不直接與冷卻水接觸，而和氣缸體的壁面直接接觸，壁厚較薄，一般為1～3mm。它具有整體式氣缸體的優(yōu)點(diǎn)，強(qiáng)度和剛度都較好，但加工比較復(fù)雜，內(nèi)、外表面都需要進(jìn)行精加工，拆裝不方便，散熱不良。 濕式氣缸套的特點(diǎn)是氣缸套裝入氣缸體后，其外壁直接與冷卻水接觸，氣缸套僅在上、下各有一圓環(huán)地帶和氣缸體接觸，壁厚一般為5～9mm。它散熱良好，冷卻均勻，加工容易，通常只需要精加工內(nèi)表面，而與水接觸的外表面不需要加工，拆裝方便，但缺點(diǎn)是強(qiáng)度、剛度都不如干式氣缸套好，而且容易產(chǎn)生漏水現(xiàn)象。應(yīng)該采取一些防漏措施。
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)、最近的位置叫下死點(diǎn)、從上死點(diǎn)到下死點(diǎn)的距離叫活塞沖程。活塞式航空發(fā)動(dòng)機(jī)大多是四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)，即一個(gè)氣缸完成一個(gè)工作循環(huán)，活塞在氣缸內(nèi)要經(jīng)過(guò)四個(gè)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(dòng)機(jī)開(kāi)始工作時(shí)，首先進(jìn)入“進(jìn)氣沖程”，氣缸頭上的進(jìn)氣門(mén)打開(kāi)，排氣門(mén)關(guān)閉，活塞從上死點(diǎn)向下滑動(dòng)到下死點(diǎn)為止，氣缸內(nèi)的容積逐漸增大，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(guò)打開(kāi)的進(jìn)氣門(mén)被吸入氣缸內(nèi)。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。
壓縮沖程
進(jìn)氣沖程完畢后，開(kāi)始了第二沖程，即“壓縮沖程”。這時(shí)曲軸靠慣性作用繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，把活塞由下死點(diǎn)向上推動(dòng)。這時(shí)進(jìn)氣門(mén)也同排氣門(mén)一樣嚴(yán)密關(guān)閉。氣缸內(nèi)容積逐漸減少，混合氣體受到活塞的強(qiáng)烈壓縮。當(dāng)活塞運(yùn)動(dòng)到上死點(diǎn)時(shí)，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(gè)小空間叫作“燃燒室”。這時(shí)混合氣體的壓強(qiáng)加到十個(gè)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(shí)產(chǎn)生的熱量，使限制在燃燒室這個(gè)小小空間里的混合氣體的壓強(qiáng)大大提高，以便增加它燃燒后的做功能力。 當(dāng)活塞處于下死點(diǎn)時(shí)，氣缸內(nèi)的容積最大，在上死點(diǎn)時(shí)容積最�。ê笳咭彩侨紵业娜莘e）�；旌蠚怏w被壓縮的程度，可以用這兩個(gè)容積的`比值來(lái)衡量。這個(gè)比值叫“壓縮比”。活塞航空發(fā)動(dòng)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(dòng)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(gè)沖程。在壓縮沖程快結(jié)束，活塞接近上死點(diǎn)時(shí)，氣缸頭上的火花塞通過(guò)高壓電產(chǎn)生了電火花，將混合氣體點(diǎn)燃，燃燒時(shí)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(gè)大氣壓，燃燒氣體的溫度到攝氏2000到2500度。燃燒時(shí)，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)迅速運(yùn)動(dòng)，推動(dòng)連桿也門(mén)下跑，連桿便帶動(dòng)曲軸轉(zhuǎn)起來(lái)了。 這個(gè)沖程是使發(fā)動(dòng)機(jī)能夠工作而獲得動(dòng)力的唯一沖程。其余三個(gè)沖程都是為這個(gè)沖程作準(zhǔn)備的。
排氣沖程
第四個(gè)沖程是“排氣沖程”。工作沖程結(jié)束后，由于慣性，曲軸繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，使活塞由下死點(diǎn)向上運(yùn)動(dòng)。這時(shí)進(jìn)氣門(mén)仍舊關(guān)閉，而排氣門(mén)大開(kāi)，燃燒后的廢氣便通過(guò)排氣門(mén)向外排出。 當(dāng)活塞到達(dá)上死點(diǎn)時(shí)，絕大部分的廢氣已被排出。然后排氣門(mén)關(guān)閉，進(jìn)氣門(mén)打開(kāi)，活塞又由上死點(diǎn)下行，開(kāi)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(guò)燃燒轉(zhuǎn)化為推動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng)的機(jī)械能，帶動(dòng)螺旋槳旋轉(zhuǎn)而作功，這一總的過(guò)程叫做一個(gè)“循環(huán)”。這是一 種周而復(fù)始的運(yùn)動(dòng)。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)”。 活塞航空發(fā)動(dòng)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。
輔助系統(tǒng)簡(jiǎn)介
發(fā)動(dòng)機(jī)除主要部件外，還須有若干輔助系統(tǒng)與之配合才能工作。主要有進(jìn)氣系統(tǒng)（為了改善高空性能，在進(jìn)氣系統(tǒng)內(nèi)常裝有增壓器，其功用是增大進(jìn)氣壓力）、燃油系統(tǒng)、點(diǎn)火系統(tǒng)（主要包括高電壓磁電機(jī)、輸電線、火花塞）、起動(dòng)系統(tǒng)（一般為電動(dòng)起動(dòng)機(jī)）、散熱系統(tǒng)和潤(rùn)滑系統(tǒng)等。
散熱系統(tǒng)
為了能夠使氣缸內(nèi)表面在高溫下正常工作，必須對(duì)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(dòng)機(jī)的氣缸周?chē)蜌飧咨w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(duì)氣缸和氣缸蓋起冷卻作用。 現(xiàn)代汽車(chē)上基本都采用水冷多缸發(fā)動(dòng)機(jī)，對(duì)于多缸發(fā)動(dòng)機(jī)，氣缸的排列形式?jīng)Q定了發(fā)動(dòng)機(jī)外型尺寸和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體的剛度和強(qiáng)度也有影響，并關(guān)系到汽車(chē)的總體布置。按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(duì)置式三種。 (1) 直列式 發(fā)動(dòng)機(jī)的各個(gè)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(jiǎn)單，加工容易，但發(fā)動(dòng)機(jī)長(zhǎng)度和高度較大。一般六缸以下發(fā)動(dòng)機(jī)多采用單列式。例如捷達(dá)轎車(chē)、富康轎車(chē)、紅旗轎車(chē)所使用的發(fā)動(dòng)機(jī)均采用這種直列式氣缸體。有的汽車(chē)為了降低發(fā)動(dòng)機(jī)的高度，把發(fā)動(dòng)機(jī)傾斜一個(gè)角度。 (2) V型 氣缸排成兩列，左右兩列氣缸中心線的夾角γ<180°，稱(chēng)為V型發(fā)動(dòng)機(jī)，V型發(fā)動(dòng)機(jī)與直列發(fā)動(dòng)機(jī)相比，縮短了機(jī)體長(zhǎng)度和高度，增加了氣缸體的剛度，減輕了發(fā)動(dòng)機(jī)的重量，但加大了發(fā)動(dòng)機(jī)的寬度，且形狀較復(fù)雜，加工困難，一般用于8缸以上的發(fā)動(dòng)機(jī)，6缸發(fā)動(dòng)機(jī)也有采用這種形式的氣缸體。 (3) 對(duì)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(chēng)為對(duì)置式。它的特點(diǎn)是高度小，總體布置方便，有利于風(fēng)冷。這種氣缸應(yīng)用較少。
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