航空活塞式發(fā)動機的組成及工作原理 補充 2 1 航空活塞式發(fā)動機的類型 一 航空活塞式發(fā)動機的分類按油氣混合物的配制方式區(qū)分 化油器式發(fā)動機噴油式發(fā)動機按發(fā)動機的冷卻方式區(qū)分 氣冷式發(fā)動機液冷式發(fā)動機按氣體進入氣缸前是否增壓區(qū)分 吸氣式發(fā)動機增壓式發(fā)動機按發(fā)動機曲軸與螺旋槳間有無減速器區(qū)分 直接驅(qū)動式發(fā)動機非直接驅(qū)動式發(fā)動機 3 按氣缸排列的形式區(qū)分 直列式發(fā)動機直立式發(fā)動機正立式發(fā)動機倒立式發(fā)動機說明 使用正立式發(fā)動機 由于處理螺旋槳和地面的間隙為飛機設(shè)計帶來困難 目前多使用氣缸頭朝下 曲軸在上的倒立式發(fā)動機 這兩種發(fā)動機多用小型飛機 1 航空活塞式發(fā)動機的類型 4 第一節(jié)航空活塞式發(fā)動機的類型 水平對置式發(fā)動機 多用于小型飛機 如圖所示 常常使用四個氣缸或六個氣缸 分兩列水平方向安裝在發(fā)動機匣的兩側(cè) V型發(fā)動機 將八個或十二個氣缸分兩列安裝在機匣上 從發(fā)動機正面看去 其排列形式如同英文字母V相似 曾廣泛用于殲擊機和強擊機 還曾出現(xiàn)過H型 W型 X型等活塞式發(fā)動機 5 1 航空活塞式發(fā)動機的類型 星形發(fā)動機 有多種飛機曾經(jīng)使用或正在使用 結(jié)構(gòu)特征 從正面看 所有氣缸均以曲軸為中心 沿圓周呈輻射狀均布于機匣上 就像閃爍的星星 故稱星形發(fā)動機 此類發(fā)動機有單層 雙層和多層等不同形式 單層分為五缸 七缸和九缸三種 雙層星形發(fā)動機有十四缸和十八缸兩種 每層各為七缸和九缸 前后兩層氣缸交錯安裝 利于氣缸冷卻 多層星形發(fā)動機曾出現(xiàn)過四層二十八缸和四層三十六缸兩種 但結(jié)構(gòu)復雜 很少使用 具體發(fā)動機的全稱 例 運五飛機上的活塞五型航空活塞式發(fā)動機 其全稱 7 2 航空活塞式發(fā)動機的組成 基本組件 活塞 曲軸 連桿 氣缸 進排氣門和火花塞等 活塞 活塞在氣缸中往復運動 其頂面和氣缸頭的內(nèi)表面之間的空間是燃燒室 活塞上裝有數(shù)個彈性很強的活塞環(huán) 又稱漲圈 其作用是是防止燃燒室內(nèi)的高溫高壓燃氣向外泄漏 并防止滑油從外部進入燃燒室 8 2 航空活塞式發(fā)動機的組成 曲軸和連桿 如圖 活塞和曲軸由連桿相連 從而將活塞的直線運動轉(zhuǎn)變?yōu)榍S的旋轉(zhuǎn)運動 并將從每個氣缸獲得的功傳輸?shù)铰菪龢?氣缸 內(nèi)壁是燃燒室的組成部分 發(fā)動機工作過程中 汽油和空氣的混合物在燃燒室中被壓縮 點火燃燒變?yōu)楦邷?高壓燃氣 通過燃氣膨脹使熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能 進 排氣門 新鮮油氣混合物通過進氣門進入氣缸 膨脹做功后的燃氣 或稱乏氣 廢氣 通過排起門由氣缸排出后經(jīng)過排氣系統(tǒng)排往大氣 進排氣門的開閉由氣門機構(gòu)控制 火花塞 火花塞的功能是適時高壓放電 點燃氣缸中的新鮮油氣混合物 人們習慣稱其為電嘴 活塞式發(fā)動機典型構(gòu)成 E 排氣凸輪軸 I 進氣凸輪軸 S 火花塞 V 氣門 P 活塞 R 連桿 C 曲軸 W 水冷的水套 10 2 航空活塞式發(fā)動機的組成 工作系統(tǒng)燃油系統(tǒng)燃油系統(tǒng)的功能是儲油和供油 供油過程中 將燃油霧化并與空氣均勻摻混后 供入氣缸 根據(jù)油氣混合物配置方法不同 有化油器式和噴油式兩種燃油系統(tǒng) 點火系統(tǒng)由磁電機 分電器和火花塞三部分組成 磁電機是產(chǎn)生高壓電的自備電源 通過分電器將高壓電依次接通各個氣缸的火花塞 使火花塞產(chǎn)生電火花 將氣缸中的新鮮混合氣點燃 起動系統(tǒng)當發(fā)動機開車時 首先使用起動系統(tǒng)將曲軸轉(zhuǎn)動 使發(fā)動機由靜止狀態(tài)過渡到正常運轉(zhuǎn)狀態(tài) 完成起動過程 起動系統(tǒng)有氣體壓力和電動力兩種 輕型發(fā)動機多使用電力起動方式 即使用電動機帶動慣性系統(tǒng)旋轉(zhuǎn) 利用慣性系統(tǒng)儲存的能量帶動曲軸加速轉(zhuǎn)動 同時點火 使發(fā)動機自主運轉(zhuǎn)起來 11 2 航空活塞式發(fā)動機的組成 4 潤滑系統(tǒng)潤滑系統(tǒng)的功用是減輕發(fā)動機上各個相對運動機件之間的摩擦 加強發(fā)動機內(nèi)部冷卻等等 在該系統(tǒng)中 滑油泵不斷地將滑油從滑油儲存器中吸出 使滑油在發(fā)動機內(nèi)部循環(huán)后重新返回儲存器中 5 冷卻系統(tǒng)有氣冷式和液冷式兩種 輕型發(fā)動機 如直立式和水平對置式發(fā)動機 和星形發(fā)動機多用氣冷式 V型發(fā)動機使用液冷式 冷卻系統(tǒng)主要是為加強發(fā)動機的外部冷卻 外部冷卻和潤滑系統(tǒng)的內(nèi)部冷卻使發(fā)動機能夠在允許的溫度條件下正常運轉(zhuǎn) 12 3 航空活塞式發(fā)動機的基本工作原理 基本術(shù)語 上死點下死點活塞行程燃燒室燃燒室容積全體積余隙體積工作體積 發(fā)動機的工作循環(huán) 13 3 航空活塞式發(fā)動機的基本工作原理 壓縮 膨脹 四沖程循環(huán)運作過程 1 進氣行程2 壓縮行程3 膨脹行程4 排氣行程 15 3 航空活塞式發(fā)動機的基本工作原理 進氣沖程和充填系數(shù)理論充填量和實際充填量理想情況下 一次進氣過程進入一個氣缸的空氣質(zhì)量 稱為理論充氣量 所謂理想情況是指空氣在氣缸中所占的容積為氣缸工作容積 對于吸氣式發(fā)動機 氣缸中氣體的壓力和溫度分別等于外界大氣的壓力和溫度 對于增壓式發(fā)動機 氣缸中氣體的溫度和壓力分別等于增壓器后氣體的溫度和壓力 理論充氣量并不是進入氣缸的實際空氣量 但它可作為評價進氣好壞的基準 實際充填量是指在一次進氣過程中進入一個氣缸的實際空氣質(zhì)量 簡稱其為充填量 由于進氣過程中氣體的流動損失 熾熱發(fā)動機對氣體加熱 氣缸中存有殘余廢氣以及氣門疊開等因素的影響 充填量會有較大的變化范圍 16 3 航空活塞式發(fā)動機的基本工作原理 充填系數(shù)實際充填量與理論充填量之比稱為充填系數(shù) 吸氣式發(fā)動機的充填系數(shù)小于增壓式發(fā)動機的充填系數(shù) 主要原因是增壓式發(fā)動機在氣門疊開時掃除氣缸內(nèi)殘存廢氣的效果顯著所致 現(xiàn)代活塞式發(fā)動機的充填系數(shù)為0 7 1 2 壓縮沖程和壓縮比壓縮比 全容積 余隙容積壓縮比是活塞式發(fā)動機的重要設(shè)計參數(shù) 它不僅表示氣缸內(nèi)氣體壓縮的程度 同時與發(fā)動機的性能有密切關(guān)系 壓縮比增大時 發(fā)動機的功率增加 經(jīng)濟性也提高 壓縮比的增大是有限度的 當壓縮比超過一定限度時 會引發(fā)不正常燃燒 包括爆燃和早燃 活塞式發(fā)動機的壓縮比大約為6 l0 17 3 航空活塞式發(fā)動機的基本工作原理 膨脹沖程當壓縮沖程既將結(jié)束 活塞即將移至上死點的時候 火花塞打火點燃油氣混合物 并在極短時間內(nèi)通過燃燒變?yōu)槿細?同時將燃料中的化學能轉(zhuǎn)換為熱能 使燃氣的壓力和溫度急劇升高 作用在活塞內(nèi)表面上的巨大壓力推動活塞由上死點迅猛地向下死點移動 當活塞抵達下死點時 完成膨脹沖程 通過膨脹沖程 使發(fā)動機對外做功 所以 膨脹沖程又稱為做功沖程 排氣沖程在排氣過程中 排氣門打開 活塞由下死點向上死點移動 推擠氣缸中的廢氣通過排氣門排出氣缸 當活塞移到上死點時 絕大部分廢氣被排出氣缸 排氣門關(guān)閉 排氣沖程結(jié)束 18 航空活塞式發(fā)動機的基本工作原理 四沖程活塞式發(fā)動機的主要工作特征 四沖程構(gòu)成一個循環(huán) 周而復始使得發(fā)動機連續(xù)不斷地輸出功 在每一個工作循環(huán)中火花塞只點一次火 曲軸旋轉(zhuǎn)兩周 在四個沖程中 只有膨脹沖程做功 其他沖程不做功 而且消耗一定的功 例如在壓縮沖程中要消耗壓縮功 進氣和排氣沖程中要克服氣體流動阻力耗功 克服各種摩擦耗功 各種附件所需消耗的功等等 膨脹沖程所作的功在扣除所有上述內(nèi)部消耗的功以后 由曲軸輸出的功才是活塞式發(fā)動機對外輸出的有用功 20 第四節(jié)氣門定時 氣門機構(gòu)氣門機構(gòu)的功用是按設(shè)計要求適時地將進氣門和排氣門打開和關(guān)閉 各部件作用 21 第四節(jié)氣門定時 氣門定時氣門早開氣門晚關(guān)氣門同開 氣門疊開 提前點火角 有效曲軸轉(zhuǎn)角功率的傳遞主要發(fā)生在一個不很大的曲軸轉(zhuǎn)角之內(nèi) 這個角度稱為有效曲軸轉(zhuǎn)角 有效曲軸角與點火時間有關(guān) 提前點火角25 可完全燃燒 超過上死點30 燃氣壓力達最高 30 120為有效曲軸轉(zhuǎn)角 過120 排氣門打開 功率傳遞大大降低 做功沖程中的有效曲軸角 23 第五節(jié)氣缸中的燃燒 氣缸中的燃燒指的是新鮮油氣混合物在氣缸中的燃燒放熱現(xiàn)象 其燃燒過程由火花塞點火開始 至油氣混合物燒完為止 由于燃燒速度極快 容易使人認為在點火后的一瞬間就完成燃燒過程 實際上 從點火一剎那開始 火焰向未燃混合氣體的傳播速度不可能接近無窮大 燃燒過程需要一定的時間 為使油氣混合物盡可能在恰當時機完全燃燒 以提高發(fā)動機的功率和經(jīng)濟性 活塞在壓縮沖程尚未抵達上死點時即令火花塞點火 使油氣混合物能在上死點附近一個不大的曲軸角內(nèi)基本燃燒完畢 24 第五節(jié)氣缸中的燃燒 余氣系數(shù)理論空氣量 對航空汽油 L理為14 9kg 2C8H18 25O2 16CO2 18H2Oa L實 L理貧 富油油氣比故當a 1時 r 0 067 此為恰當油氣比 正常燃燒和非正常燃燒 25 第五節(jié)氣缸中的燃燒 圖 一個工作循環(huán)氣缸內(nèi)氣體壓力隨曲軸角的變化 26 第五節(jié)氣缸中的燃燒 過貧油和過富油時的燃燒油氣混合物過貧時 1 功率減小 經(jīng)濟性差最大壓力值減小 做功量減少2 排氣管出現(xiàn)火舌火焰?zhèn)鞑ヂ?排氣沖程末還在燃燒3 化油器回火定義 啟動時易發(fā)生 防止措施 靠近進氣門位置安裝金屬蜂窩網(wǎng) 4 氣缸頭溫度降低貧油時發(fā)熱量少 使燃氣溫度和氣缸溫度降低 對燃油氣化和燃不利5 發(fā)動機振動油氣混合不均勻 各工作循環(huán)氣缸內(nèi)壓力相差較大 運轉(zhuǎn)不平穩(wěn) 27 第五節(jié)氣缸中的燃燒 油氣混合物過富油時1 功率減小 經(jīng)濟性差燃油不完全燃燒 發(fā)熱量少 最大壓力值減小2 氣缸內(nèi)積炭定義 機件表面 火花塞 氣門3 排氣管冒煙與 放炮 廢氣中含大量未燃和正燃碳分 故有黑煙和火舌 剩余可燃物復燃駕駛員猛拉油門桿關(guān)小節(jié)氣門 會發(fā)生放炮現(xiàn)象 4 氣缸頭溫度降低發(fā)熱量少 燃油氣化吸熱5 發(fā)動機振動油氣混合不均勻 各工作循環(huán)氣缸內(nèi)壓力相差較大 運轉(zhuǎn)不平穩(wěn) 28 第五節(jié)氣缸中的燃燒 爆燃 氣缸中油氣混合物的正常燃燒遭到破壞 并在未燃混合氣局部自發(fā)出現(xiàn)爆炸性的燃燒 種現(xiàn)象叫做爆震燃燒 簡稱爆震或爆燃 29 第五節(jié)氣缸中的燃燒 發(fā)生爆燃時發(fā)動機的表現(xiàn)發(fā)動機發(fā)生無規(guī)則的金屬敲擊聲 氣缸內(nèi)溫度急劇升高 活塞 氣門及火花塞等機件過熱甚至燒壞 燃燒不完全 排氣管周期性地冒黑煙 由于爆燃產(chǎn)生的局部高壓突然作用在活塞上 使連桿 曲軸系統(tǒng)遭受強烈沖擊 易于造成損壞 發(fā)動機功率大大減小 經(jīng)濟性大大下降 30 第五節(jié)氣缸中的燃燒 影響爆燃的因素1 燃料的影響 辛烷數(shù) 亦稱奧克坦數(shù) 和級數(shù) 對應貧油和富油工作狀態(tài)下燃料的抗爆性 辛烷數(shù)指異辛烷和正庚烷所組成的混合物中異辛烷所占的體積分數(shù) 級數(shù)指在不發(fā)生爆燃的情況下 發(fā)動機使用該種汽油工作所能達到的最大平均指示壓力與使用純異辛烷工作所能達到的最大平均指示壓力的百分比 例 RH 95 1302 發(fā)動機結(jié)構(gòu)的影響 壓縮比 氣缸尺寸 燃燒室形狀 火花塞的數(shù)目和安放位置與氣缸頭和活塞的材料等 3 發(fā)動機工作狀況的影響 進氣壓力 進氣溫度 氣缸頭溫度 發(fā)動機轉(zhuǎn)速和提前點火角等 31 第五節(jié)氣缸中的燃燒 防止爆燃的方法嚴格按照規(guī)定使用燃料 不要使用辛烷值和級數(shù)低于規(guī)定值的燃料 不可使用過期燃油 操縱發(fā)動機時 不可使進氣壓力 進氣溫度和最大進氣壓力的使用時間等參數(shù)值超過規(guī)定 發(fā)動機在小轉(zhuǎn)速工作條件下 不得使用大進氣壓力 否則會因燃氣壓力和溫度過高而發(fā)生爆燃 發(fā)動機不可過熱 在大功率狀態(tài)工作時間不宜過久 為使發(fā)動機散熱良好 要時常注意冷卻系統(tǒng)的維護 要防止氣缸內(nèi)積炭 氣缸壁和活塞頂面積炭會使燃燒室容積減小 壓縮比增大 容易引發(fā)爆燃 32 第五節(jié)氣缸中的燃燒 早燃 在火花塞點火前 氣缸內(nèi)混合氣的溫度已達到著火溫度時 混合氣將自動燃燒 這種發(fā)生在點火前的自燃現(xiàn)象叫做早燃 發(fā)生早燃時發(fā)動機的表現(xiàn)早燃使氣缸內(nèi)的壓力升高過早 壓縮耗功量增大 燃氣的散熱量增多 致使膨脹過程做功減少 經(jīng)濟性變壞 對于航空使用的多缸發(fā)動機 如有部分氣缸發(fā)生早燃 曲軸系統(tǒng)受力不均勻 因而引起發(fā)動機不穩(wěn)定工作 發(fā)動機在小轉(zhuǎn)速工作時 早燃會使壓縮過程后期氣體作用在活塞上的壓力過大 而且由于曲軸系統(tǒng)的慣性較小 克服不了此過大的壓力 這將引起曲軸倒轉(zhuǎn)并損壞機件 在氣門重開期間 早燃會引發(fā)回火 33 第五節(jié)氣缸中的燃燒 引發(fā)早燃的原因氣缸中存在高溫熾熱點時容易引發(fā)早燃 氣缸頭溫度過高 火花塞和排氣門等高溫組件以及熾熱的積炭都能引起早燃 當壓縮比過大時 被壓縮后的混合氣體溫度可能達到著火溫度 亦可能引起早燃 防止早燃的措施對于在用定型發(fā)動機 其壓縮比是不變的 要防止早燃 應主要防止氣缸中產(chǎn)生積炭 防止氣缸頭溫度過高 警告 發(fā)動機在剛剛停車后 不能隨意扳動或無意移動螺旋槳 這是因為剛停車的發(fā)動機 其氣缸頭溫仍然很高 如使螺旋槳轉(zhuǎn)動 氣缸中的混合氣受到壓縮 有可能發(fā)生自燃使發(fā)動機運轉(zhuǎn) 螺旋槳轉(zhuǎn)動起來 發(fā)動機附近的人很容易受到傷害 34 第五節(jié)氣缸中的燃燒 兩點提示 1 由圖可以看出 早燃和爆燃時 氣缸內(nèi)發(fā)生最大壓力的時間均較正常燃燒時氣缸內(nèi)發(fā)生最大壓力的時間前移 但早燃時氣缸內(nèi)的最大壓力值與正常燃燒時的最大壓力值接近 而與爆燃時的最大壓力相差甚遠 2 早燃往往發(fā)生在發(fā)動機的個別或部分氣缸內(nèi) 而爆燃總同時發(fā)生在發(fā)動機的所有氣缸 第六節(jié)增壓發(fā)動機 帶增壓器的活塞發(fā)動機稱為增壓發(fā)動機 增大氣缸進氣壓力以增加功率為什么設(shè)置增壓器 注意爆燃 對燃油的抗爆性有要求 按傳動方式不同 有傳動式增壓發(fā)動機和廢氣渦輪增壓發(fā)動機 傳動式增壓發(fā)動機 大功率星形活塞式發(fā)動機多使用發(fā)動機軸帶動增壓器 使用這種增壓系統(tǒng)的發(fā)動機叫做傳動式增壓發(fā)動機 該發(fā)動機的增壓系統(tǒng)如圖所示 曲軸通過一齒輪系帶動離心式增壓器的轉(zhuǎn)子 使氣體增壓后進入汽缸 這種增壓系統(tǒng)所消耗的功來自發(fā)動機自身輸出的軸功 為與下面將介紹的廢氣渦輪增壓發(fā)動機的增壓系統(tǒng)相區(qū)別 又把此種增壓系統(tǒng)稱為內(nèi)部驅(qū)動增壓系統(tǒng) 傳動式增壓系統(tǒng)示意圖 以離心式增壓器為例 氣體的增壓由兩步完成 第一步由高速轉(zhuǎn)動的葉輪將流入中心的油氣混合物通過離心力將其加速并沿徑向甩到四周 第二步 具有很大動能的混合氣流入擴壓器 擴壓器是由許多彎曲擴壓器葉片 靜子葉片 組成的靜子 任意兩個靜子葉片間的通道都是截面積逐漸增大的擴壓管 通過擴壓管混合氣體的動能變?yōu)閴毫菽?使流速減小 壓力增大 經(jīng)過擴壓器增壓后的氣體通過進氣系統(tǒng)進入汽缸 增壓器的尺寸不能太大 故設(shè)增速齒輪組 離心式增壓器 離心式增壓器 廢氣渦輪增壓發(fā)動機 該系統(tǒng)增壓器由廢氣渦輪驅(qū)動 故稱為渦輪增壓器 廢氣渦輪安排在活塞式發(fā)動機的排氣道中 由汽缸排出的廢氣經(jīng)排氣道通過渦輪膨脹作功后再排放到大氣中 廢氣渦輪所作的功 通過渦輪和離心式增壓器的連接軸傳到增壓器 使進入增壓器的空氣增壓 這種增壓系統(tǒng)也叫做外部驅(qū)動的增壓系統(tǒng) 通過廢氣渦輪的廢氣流量決定了渦輪的功率 渦輪輸出的功率大小決定了增壓器使氣體升壓的高低 故改變增壓器的增壓比是通過控制廢氣流量來實現(xiàn) 39 第六節(jié)增壓發(fā)動機 兩種增壓系統(tǒng)的比較1 傳動式增壓系統(tǒng)要直接消耗發(fā)動機產(chǎn)生的功 廢氣渦輪增壓系統(tǒng)消耗的是廢氣中貯存的能量 這叫做余熱利用 雖然廢氣增壓系統(tǒng)會帶來發(fā)動機的功率損失 但總的能量利用上要優(yōu)于傳動式增壓系統(tǒng) 2 廢氣渦輪增壓系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)較復雜 發(fā)動機的加速性也較差 為提高增壓系統(tǒng)綜合性能 綜合采用兩種增壓系統(tǒng) 廢氣渦輪一傳動式增壓系統(tǒng) 40 廢氣渦輪一傳動式增壓系統(tǒng)示意