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活塞式發(fā)動機
活塞式發(fā)動機
活塞式發(fā)動機(活塞式發(fā)動機)
活塞發(fā)動機也叫往復(fù)式發(fā)動機，是一種利用一個或者多個活塞將壓力轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)動能的發(fā)動機�；钊l(fā)動機是熱機的一種，靠汽油、柴油等燃料提供動力。
目錄 簡介 發(fā)動機結(jié)構(gòu) 工作原理 輔助系統(tǒng) 收縮展開 簡介最常用的往復(fù)式發(fā)動機是利用汽油或者柴油燃料產(chǎn)生壓力的。通常都不止一個活塞，每個活塞都在氣缸內(nèi)，燃料－空氣混合物被注入其內(nèi)，然后被點燃。 熱氣膨脹，推動活塞向后運動�；钊倪@種直線運動通過連桿和曲軸轉(zhuǎn)換成圓周運動。這種發(fā)動機經(jīng)常被通稱為內(nèi)燃機，盡管內(nèi)燃機并不必須包括活塞。 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)動機的往復(fù)式發(fā)動機的能源。這種情況下是利用非常高的蒸氣壓力來驅(qū)動活塞。蒸氣能的大部分利用中，活塞發(fā)動機已經(jīng)被更為高效的渦輪機所取代，由于要求有更高的力矩活塞已經(jīng)更多的運用到轎車領(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氣、壓縮、點火與排氣過程引擎。至于轉(zhuǎn)子引擎，轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)一周便有三次進氣、壓縮、點火與排氣。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)子便有一次進氣、壓縮、點火與排氣過程，相當于往復(fù)式引擎運轉(zhuǎn)兩周，因此具有小排氣量就能成就高動力輸出的優(yōu)點（但相對的，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)子引擎的軸向運轉(zhuǎn)特性，它不需要精密的曲軸平衡就可以達到非常高的運轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速。
發(fā)動機結(jié)構(gòu)簡述
活塞式發(fā)動機主要由氣缸、活塞、連桿、曲軸、氣門機構(gòu)、螺旋槳減速器、機匣等組成。 氣缸是混合氣（汽油和空氣）進行燃燒的地方。氣缸內(nèi)容納活塞作往復(fù)運動。氣缸頭上裝有點燃混合氣的電火花塞（俗稱電嘴），以及進、排氣門。發(fā)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(fā)動機殼體（機匣）上的排列形式多為星形或V形。常見的星形發(fā)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(shù)目越多發(fā)動機功率越大。活塞承受燃氣壓力在氣缸內(nèi)作往復(fù)運動，并通過連桿將這種運動轉(zhuǎn)變成曲軸的旋轉(zhuǎn)運動。連桿用來連接活塞和曲軸。 曲軸是發(fā)動機輸出功率的部件。曲軸轉(zhuǎn)動時，通過減速器帶動螺旋槳轉(zhuǎn)動而產(chǎn)生拉力。除此而外，曲軸還要帶動一些附件（如各種油泵、發(fā)電機等）。氣門機構(gòu)用來控制進氣門、排氣門定時打開和關(guān)閉。 機體是構(gòu)成發(fā)動機的骨架，是發(fā)動機各機構(gòu)和各系統(tǒng)的安裝基礎(chǔ)，其內(nèi)、外安裝著發(fā)動機的所有主要零件和附件，承受各種載荷。因此，機體必須要有足夠的強度和剛度。機體組主要由氣缸體、汽缸套、氣缸蓋和氣缸墊等零件組成。
氣缸體
水冷發(fā)動機的氣缸體和上曲軸箱常鑄成一體，稱為氣缸體——曲軸箱，也可稱為氣缸體。氣缸體一般用灰鑄鐵鑄成，氣缸體上部的圓柱形空腔稱為氣缸，下半部為支承曲軸的曲軸箱，其內(nèi)腔為曲軸運動的空間。在氣缸體內(nèi)部鑄有許多加強筋，冷卻水套和潤滑油道等。 氣缸體應(yīng)具有足夠的強度和剛度，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)點是機體高度小，重量輕，結(jié)構(gòu)緊湊，便于加工，曲軸拆裝方便；但其缺點是剛度和強度較差。 (2) 龍門式氣缸體其特點是油底殼安裝平面低于曲軸的旋轉(zhuǎn)中心。它的優(yōu)點是強度和剛度都好，能承受較大的機械負荷；但其缺點是工藝性較差，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，采用滾動軸承，主軸承孔較大，曲軸從氣缸體后部裝入。其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)緊湊、剛度和強度好，但其缺點是加工精度要求高，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，整體式氣缸強度和剛度都好，能承受較大的載荷，這種氣缸對材料要求高，成本高。如果將氣缸制造成單獨的圓筒形零件(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，氣缸體可用價格較低的一般材料制造，從而降低了制造成本。同時，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，強度和剛度都較好，但加工比較復(fù)雜，內(nèi)、外表面都需要進行精加工，拆裝不方便，散熱不良。 濕式氣缸套的特點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，但缺點是強度、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沖程�；钊胶娇瞻l(fā)動機大多是四沖程發(fā)動機，即一個氣缸完成一個工作循環(huán)，活塞在氣缸內(nèi)要經(jīng)過四個沖程，依次是進氣沖程、壓縮沖程、膨脹沖程和排氣沖程。
進氣沖程
發(fā)動機開始工作時，首先進入“進氣沖程”，氣缸頭上的進氣門打開，排氣門關(guān)閉，活塞從上死點向下滑動到下死點為止，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，通過打開的進氣門被吸入氣缸內(nèi)�；旌蠚怏w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
進氣沖程完畢后，開始了第二沖程，即“壓縮沖程”。這時曲軸靠慣性作用繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，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(guān)閉。氣缸內(nèi)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(nèi)。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(chǎn)生的熱量，使限制在燃燒室這個小小空間里的混合氣體的壓強大大提高，以便增加它燃燒后的做功能力。 當活塞處于下死點時，氣缸內(nèi)的容積最大，在上死點時容積最�。ê笳咭彩侨紵业娜莘e）�；旌蠚怏w被壓縮的程度，可以用這兩個容積的`比值來衡量。這個比值叫“壓縮比”�；钊娇瞻l(fā)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(fā)動機產(chǎn)生的功率也就越大。
工作沖程
壓縮沖程之后是“工作沖程”，也是第三個沖程。在壓縮沖程快結(jié)束，活塞接近上死點時，氣缸頭上的火花塞通過高壓電產(chǎn)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，燃氣加到活塞上的沖擊力可達15噸�；钊谌細獾膹姶髩毫ψ饔孟�，向下死點迅速運動，推動連桿也門下跑，連桿便帶動曲軸轉(zhuǎn)起來了。 這個沖程是使發(fā)動機能夠工作而獲得動力的唯一沖程。其余三個沖程都是為這個沖程作準備的。
排氣沖程
第四個沖程是“排氣沖程”。工作沖程結(jié)束后，由于慣性，曲軸繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，使活塞由下死點向上運動。這時進氣門仍舊關(guān)閉，而排氣門大開，燃燒后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。然后排氣門關(guān)閉，進氣門打開，活塞又由上死點下行，開始了新的一次循環(huán)。 從進氣沖程吸入新鮮混合氣體起，到排氣沖程排出廢氣止，汽油的熱能通過燃燒轉(zhuǎn)化為推動活塞運動的機械能，帶動螺旋槳旋轉(zhuǎn)而作功，這一總的過程叫做一個“循環(huán)”。這是一 種周而復(fù)始的運動。由于其中包含著熱能到機械能的轉(zhuǎn)化，所以又叫做“熱循環(huán)”。 活塞航空發(fā)動機要完成四沖程工作，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)簡介
發(fā)動機除主要部件外，還須有若干輔助系統(tǒng)與之配合才能工作。主要有進氣系統(tǒng)（為了改善高空性能，在進氣系統(tǒng)內(nèi)常裝有增壓器，其功用是增大進氣壓力）、燃油系統(tǒng)、點火系統(tǒng)（主要包括高電壓磁電機、輸電線、火花塞）、起動系統(tǒng)（一般為電動起動機）、散熱系統(tǒng)和潤滑系統(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，必須對氣缸和氣缸蓋進行適當?shù)乩鋮s。冷卻方法有兩種，一種是水冷，另一種是風冷。水冷發(fā)動機的氣缸周圍和氣缸蓋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，對氣缸和氣缸蓋起冷卻作用。 現(xiàn)代汽車上基本都采用水冷多缸發(fā)動機，對于多缸發(fā)動機，氣缸的排列形式?jīng)Q定了發(fā)動機外型尺寸和結(jié)構(gòu)特點，對發(fā)動機機體的剛度和強度也有影響，并關(guān)系到汽車的總體布置。按照氣缸的排列方式不同，氣缸體還可以分成單列式，V型和對置式三種。 (1) 直列式 發(fā)動機的各個氣缸排成一列，一般是垂直布置的。單列式氣缸體結(jié)構(gòu)簡單，加工容易，但發(fā)動機長度和高度較大。一般六缸以下發(fā)動機多采用單列式。例如捷達轎車、富康轎車、紅旗轎車所使用的發(fā)動機均采用這種直列式氣缸體。有的汽車為了降低發(fā)動機的高度，把發(fā)動機傾斜一個角度。 (2) V型 氣缸排成兩列，左右兩列氣缸中心線的夾角γ<180°，稱為V型發(fā)動機，V型發(fā)動機與直列發(fā)動機相比，縮短了機體長度和高度，增加了氣缸體的剛度，減輕了發(fā)動機的重量，但加大了發(fā)動機的寬度，且形狀較復(fù)雜，加工困難，一般用于8缸以上的發(fā)動機，6缸發(fā)動機也有采用這種形式的氣缸體。 (3) 對置式 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°，稱為對置式。它的特點是高度小，總體布置方便，有利于風冷。這種氣缸應(yīng)用較少。
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