航空活塞发动机

航空活塞式发动机的基本工作原理
• 航空活塞式发动机主要作用是将热能转变成机 械能的动力装置，是通过活塞的几个行程来完 成的。
基本概念
• 上死点： –是活塞距曲轴旋转中心最远 的位置。 • 下死点： –是活塞距曲轴旋转中心最近 的位置。 • 活塞行程： –上、下死点之间的距离叫做 活塞的行程。
活塞在上死点时，气体在气缸内所占有的容积，叫做 燃烧室容积，用 V燃表示 ； 活塞在下死点时，气体在气缸内所占有的容积，叫做 气缸全容积，用 V全表示 ； 上死点与下死点之间的气缸容积，叫做气缸工作容积， 用 V工作表示 。 工作容积等于气缸横截面积与活塞行程的乘积； 工作容积等于全容积与燃烧室容积之差，即V工作 = V全 - V燃
• 五个工作过程： – 进气 – 压缩 – 燃烧 – 膨胀 – 排气
活塞在气缸的上死点和下死 点之间往返了两次，连续移 动了四个行程 在四个行程中曲轴旋转两周， 每个气缸有一次点火。 在一个循环中完成了五个过 程，五个过程的顺序是：进 气，压缩，燃烧，膨胀，排 气。
四行程发动机的点火次序
上面阐述的是一个气缸内四个行程的工作情形。实际上， 航空活塞式发动机都是多缸发动机，每个气缸都按照上述 四个行程的顺序进行工作。但是各气缸的相同行程并非同 时进行，而是按一定的次序均匀错开的，因此，每个气缸 的点火，也是按相同的次序均匀错开，保证活塞推动曲轴 的力量尽可为了增加进入气缸的气体量，在 活塞从上死点下行开始进气行程 之前，进气门就打开了，直到活 塞离开下死点，进入压缩行程的 初期，进气门才完全关闭。所 以，在整个进气过程中，进气门 是早开晚关的，曲轴转过的角度 大于180度。
• 进气门的早开角α –定义：进气门的早开角是进气门刚刚打开时，曲柄 与气缸中心线之间的夹角。 –进气门要早开，应在排气行程的后期打开。 –进气门早开角约为15°－45°。 –好处：进气门早开可以尽量多地吹除废气，尽量多 地进入新鲜的混合气，提高发动机的容积效率，从 而提高发动机的输出功率，又有利于气缸，特别是 气缸头的冷却。
• 参数的变化： –温度：气体从外界进入气缸后，温度有所提高，这 是因为，流入气缸的气体与气缸头、进气门、排气 门和活塞等灼热的机件相接触，吸收热量的结果。 –压力：气体从外界进入气缸的过程中，压力有所下 降，这是因为气体具有粘性，在进气系统管道内流 动时，不可避免地要产生流动损失的结果。 –密度：在进气过程中，气体温度的提高，压力的降 低，均导致气体密度的减小， –质量：进入气缸的气体质量减小。
压缩行程
在进气行程之后，活塞从下死点往上死点移 动，此时由于进气门和排气门都关闭着，使 气缸内的容积不断缩小，混合气受到压缩， 因而压力和温度升高，成为压缩行程。活塞 到达上死点时，压缩行程也就结束。
膨胀做功行程
在压缩行程结束时，电嘴产生电火花，将压缩 后的混合气点燃。膨胀行程就是混合气燃烧膨 胀作功的一个行程，也就是发动机赖以产生动 力的一个行程，因此成为工作行程。在膨胀行 程中，进气门和排气门仍然关闭着，混和气在 电嘴点火后的瞬间全部烧完，放出大量的热 能，燃气的温度和压力急剧升高。在燃气膨 胀的同时，以很大的压力推动活塞，使活塞从 上死点向下死点移动，这样燃气便做了功。燃 气在膨胀作功的过程中，所占的容积逐渐扩 大，压力和温度不断下降，直到活塞到达下死 点时，膨胀行程就结束。
• 进气门的早开角α –开的过早，会使刚进入气缸的一部分新鲜混合气从 排气门排出，经济性变坏； –开的过晚 , 会使进入气缸的混合气减少 , 对气缸头 的冷却变坏。
• 进气门的晚关角β –定义：进气门的晚关角是进气门恰好完全关闭时， 曲柄与气缸中心线之间的夹角。 –进气门要晚关就应在压缩行程的初期关闭。 –进气门晚关角的范围: 40°～80°。 –好处：进气门晚关可以尽量多地进入新鲜的混合气 ; 提高发动机的容积效率，从而提高发动机的输出 功率; 也有利于气缸，特别是气缸头的冷却。
• 润滑系统 润滑系统主要用来将润滑油不断地送到各机件的摩擦面， 以降低摩擦阻力，减轻机件的磨损，同时把摩擦产生的热 量带走。 • 冷却系统 冷却系统是为了把气缸内的一部分热量散发到大气中去， 保证气缸头的温度正常。冷却系统有：气冷式和液冷式 两种。 • 起动系统 起动系统是为了带动发动机从静止状态开始转动起来，并 使发动机进入慢车转速。转动曲轴的方式通常有气动和电 动两种。
充填系数越大，说明进气过程中空气充填入气缸的有效程度 越大，进气过程进行的越好。在理论充填量不变的条件 下，实际充填量就越大。 在增压式发动机中，由于实际充填量有可能大于理论充填量， 所以充填系数有可能大于１。现代航空活塞式发动机的 充填系数一般约为0.7－1.2。
• 影响充填系数的因素： –流动损失：气体流经进气管和进气门等处时，不可 避免地会发生摩擦和分离，形成涡流，产生流动损 失，使气缸内气体的压力降低，温度升高，气体的 密度减小，充填量减小，充填系数降低。 –气缸头的温度：在进气过程中，由于气体与气缸、 活塞和气门等灼热机件相接触，吸收热量，而使温 度提高。温度升高，密度减小，使充填量减小，因 此充填系数降低，气缸头的温度愈高，气体受热程 度愈大，充填系数愈小。
• 四个行程：
– – – – 进气行程 压缩行程 膨胀行程 排气行程
进气行程
在进气行程中，排气门始终关闭，活塞在 上死点时进气门打开。因此，当活塞从上 死点向下死点移动时，气缸内容积扩大， 压力减小，在气缸内外压力差的作用下， 混合气经过进气门进入气缸。活塞到达 下死点，进气门关闭，不再进气，于是进 气行程结束。
工作系统
• 燃油系统 燃油系统是为了不断地给发动机提供适当数量的燃油， 并将燃油很好地雾化，与空气均匀混合成浓度合适的可 燃混合气。型式有：汽化器式和直接喷射式。 • 点火系统 点火系统是为了在适当的时刻产生电火花，以点燃气缸 里的混合气。电火花由装在气缸上的电嘴在高压电的作 用下产生，而高压电由磁电机产生。
四行程发动机的基本工作原理
混合气从进入气缸起，分别经过压缩、燃烧、膨胀，直到 废气排出，在这整个过程中，活塞从上死点到下死点之间 往返了两次，也就是连续地移动了四个行程。由于在这四 个行程中，分别完成了进气、压缩、膨胀和排气的工作， 所以这四个行程相应地叫做进气行程、压缩行程、膨胀行 程和排气行程。从进气行程开始，到排气行程结束，四个 行程组成一个工作循环。
进气过程
一、进气过程的进行情况
• • • 进气过程是指新鲜混合气进入气缸的过程。 进气过程的作用是使发动机得到工作时所需要的新 鲜混合气。 进气过程从进气门打开时开始，到进气门关闭时结 束。
• 进气过程：在进气过程的最初一段时间内，活塞尚在 前一个循环的排气行程，正向上死点运动，进气门逐 渐开大，而排气门还开着，前一个循环的废气正继续 排出气缸。活塞运动到上死点时，进气门已开大，尔 后活塞从上死点向下死点运动，气缸容积不断扩大， 大量混合气经过进气门进入气缸。活塞经过下死点以 后，继续进气，直到压缩行程的初期，进气门关闭时， 进气才停止。
• 进气门的晚关角β –关的过晚，会使一部分已经进入气缸的新鲜混合气 被活塞压回进气管内，使进入气缸的新鲜混合气充 填量减少。 –进气门关的过早，也会使新鲜混合气充填量减少。
三、充填量及其影响因素
• 理论充填量： – 定义：在理想情况下，一次进气过程中进入一个 气缸的空气的质量称为理论充填量。 pVw ms RT 理想情况是： 1、空气在气缸中的容积为气缸的工作容积； 2、吸入式发动机气缸中空气压力和温度分别为外 界大气压力和温度； 3、增压式发动机气缸中的空气应分别为增压器后 空气的压力和温度。
4、按空气进入气缸前是否增压区分 可分为增压式发动机和吸气式发动机。 增压式发动机上装有增压器，外界空气先经过增压 器提高压力，然后进入气缸。 吸气式发动机工作时，外界空气被直接吸入气缸。
航空活塞式发动机的组成
主要机件
• • • • • • 气缸 活塞 连杆 曲轴 气门机构 机匣
• 气缸：呈圆筒形，固定在机匣上,是混合气进行燃烧并 将燃烧释放出来的热能转变为机械能的地方。 • 活塞：装在气缸里面，并在气缸内作往复直线运动， 将燃气所作的功，传递出去。 • 连杆：一端连接活塞，另一端与曲轴相连，起着传递 力的作用,并和曲柄一起将活塞的直线运动转变为旋转 运动。 • 曲轴：和连杆一起将活塞的直线运动转变为旋转运动， 将功传递给螺旋桨。
• 气门机构：就是控制气门的开启和关闭，保证新鲜混合 气在适当的时机进入气缸，以及保证燃烧做功后的废气 适时地从气缸中排出。 • 机匣：作为发动机的壳体，它除了用来安装气缸和支承 曲轴外，还将发动机所有的机件连结起来，构成一台完 整的发动机。 对于大功率航空活塞式发动机来说，其曲轴和螺旋桨轴 间还装有减速器，使螺旋桨轴的转速低于曲轴的转速。
排气行程
燃气膨胀作功以后，就变为废气。为了再次 把新鲜混合气送入气缸，以便连续工作，必 须把废气排出气缸。排出废气的工作，便是 靠排气行程来完成的。在排气行程中，进气 门仍然关闭着。当膨胀行程结束，活塞到达 下死点时，排气门打开，废气便在气缸内外 气体的压力差，以及活塞从下死点向上死点 移动的推压作用下排出气缸。活塞到达上死 点时，排气门关闭，排气行程结束。
• 实际充填量： –定义： 在一次进气过程中实际进入一个气缸的空 气的质量称为实际充填量，简称为充填量。 –在混合气余气系数保持不变的条件下，充填量越大， 喷入空气中的燃油越多，因而混合气燃烧后所释放 的热能越多，发动机的功率就越大; 反之，充填量 越小，发动机的功率也越小。
•
充填系数： – 定义：实际充填量与理论充填量的比值称为充填 系数。 m v ms
• 装有汽化器的吸气式发动机，外界空气门经过节气门 后，与汽化器喷油嘴喷入的燃料混合、蒸发组成余气 系数一定的混合气，混合气进入分气室，再经过进气 管和进气门进入气缸。 • 进气道中的节气门与飞行员座舱内的油门杆相连接。 油门杆向后拉，节气门关小，进入气缸的气体量减少; 油门杆向前推，节气门开大，进入气缸的气体量增多。 因此，操纵油门杆可以改变进入气缸的气体量, 从而 改变发动机的功率。
活塞发动机
第一章 航空活塞式发动机概述
• 航空活塞式发动机的类型和组成 • 航空活塞式发动机的基本工作原理
• 航空活塞式发动机的理想循环
Ⅰ航空活塞式发动机的分类和组成
一、航空活塞式发动机的类型
1、按混合气形成的方式区分 航空活塞式发动机可分为汽化器式发动机和直接喷 射式发动机。 汽化器式发动机装有汽化器，燃料和空气预先在汽 化器内混合好，然后再进入发动机气缸内燃烧。 直接喷射式发动机装有直接喷射装置，燃料由直接 喷射装置直接喷入气缸，然后同空气在气缸内混合形成 混合气。
• 单排星型发动机：
720 点火间隔角为： i
气缸间隔角为:
360 i
所以点火间隔角等于 气缸间隔角的两倍。 单排九缸星型发动机 点火顺序是： 1→3→5→7→9→2→4 →6→8。
• 双排星型发动机： –点火间隔角等于气缸间隔角的 两倍。 –前后派交错点火。 –双排14缸星型发动机点火顺序 1→10→5→14→9→4→13→8 →3→12→7→2→11→6→1。 –可以看出，双排十四缸星型发 动机点火次序的规律是：加九减 五。
2、按发动机的冷却方式区分 航空活塞式发动机可分为气冷式发动机和液冷式发动 机。 气冷式发动机直接利用迎面气流来冷却气缸。 液冷式发动机则利用循环流动的冷却液来冷却气缸， 由冷却液把吸收的热量耗散到周围的大气中。
3、按气缸排列的方式分 –直列型 • 用在小型飞机上。 • 气冷式的，也有液冷式 –星型。 • 气冷式的发动机。 • 广泛地用在各种飞机上。
第四章 航空活塞式发动机的工作过程
• • • • • • • • 进气过程 压缩过程 燃烧过程 提前点火 混和气的不正常燃烧 膨胀过程 排气过程 定时图
• 理想循环 –活塞式发动机的理想循环叫奥托循环 , 又叫定容加 热循环。 –由下述四个可逆的热力过程组成 • 绝热压缩过程； • 定容加热过程； • 绝热膨胀过程； • 定容放热过程。