什么是活塞式航空發(fā)動機

王裕平

裝有活塞式航空發(fā)動機的飛機為什么會飛？

大家都知道竹蜻蜓(圖1)，只要用雙手一搓，手放開后，它就自由的旋轉(zhuǎn)起來，向高處和遠處，飛行一段距離。這就是飛機上所用的螺旋槳的始祖，它是我國科學(xué)家在明朝(公元1400年前后)時發(fā)明創(chuàng)造的，對近代航空事業(yè)作出了很大的貢獻。竹蜻蜓，也就是螺旋槳，當它旋轉(zhuǎn)時向后面打動空氣，產(chǎn)生了作用在槳葉上的反作用力，因而這個力就推動了竹蜻蜓，使它向高處和遠處飛行。但是竹蜻蜓旋轉(zhuǎn)的時候槳葉要受到空氣給它的阻力，會漸漸慢下來到停止轉(zhuǎn)動為止，因此，竹蜻蜓也就只能飛行一段不大的距離就會落下來了。顯然，要叫它能作較長時間的飛行，就必需設(shè)法使它不斷地旋轉(zhuǎn)才成。要達到這個目的，就必需使它和一個動力源的轉(zhuǎn)軸聯(lián)在一起，而且這個動力源要能在較長的時間里不斷地工作。如果我們將帶有像竹蜻蜓一樣的螺旋槳的動力源裝在飛機上面，將它開動起來，就可以產(chǎn)生一個不斷的拉力，使飛機長時間地在空中飛行。

圖1竹蜻蜓

這樣的動力源我們就叫做螺旋槳式航空發(fā)動機。它可以是活塞式航空發(fā)動機，也可以是渦輪螺旋槳噴氣發(fā)動機。后者本刊已有介紹，現(xiàn)在我們再來談一下活塞式航空發(fā)動機。

活塞式航空發(fā)動機是怎樣工作的

根據(jù)上面所談可知，由于螺旋槳旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生拉力使飛機向前飛，但是，螺旋槳旋轉(zhuǎn)的時候要不斷地克服大氣所給它的阻力，這樣就要消耗能量，顯然，所消耗的能量都是由活塞式航空發(fā)動機供給的?？墒前l(fā)動機的能量又是從那里來的呢？它的來源就是化學(xué)燃料(如汽油)燃燒時所產(chǎn)生出來的熱能?；钊胶娇瞻l(fā)動機就是將熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械功的一種機器，稱為熱機。它所用的燃料通常都是在燃燒后能產(chǎn)生相當大熱量的汽油。汽油和適量的空氣以一定的比例混合成混合氣后，很容易被點燃，而且燃燒的速度也很快，使熱能迅速的解放出來。如果我們叫混合氣在有限制的容積里燃燒放熱，就會使容積里的氣體受熱，溫度大大地提高。氣體受熱要膨脹，倘若氣體是在有限容積里受熱的，沒有辦法自由膨脹，因此它向外膨脹的力就作用在容器的壁上，形成很大的壓力。這個壓力可以被用來推動機件工作。這樣，我們就成功地將燃料的熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械功了。只要向這樣的熱機里不斷供給燃料與空氣的混合氣，和排除掉已經(jīng)燒過的和工作過的廢氣，使混合氣不斷地燃燒放熱，就能不斷地對外作機械功?；钊胶娇瞻l(fā)動機就是依照這種道理來工作的一種熱機。究竟它是怎樣工作的呢？將熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能的部分，是什么樣的一種機構(gòu)呢？現(xiàn)在我們不妨來看一下這些問題。

圖2是活塞發(fā)動機中將燃料燃燒后所產(chǎn)生的熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械功的主要部分，包括氣缸，活塞，連桿和曲軸。連桿連接活塞和曲軸，混合氣在氣缸里燃燒，所產(chǎn)生的力量推動活塞，使活塞在氣缸里來回地作直線運動，然后再經(jīng)過連桿曲軸機構(gòu)，形成了曲軸的旋轉(zhuǎn)運動?；钊跉飧桌镒魍鶑?fù)運動時所能達到的最高點位置叫做上死點，最低點位置叫做下死點，如圖2所示，上下兩死點之間的距離是活塞在氣缸里運動的最大距離，叫做活塞的沖程?；钊咄陜蓚€沖程時曲軸旋轉(zhuǎn)一周。

圖2曲軸連桿機構(gòu)

由混合氣進入氣缸，經(jīng)過一連串的過程，把燃燒所放出來的熱能轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)動曲軸的機械功，到下一次新的混合氣再進入氣缸的這一段時間里，氣體在氣缸內(nèi)所經(jīng)過的各個過程的總和，叫作一個循環(huán)。它是一種周而復(fù)始的循環(huán)，這種循環(huán)的基本特點在于通過它完成了將熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能的轉(zhuǎn)換，因此叫作熱循環(huán)?；钊舷峦祪纱?，也就是走了四個沖程，才完成一個熱循環(huán)的發(fā)動機叫作四沖程發(fā)動機，活塞式航空發(fā)動機差不多都是四沖程的。

四沖程活塞式航空發(fā)動機每完成一個熱循環(huán)所經(jīng)歷的四個沖程可用圖3四沖程發(fā)動機工作原理圖來表示。它們是：

圖3四沖程發(fā)動機工作原理圖

(一)進氣沖程——在進氣沖程里排氣門緊閉，進氣門開放，活塞從上死點向下死點移動，氣缸內(nèi)的容積逐漸加大，新鮮混合氣經(jīng)過進氣門被吸入氣缸。

(二)壓縮沖程——進氣沖程完了后，曲軸在慣性力的作用下繼續(xù)轉(zhuǎn)動，活塞開始從下死點向上滑動，同時進氣門也關(guān)閉。氣缸里的氣體受到壓縮。直到活塞達到上死點時，被壓縮于氣缸頂部與活塞之間的燃燒室內(nèi)。這時的氣體壓力可以達到10個大氣壓左右，而溫度由于壓縮可增高到400℃左右。壓縮的目的是為了更好地利用燃燒時所產(chǎn)生的熱量，使限制在燃燒室這樣的小氣缸容積里的氣體壓力得以大大地增加，提高它的作功能力。

氣缸內(nèi)氣體被壓縮的程度用活塞在下死點時氣缸內(nèi)容積與燃燒室容積的比值來衡量，這個比值叫作壓縮比。壓縮比越高，氣體被壓縮的程度就越厲害。

(三)工作沖程——活塞到達上死點后，裝在氣缸頭上的一個電火花塞借高電壓放電產(chǎn)生電火花，將被壓縮后的混合氣點燃，燃燒過程進行地十分迅速，使燃燒室內(nèi)的氣體壓力和溫度急劇地增高，最高壓力可以達到50到75個大氣壓力，最高溫度可達到2000℃以上。

這時兩個氣門都是關(guān)閉著的，因此在高壓氣體的作用下迫使活塞向下死點運動，并通過連桿曲軸機構(gòu)轉(zhuǎn)換為發(fā)動機曲軸的旋轉(zhuǎn)運動，帶轉(zhuǎn)螺旋槳使飛機前進。

在四沖程發(fā)動機中，工作沖程是唯一能產(chǎn)生力量和作功的沖程。由于活塞式航空發(fā)動機都是多氣缸發(fā)動機，各氣缸的工作沖程是相間發(fā)生的，因此其他沖程中活塞的運動是由與同一曲軸相聯(lián)的其他氣缸所產(chǎn)生的力來帶動的。

(四)排氣沖程——工作沖程結(jié)束后，由于曲軸在繼續(xù)轉(zhuǎn)動，由于慣性，活塞從下死點向上死點運動，同時排氣門開放，使工作后的廢氣經(jīng)排氣門排入外界大氣中去。當活塞到達上死點時，絕大部分廢氣都已被排出，在活塞重新由上死點開始向下運動時，排氣門關(guān)閉，而進氣門又重新開放，新鮮混合氣又被吸入氣缸，因此，下一個循環(huán)又開始了。