航空活塞发动机分类组成工作原理.ppt

航空活塞式发动机的组成及工作原理 补充 2 1 航空活塞式发动机的类型 一 航空活塞式发动机的分类按油气混合物的配制方式区分 化油器式发动机喷油式发动机按发动机的冷却方式区分 气冷式发动机液冷式发动机按气体进入气缸前是否增压区分 吸气式发动机增压式发动机按发动机曲轴与螺旋桨间有无减速器区分 直接驱动式发动机非直接驱动式发动机 3 按气缸排列的形式区分 直列式发动机直立式发动机正立式发动机倒立式发动机说明 使用正立式发动机 由于处理螺旋桨和地面的间隙为飞机设计带来困难 目前多使用气缸头朝下 曲轴在上的倒立式发动机 这两种发动机多用小型飞机 1 航空活塞式发动机的类型 4 第一节航空活塞式发动机的类型 水平对置式发动机 多用于小型飞机 如图所示 常常使用四个气缸或六个气缸 分两列水平方向安装在发动机匣的两侧 V型发动机 将八个或十二个气缸分两列安装在机匣上 从发动机正面看去 其排列形式如同英文字母V相似 曾广泛用于歼击机和强击机 还曾出现过H型 W型 X型等活塞式发动机 5 1 航空活塞式发动机的类型 星形发动机 有多种飞机曾经使用或正在使用 结构特征 从正面看 所有气缸均以曲轴为中心 沿圆周呈辐射状均布于机匣上 就像闪烁的星星 故称星形发动机 此类发动机有单层 双层和多层等不同形式 单层分为五缸 七缸和九缸三种 双层星形发动机有十四缸和十八缸两种 每层各为七缸和九缸 前后两层气缸交错安装 利于气缸冷却 多层星形发动机曾出现过四层二十八缸和四层三十六缸两种 但结构复杂 很少使用 具体发动机的全称 例 运五飞机上的活塞五型航空活塞式发动机 其全称 7 2 航空活塞式发动机的组成 基本组件 活塞 曲轴 连杆 气缸 进排气门和火花塞等 活塞 活塞在气缸中往复运动 其顶面和气缸头的内表面之间的空间是燃烧室 活塞上装有数个弹性很强的活塞环 又称涨圈 其作用是是防止燃烧室内的高温高压燃气向外泄漏 并防止滑油从外部进入燃烧室 8 2 航空活塞式发动机的组成 曲轴和连杆 如图 活塞和曲轴由连杆相连 从而将活塞的直线运动转变为曲轴的旋转运动 并将从每个气缸获得的功传输到螺旋桨 气缸 内壁是燃烧室的组成部分 发动机工作过程中 汽油和空气的混合物在燃烧室中被压缩 点火燃烧变为高温 高压燃气 通过燃气膨胀使热能转变为机械能 进 排气门 新鲜油气混合物通过进气门进入气缸 膨胀做功后的燃气 或称乏气 废气 通过排起门由气缸排出后经过排气系统排往大气 进排气门的开闭由气门机构控制 火花塞 火花塞的功能是适时高压放电 点燃气缸中的新鲜油气混合物 人们习惯称其为电嘴 活塞式发动机典型构成 E 排气凸轮轴 I 进气凸轮轴 S 火花塞 V 气门 P 活塞 R 连杆 C 曲轴 W 水冷的水套 10 2 航空活塞式发动机的组成 工作系统燃油系统燃油系统的功能是储油和供油 供油过程中 将燃油雾化并与空气均匀掺混后 供入气缸 根据油气混合物配置方法不同 有化油器式和喷油式两种燃油系统 点火系统由磁电机 分电器和火花塞三部分组成 磁电机是产生高压电的自备电源 通过分电器将高压电依次接通各个气缸的火花塞 使火花塞产生电火花 将气缸中的新鲜混合气点燃 起动系统当发动机开车时 首先使用起动系统将曲轴转动 使发动机由静止状态过渡到正常运转状态 完成起动过程 起动系统有气体压力和电动力两种 轻型发动机多使用电力起动方式 即使用电动机带动惯性系统旋转 利用惯性系统储存的能量带动曲轴加速转动 同时点火 使发动机自主运转起来 11 2 航空活塞式发动机的组成 4 润滑系统润滑系统的功用是减轻发动机上各个相对运动机件之间的摩擦 加强发动机内部冷却等等 在该系统中 滑油泵不断地将滑油从滑油储存器中吸出 使滑油在发动机内部循环后重新返回储存器中 5 冷却系统有气冷式和液冷式两种 轻型发动机 如直立式和水平对置式发动机 和星形发动机多用气冷式 V型发动机使用液冷式 冷却系统主要是为加强发动机的外部冷却 外部冷却和润滑系统的内部冷却使发动机能够在允许的温度条件下正常运转 12 3 航空活塞式发动机的基本工作原理 基本术语 上死点下死点活塞行程燃烧室燃烧室容积全体积余隙体积工作体积 发动机的工作循环 13 3 航空活塞式发动机的基本工作原理 压缩 膨胀 四冲程循环运作过程 1 进气行程2 压缩行程3 膨胀行程4 排气行程 15 3 航空活塞式发动机的基本工作原理 进气冲程和充填系数理论充填量和实际充填量理想情况下 一次进气过程进入一个气缸的空气质量 称为理论充气量 所谓理想情况是指空气在气缸中所占的容积为气缸工作容积 对于吸气式发动机 气缸中气体的压力和温度分别等于外界大气的压力和温度 对于增压式发动机 气缸中气体的温度和压力分别等于增压器后气体的温度和压力 理论充气量并不是进入气缸的实际空气量 但它可作为评价进气好坏的基准 实际充填量是指在一次进气过程中进入一个气缸的实际空气质量 简称其为充填量 由于进气过程中气体的流动损失 炽热发动机对气体加热 气缸中存有残余废气以及气门叠开等因素的影响 充填量会有较大的变化范围 16 3 航空活塞式发动机的基本工作原理 充填系数实际充填量与理论充填量之比称为充填系数 吸气式发动机的充填系数小于增压式发动机的充填系数 主要原因是增压式发动机在气门叠开时扫除气缸内残存废气的效果显著所致 现代活塞式发动机的充填系数为0 7 1 2 压缩冲程和压缩比压缩比 全容积 余隙容积压缩比是活塞式发动机的重要设计参数 它不仅表示气缸内气体压缩的程度 同时与发动机的性能有密切关系 压缩比增大时 发动机的功率增加 经济性也提高 压缩比的增大是有限度的 当压缩比超过一定限度时 会引发不正常燃烧 包括爆燃和早燃 活塞式发动机的压缩比大约为6 l0 17 3 航空活塞式发动机的基本工作原理 膨胀冲程当压缩冲程既将结束 活塞即将移至上死点的时候 火花塞打火点燃油气混合物 并在极短时间内通过燃烧变为燃气 同时将燃料中的化学能转换为热能 使燃气的压力和温度急剧升高 作用在活塞内表面上的巨大压力推动活塞由上死点迅猛地向下死点移动 当活塞抵达下死点时 完成膨胀冲程 通过膨胀冲程 使发动机对外做功 所以 膨胀冲程又称为做功冲程 排气冲程在排气过程中 排气门打开 活塞由下死点向上死点移动 推挤气缸中的废气通过排气门排出气缸 当活塞移到上死点时 绝大部分废气被排出气缸 排气门关闭 排气冲程结束 18 航空活塞式发动机的基本工作原理 四冲程活塞式发动机的主要工作特征 四冲程构成一个循环 周而复始使得发动机连续不断地输出功 在每一个工作循环中火花塞只点一次火 曲轴旋转两周 在四个冲程中 只有膨胀冲程做功 其他冲程不做功 而且消耗一定的功 例如在压缩冲程中要消耗压缩功 进气和排气冲程中要克服气体流动阻力耗功 克服各种摩擦耗功 各种附件所需消耗的功等等 膨胀冲程所作的功在扣除所有上述内部消耗的功以后 由曲轴输出的功才是活塞式发动机对外输出的有用功 20 第四节气门定时 气门机构气门机构的功用是按设计要求适时地将进气门和排气门打开和关闭 各部件作用 21 第四节气门定时 气门定时气门早开气门晚关气门同开 气门叠开 提前点火角 有效曲轴转角功率的传递主要发生在一个不很大的曲轴转角之内 这个角度称为有效曲轴转角 有效曲轴角与点火时间有关 提前点火角25 可完全燃烧 超过上死点30 燃气压力达最高 30 120为有效曲轴转角 过120 排气门打开 功率传递大大降低 做功冲程中的有效曲轴角 23 第五节气缸中的燃烧 气缸中的燃烧指的是新鲜油气混合物在气缸中的燃烧放热现象 其燃烧过程由火花塞点火开始 至油气混合物烧完为止 由于燃烧速度极快 容易使人认为在点火后的一瞬间就完成燃烧过程 实际上 从点火一刹那开始 火焰向未燃混合气体的传播速度不可能接近无穷大 燃烧过程需要一定的时间 为使油气混合物尽可能在恰当时机完全燃烧 以提高发动机的功率和经济性 活塞在压缩冲程尚未抵达上死点时即令火花塞点火 使油气混合物能在上死点附近一个不大的曲轴角内基本燃烧完毕 24 第五节气缸中的燃烧 余气系数理论空气量 对航空汽油 L理为14 9kg 2C8H18 25O2 16CO2 18H2Oa L实 L理贫 富油油气比故当a 1时 r 0 067 此为恰当油气比 正常燃烧和非正常燃烧 25 第五节气缸中的燃烧 图 一个工作循环气缸内气体压力随曲轴角的变化 26 第五节气缸中的燃烧 过贫油和过富油时的燃烧油气混合物过贫时 1 功率减小 经济性差最大压力值减小 做功量减少2 排气管出现火舌火焰传播慢 排气冲程末还在燃烧3 化油器回火定义 启动时易发生 防止措施 靠近进气门位置安装金属蜂窝网 4 气缸头温度降低贫油时发热量少 使燃气温度和气缸温度降低 对燃油气化和燃不利5 发动机振动油气混合不均匀 各工作循环气缸内压力相差较大 运转不平稳 27 第五节气缸中的燃烧 油气混合物过富油时1 功率减小 经济性差燃油不完全燃烧 发热量少 最大压力值减小2 气缸内积炭定义 机件表面 火花塞 气门3 排气管冒烟与 放炮 废气中含大量未燃和正燃碳分 故有黑烟和火舌 剩余可燃物复燃驾驶员猛拉油门杆关小节气门 会发生放炮现象 4 气缸头温度降低发热量少 燃油气化吸热5 发动机振动油气混合不均匀 各工作循环气缸内压力相差较大 运转不平稳 28 第五节气缸中的燃烧 爆燃 气缸中油气混合物的正常燃烧遭到破坏 并在未燃混合气局部自发出现爆炸性的燃烧 种现象叫做爆震燃烧 简称爆震或爆燃 29 第五节气缸中的燃烧 发生爆燃时发动机的表现发动机发生无规则的金属敲击声 气缸内温度急剧升高 活塞 气门及火花塞等机件过热甚至烧坏 燃烧不完全 排气管周期性地冒黑烟 由于爆燃产生的局部高压突然作用在活塞上 使连杆 曲轴系统遭受强烈冲击 易于造成损坏 发动机功率大大减小 经济性大大下降 30 第五节气缸中的燃烧 影响爆燃的因素1 燃料的影响 辛烷数 亦称奥克坦数 和级数 对应贫油和富油工作状态下燃料的抗爆性 辛烷数指异辛烷和正庚烷所组成的混合物中异辛烷所占的体积分数 级数指在不发生爆燃的情况下 发动机使用该种汽油工作所能达到的最大平均指示压力与使用纯异辛烷工作所能达到的最大平均指示压力的百分比 例 RH 95 1302 发动机结构的影响 压缩比 气缸尺寸 燃烧室形状 火花塞的数目和安放位置与气缸头和活塞的材料等 3 发动机工作状况的影响 进气压力 进气温度 气缸头温度 发动机转速和提前点火角等 31 第五节气缸中的燃烧 防止爆燃的方法严格按照规定使用燃料 不要使用辛烷值和级数低于规定值的燃料 不可使用过期燃油 操纵发动机时 不可使进气压力 进气温度和最大进气压力的使用时间等参数值超过规定 发动机在小转速工作条件下 不得使用大进气压力 否则会因燃气压力和温度过高而发生爆燃 发动机不可过热 在大功率状态工作时间不宜过久 为使发动机散热良好 要时常注意冷却系统的维护 要防止气缸内积炭 气缸壁和活塞顶面积炭会使燃烧室容积减小 压缩比增大 容易引发爆燃 32 第五节气缸中的燃烧 早燃 在火花塞点火前 气缸内混合气的温度已达到着火温度时 混合气将自动燃烧 这种发生在点火前的自燃现象叫做早燃 发生早燃时发动机的表现早燃使气缸内的压力升高过早 压缩耗功量增大 燃气的散热量增多 致使膨胀过程做功减少 经济性变坏 对于航空使用的多缸发动机 如有部分气缸发生早燃 曲轴系统受力不均匀 因而引起发动机不稳定工作 发动机在小转速工作时 早燃会使压缩过程后期气体作用在活塞上的压力过大 而且由于曲轴系统的惯性较小 克服不了此过大的压力 这将引起曲轴倒转并损坏机件 在气门重开期间 早燃会引发回火 33 第五节气缸中的燃烧 引发早燃的原因气缸中存在高温炽热点时容易引发早燃 气缸头温度过高 火花塞和排气门等高温组件以及炽热的积炭都能引起早燃 当压缩比过大时 被压缩后的混合气体温度可能达到着火温度 亦可能引起早燃 防止早燃的措施对于在用定型发动机 其压缩比是不变的 要防止早燃 应主要防止气缸中产生积炭 防止气缸头温度过高 警告 发动机在刚刚停车后 不能随意扳动或无意移动螺旋桨 这是因为刚停车的发动机 其气缸头温仍然很高 如使螺旋桨转动 气缸中的混合气受到压缩 有可能发生自燃使发动机运转 螺旋桨转动起来 发动机附近的人很容易受到伤害 34 第五节气缸中的燃烧 两点提示 1 由图可以看出 早燃和爆燃时 气缸内发生最大压力的时间均较正常燃烧时气缸内发生最大压力的时间前移 但早燃时气缸内的最大压力值与正常燃烧时的最大压力值接近 而与爆燃时的最大压力相差甚远 2 早燃往往发生在发动机的个别或部分气缸内 而爆燃总同时发生在发动机的所有气缸 第六节增压发动机 带增压器的活塞发动机称为增压发动机 增大气缸进气压力以增加功率为什么设置增压器 注意爆燃 对燃油的抗爆性有要求 按传动方式不同 有传动式增压发动机和废气涡轮增压发动机 传动式增压发动机 大功率星形活塞式发动机多使用发动机轴带动增压器 使用这种增压系统的发动机叫做传动式增压发动机 该发动机的增压系统如图所示 曲轴通过一齿轮系带动离心式增压器的转子 使气体增压后进入汽缸 这种增压系统所消耗的功来自发动机自身输出的轴功 为与下面将介绍的废气涡轮增压发动机的增压系统相区别 又把此种增压系统称为内部驱动增压系统 传动式增压系统示意图 以离心式增压器为例 气体的增压由两步完成 第一步由高速转动的叶轮将流入中心的油气混合物通过离心力将其加速并沿径向甩到四周 第二步 具有很大动能的混合气流入扩压器 扩压器是由许多弯曲扩压器叶片 静子叶片 组成的静子 任意两个静子叶片间的通道都是截面积逐渐增大的扩压管 通过扩压管混合气体的动能变为压力势能 使流速减小 压力增大 经过扩压器增压后的气体通过进气系统进入汽缸 增压器的尺寸不能太大 故设增速齿轮组 离心式增压器 离心式增压器 废气涡轮增压发动机 该系统增压器由废气涡轮驱动 故称为涡轮增压器 废气涡轮安排在活塞式发动机的排气道中 由汽缸排出的废气经排气道通过涡轮膨胀作功后再排放到大气中 废气涡轮所作的功 通过涡轮和离心式增压器的连接轴传到增压器 使进入增压器的空气增压 这种增压系统也叫做外部驱动的增压系统 通过废气涡轮的废气流量决定了涡轮的功率 涡轮输出的功率大小决定了增压器使气体升压的高低 故改变增压器的增压比是通过控制废气流量来实现 39 第六节增压发动机 两种增压系统的比较1 传动式增压系统要直接消耗发动机产生的功 废气涡轮增压系统消耗的是废气中贮存的能量 这叫做余热利用 虽然废气增压系统会带来发动机的功率损失 但总的能量利用上要优于传动式增压系统 2 废气涡轮增压系统的结构较复杂 发动机的加速性也较差 为提高增压系统综合性能 综合采用两种增压系统 废气涡轮一传动式增压系统 40 废气涡轮一传动式增压系统示意