活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)

活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)主要由氣缸、活塞、連桿、曲軸、氣門機(jī)構(gòu)、螺旋槳減速器、機(jī)匣等組成。

氣缸是混合氣(汽油和空氣)進(jìn)行燃燒的地方。氣缸內(nèi)容納活塞作往復(fù)運(yùn)動(dòng)。氣缸頭上裝有點(diǎn)燃混合氣的電火花塞(俗稱電嘴)，以及進(jìn)、排氣門。發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)氣缸溫度很高，所以氣缸外壁上有許多散熱片，用以擴(kuò)大散熱面積。氣缸在發(fā)動(dòng)機(jī)殼體(機(jī)匣)上的排列形式多為星形或V形。常見的星形發(fā)動(dòng)機(jī)有5個(gè)、7個(gè)、9個(gè)、14個(gè)、18個(gè)或24個(gè)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(dòng)機(jī)功率越大?；钊惺苋?xì)鈮毫υ跉飧變?nèi)作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，并通過連桿將這種運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變成曲軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。連桿用來連接活塞和曲軸。 曲軸是發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率的部件。曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，通過減速器帶動(dòng)螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)而產(chǎn)生拉力。除此而外，曲軸還要帶動(dòng)一些附件(如各種油泵、發(fā)電機(jī)等)。氣門機(jī)構(gòu)用來控制進(jìn)氣門、排氣門定時(shí)打開和關(guān)閉。

機(jī)體是構(gòu)成發(fā)動(dòng)機(jī)的骨架，是發(fā)動(dòng)機(jī)各機(jī)構(gòu)和各系統(tǒng)的安裝基礎(chǔ)，其內(nèi)、外安裝著發(fā)動(dòng)機(jī)的所有主要零件和附件，承受各種載荷。因此，機(jī)體必須要有足夠的強(qiáng)度和剛度。機(jī)體組主要由氣缸體、汽缸套、氣缸蓋和氣缸墊等零件組成。

水冷發(fā)動(dòng)機(jī)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(yùn)動(dòng)的空間。在氣缸體內(nèi)部鑄有許多加強(qiáng)筋，冷卻水套和潤滑油道等。

氣缸體應(yīng)具有足夠的強(qiáng)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(diǎn)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(diǎn)是機(jī)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(diǎn)是剛度和強(qiáng)度較差。

(2) 龍門式氣缸體其特點(diǎn)是油底殼安裝平面低于曲軸的旋轉(zhuǎn)中心。它的優(yōu)點(diǎn)是強(qiáng)度和剛度都好，能承受較大的機(jī)械負(fù)荷;但其缺點(diǎn)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(dòng)軸承，主軸承孔較大，曲軸從氣缸體后部裝入。其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊、剛度和強(qiáng)度好，但其缺點(diǎn)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(qiáng)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(dú)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(jià)格較低的一般材料制造，從而降低了制造成本。同時(shí)，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。

氣缸套有干式氣缸套和濕式氣缸套兩種。

干式氣缸套的特點(diǎn)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(diǎn)，強(qiáng)度和剛度都較好，但加工比較復(fù)雜，內(nèi)、外表面都需要進(jìn)行精加工，拆裝不方便，散熱不良。

濕式氣缸套的特點(diǎn)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(diǎn)是強(qiáng)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。

活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)只能為飛機(jī)提供軸功率，還要通過空氣螺旋槳將發(fā)動(dòng)機(jī)的軸功率轉(zhuǎn)化為推進(jìn)力，一起組成航空動(dòng)力裝置。而螺旋槳在飛行速度高時(shí)推進(jìn)效率急劇下降，因此活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)不能作為高速飛機(jī)、特別是超音速飛機(jī)的動(dòng)力，故當(dāng)今的飛機(jī)廣泛采用燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)。

最常用的往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)是利用汽油或者柴油燃料產(chǎn)生壓力的 。通常都不止一個(gè)活塞，每個(gè)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(diǎn)燃。 熱氣膨脹，推動(dòng)活塞向后運(yùn)動(dòng)。活塞的這種直線運(yùn)動(dòng)通過連桿和曲軸轉(zhuǎn)換成圓周運(yùn)動(dòng)。這種發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)常被通稱為內(nèi)燃機(jī)，盡管內(nèi)燃機(jī)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(dòng)機(jī)的往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)的能源。這種情況下是利用非常高的蒸氣壓力來驅(qū)動(dòng)活塞。蒸氣能的大部分利用中，活塞發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)被更為高效的渦輪機(jī)所取代，由于要求有更高的力矩活塞已經(jīng)更多的運(yùn)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(jìn)氣、壓縮、點(diǎn)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(jìn)氣、壓縮、點(diǎn)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(jìn)氣、壓縮、點(diǎn)火與排氣過程，相當(dāng)于往復(fù)式引擎運(yùn)轉(zhuǎn)兩周，因此具有小排氣量就能成就高動(dòng)力輸出的優(yōu)點(diǎn)(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(yùn)轉(zhuǎn)特性，它不需要精密的曲軸平衡就可以達(dá)到非常高的運(yùn)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速。

通常簡稱為轉(zhuǎn)子引擎，又稱為三角旋轉(zhuǎn)活塞發(fā)動(dòng)機(jī)，是四行程內(nèi)燃機(jī)的一種，由德國工程師菲力·汪克爾(Felix Wankel)在1959年時(shí)發(fā)明，因此又稱為汪克爾引擎。與傳統(tǒng)的往復(fù)式活塞引擎不同的是，轉(zhuǎn)子引擎的運(yùn)轉(zhuǎn)元件(稱為轉(zhuǎn)子，Rotor，其斷面造型類似一個(gè)三角形)是與輸出軸同樣采軸向運(yùn)轉(zhuǎn)，而不需利用杠桿與凸輪結(jié)構(gòu)將輸出的力量轉(zhuǎn)向，因而減少了運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)能量的耗損。

轉(zhuǎn)子引擎的動(dòng)力軸每旋轉(zhuǎn)一圈就作功一次，與一般的四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)每旋轉(zhuǎn)兩圈才作功一次相比，具有高馬力容積比(引擎容積較小就能輸出較多動(dòng)力)的優(yōu)點(diǎn)。另外，由于轉(zhuǎn)子引擎的軸向運(yùn)轉(zhuǎn)特性，它不需要精密的曲軸平衡就能達(dá)到較高的運(yùn)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速。整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)只有兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)部件，與一般的四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)具有進(jìn)、排氣活門等二十多個(gè)活動(dòng)部件相比結(jié)構(gòu)大大簡化，故障的可能性也大大減小。除了以上的優(yōu)點(diǎn)外，轉(zhuǎn)子引擎的優(yōu)點(diǎn)亦包括體積較小、重量輕、低重心等。

相對地，由于轉(zhuǎn)子引擎的三個(gè)燃燒室并非完全隔離，因此在引擎使用一段時(shí)間之后容易因?yàn)橛头獠牧夏p而造成漏氣問題，大幅增加油耗與污染。其獨(dú)特的機(jī)械結(jié)構(gòu)也造成這類引擎較難維修。

雖然轉(zhuǎn)子引擎具有以小排氣量、利用高轉(zhuǎn)速而產(chǎn)生高輸出的特性，但由于運(yùn)轉(zhuǎn)特性與往復(fù)式引擎的不同，世界各國在制訂與引擎排氣量相關(guān)的稅則時(shí)，皆是以轉(zhuǎn)子引擎的實(shí)際排氣量乘以二來作為與往復(fù)式引擎之間的比較基準(zhǔn)。舉例來說，日本馬自達(dá)(Mazda)旗下搭載了轉(zhuǎn)子引擎的RX-8跑車，其實(shí)際排氣量雖然只有1308立方厘米，但在日本國內(nèi)卻是以2616立方厘米的排氣量來作為稅級計(jì)算的基準(zhǔn)。

燃燒室內(nèi)產(chǎn)生的高溫高壓燃?xì)馔苿?dòng)活塞旋轉(zhuǎn)以產(chǎn)生動(dòng)力的內(nèi)燃機(jī)。動(dòng)力由主軸輸出。自1876年德國人N.A.奧托發(fā)明往復(fù)活塞式內(nèi)燃機(jī)后，人們就曾試圖創(chuàng)制轉(zhuǎn)子式內(nèi)燃機(jī)，但都因轉(zhuǎn)子密封問題而失敗。雖然旋轉(zhuǎn)活塞式泵和壓縮機(jī)等已獲得應(yīng)用，但是旋轉(zhuǎn)活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)直到1954年聯(lián)邦德國工程師F.汪克爾在密封技術(shù)上有了突破之后才得以實(shí)現(xiàn)。他于1957年制成第一臺(tái)旋轉(zhuǎn)活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)，有人稱之為汪克爾發(fā)動(dòng)機(jī)。它經(jīng)過改進(jìn)具有功率高、振動(dòng)小、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)簡單輕小等優(yōu)點(diǎn)。但這種發(fā)動(dòng)機(jī)只適用于高轉(zhuǎn)速，因燃料經(jīng)濟(jì)性差低速性能不佳，排氣性能也不太理想，故未能廣泛使用。至80年代僅用在個(gè)別型號轎車以及極少數(shù)直升飛機(jī)、雪橇和舷外機(jī)上。

三角旋轉(zhuǎn)活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)是，它用轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)代替了往復(fù)機(jī)活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。它的三角轉(zhuǎn)子(即類似三角形的活塞)在雙圓弧外旋輪線的缸體(類似8字形的缸體)中作行星旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，旋子三個(gè)頂端的三個(gè)徑向密封片始終貼著缸體型面滑動(dòng)，利用轉(zhuǎn)子輪廓與缸體型面之間容積的周期性變化，成功地實(shí)現(xiàn)了往復(fù)機(jī)的四行程工作循環(huán)，即:進(jìn)氣、壓縮、膨脹做功和排氣。轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，作用在轉(zhuǎn)子弧面上的燃燒氣體壓力推動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而帶動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn)輸出動(dòng)力。它與往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)相比，省去了復(fù)雜的曲軸連桿機(jī)構(gòu)和配氣機(jī)構(gòu)。同時(shí)，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周，轉(zhuǎn)子三個(gè)面所對應(yīng)的三個(gè)工作室各自完成一次熱力做功循環(huán)。這就是轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)比往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、體積小的原因所在。

三角轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)也有它本身的弱點(diǎn)。由于其氣缸密封線比往復(fù)機(jī)長，因此發(fā)動(dòng)機(jī)在低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的氣體泄漏就高于往復(fù)機(jī);加之，旋轉(zhuǎn)活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室狹長，面容比大，相應(yīng)旋轉(zhuǎn)活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)的低速動(dòng)力性能和燃料經(jīng)濟(jì)性也低于往復(fù)機(jī)(旋轉(zhuǎn)活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)的高速動(dòng)力性優(yōu)于往復(fù)機(jī))。隨著轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工藝、材料的不斷改進(jìn)和提高，特別是采用了分層燃燒技術(shù)以后，其差距正在逐步縮小，目前其燃料經(jīng)濟(jì)性已可以與先進(jìn)的汽油往復(fù)機(jī)相媲美。另外，隨著不斷地強(qiáng)化試驗(yàn)和改進(jìn)，其使用壽命正在日益接近往復(fù)機(jī)的水平。

轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的缺點(diǎn)是不容忽視的，人們正在以不斷的努力加以改進(jìn)和克服。然而，旋轉(zhuǎn)活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)則更為突出，試以雙缸汽油轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)為例，與一般同功率指標(biāo)先進(jìn)的6-8缸汽油往復(fù)機(jī)相比，它的自重僅為往復(fù)機(jī)的50-70%，體積約小30-50%，發(fā)動(dòng)機(jī)零件總數(shù)約少20-40%，運(yùn)動(dòng)件數(shù)少40-60%，在生產(chǎn)批量相等的情況下，旋轉(zhuǎn)活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)的生產(chǎn)成本約為同功率往復(fù)機(jī)的80%。在實(shí)際使用中表明，轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)還以運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、振動(dòng)小、噪音小、高速性能好、易于系列化等技術(shù)特點(diǎn)優(yōu)于往復(fù)活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)。這就是為什么旋轉(zhuǎn)活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)能夠得到不斷發(fā)展的根本原因。