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第四节 飞机的动力装置（第1页）

第四节飞机的动力装置

飞机的动力装置是指为飞机前进提供动力的整个系统。它包括发动机、螺旋桨、辅助动力装置及其他附件。而其中最主要的部分是航空发动机，人们往往把飞机的发动机比喻为飞机的“心脏”。与航空器的发展历程一样，航空发动机也经历了百余年的发展历史。1903年莱特兄弟将活塞式发动机和螺旋桨装于他们制造的一架双翼飞机，完成了人类历史上的首次依靠自身动力起飞的飞行，开创了飞行的新纪元，也掀开了航空动力装置发展的篇章。

航空发动机可分为活塞式发动机和喷气式发动机两大类，它们都是把燃料燃烧后放出的热能转换为机械能的热力发动机。在第二次世界大战以前飞机的动力装置是由航空活塞式发动机和螺旋桨组成。随着飞机的飞行速度和高度的增加，活塞式发动机的功率和螺旋桨的效率会急剧下降，活塞式发动机已不能满足需要。20世纪30年代末研制出了涡轮喷气发动机，飞机的动力装置有了第二种不同的形式。到了20世纪50年代在涡轮喷气发动机的基础上发展出了涡轮风扇发动机、涡轮轴发动机和涡轮螺旋桨发动机，20世纪70年代又产生了桨扇发动机。现代高速飞机都使用了喷气式发动机，在小型、低速飞机上，由于经济性好、易维护，活塞式发动机还在大量使用。飞行器上发动机的分类如下。

其中喷气发动机根据燃料燃烧时所需要的氧化剂的来源不同，可分为两大类：一类是空气喷气发动机，它自身携带燃料，燃烧时需要利用空气中的氧气作为氧化剂，因此使用中不能脱离大气层。另一类是火箭发动机，它自带燃料和氧化剂，在大气层内和太空中都能使用，目前它是航天器唯一的动力装置。现在民用飞机使用的喷气式发动机都是带压气机的，本节只介绍民航飞机上使用的活塞式发动机和带压气机的空气喷气发动机。

小贴士

世界主要民用航空发动机制造商有：通用电气公司（GE公司）、罗尔斯?罗伊斯公司（罗罗公司）、普拉特?惠特尼公司、CFM国际发动机公司、国际航空发动机公司、发动机联盟。

一、活塞式发动机

活塞式发动机是一种四冲程汽油内燃机，发动机工作时输出的扭矩通过减速器降低速度后带动螺旋桨，螺旋桨旋转产生拉力或推力为飞机提供前进的动力。

（一）组成和分类

活塞式发动机的主要组成部分包括：汽缸、活塞、连杆、曲轴、机匣、进排气门机构和工作系统（见图2-66）。

图2-66活塞式发动机结构

活塞式发动机按活塞的运动方式分为往复式活塞发动机和转子活塞发动机；按喷油的形式分为汽化器式和直喷式；按冷却方式可分为液冷式和气冷式。

（二）基本工作原理

活塞式发动机工作时，汽油和空气混合后在汽缸中燃烧，产生高温高压燃气，燃气膨胀推动活塞运动，活塞带动连接在活塞上的连杆，推动曲轴转动（见图2-67）。活塞在气缸内运动到最上方的位置叫做上死点，最下方的位置叫下死点。活塞从上死点往下死点或从下死点往上死点运动一次叫一个冲程。活塞发动机的工作过程由进气、压缩、工作和排气四个冲程组成。

进气冲程：活塞从上死点开始向下死点运动，汽缸内容积变大，此时进气活门打开而排气活门关闭，空气和汽油混合的新鲜气体进入汽缸内，当活塞运动到下死点时，进气活门关闭，进气冲程结束。此时，汽缸内充满了新鲜的混合气。

图2-67活塞式发动机工作原理

压缩冲程：进气冲程结束后，活塞在曲轴和连杆的带动下向上死点运动，此时进气活门和排气活门都处在关闭位置，气缸内的空间变小，对混合气进行压缩，以便燃烧后膨胀做功。当活塞运动到上死点时，压缩冲程结束，混合气的压力和温度都升高，为燃烧做好了准备。现代航空活塞发动机压缩冲程结束后，混合气的压力将达到10余个大气压，温度400℃左右。

工作冲程：当压缩冲程结束的那一瞬间，气缸内的火花塞（又叫电咀）通电产生电火花，混合气被点燃并燃烧，产生的燃气温度和压力急剧升高（温度可达2500℃，压力可达50～75个标准大气压），燃烧后的高温高压燃气膨胀，推动活塞向下运动，对活塞做功。活塞通过连杆带动曲轴旋转，这时汽油燃烧的热能转变为曲轴转动的机械能。当活塞运动到下死点时，工作冲程结束。

排气冲程：工作冲程结束后，曲轴在惯性作用下通过连杆带动活塞从下死点开始向上死点运动，此时排气活门打开而进气活门关闭，随着活塞的向上运动，燃烧后的废气不断地从排气门排出。当活塞到达上死点时，排气活门关闭，进气活门打开，进入下一个工作循环的进气冲程。

图2-68星形布局发动机

可见，活塞发动机在一个工作循环内，交替完成了进气、压缩、工作和排气四个冲程，一个工作循环，活塞往复运动两次，曲轴转动两圈，其中只有工作冲程是燃料燃烧做功，将燃料的化学能转变成曲轴转动的机械能，其余3个冲程都是靠曲轴转动的惯性通过连杆带动活塞完成的，也就是说活塞发动机的工作中，燃料燃烧、能量转化并不是连续的。

为了使发动机能够连续稳定工作，航空用活塞发动机采用多汽缸结构（5～28缸），大多采用星形布局（见图2-68）。多个气缸围绕曲轴排成一圈或两圈，各汽缸交替工作，保证任何时候都有气缸在做功，使发动机连续稳定地工作。

（三）活塞式发动机的工作系统

活塞式发动机能够连续不断地工作，除了在结构上的主要组成部分之外，还必须要有各个工作系统进行配合工作。活塞式发动机的工作系统主要有：进气系统、点火系统、润滑系统、冷却系统和启动系统。

进气系统的作用是将从燃油泵来的燃油汽化，以便与空气均匀地混合，组成混合比适当的混合气，满足发动机在各种工作情况下的需要。航空活塞式发动机上采用的进气系统有两种：一种是汽化器式燃料系统，此系统是在发动机的进气管路中将被汽化器雾化的燃油喷入，并与空气进行混合组成混合气然后进入汽缸内。另一种是直接喷射式燃料系统，此系统是在进气冲程中将燃料直接喷入到汽缸内与空气进行混合组成混合气。

小贴士

混合比适当，是指混合气中的汽油完全燃烧时，吸入的氧气也消耗完了。如果汽油完全燃烧而氧气未消耗完，叫做贫油，发动机功率会下降；如果氧气消耗完而汽油未完全燃烧，称为富油，发动机功率下降、冒黑烟，经济性降低。

点火系统是利用高压电产生电火花的方法来点燃混合气，主要由产生高压电的磁电机和点火分配器及火花塞组成，发动机工作时磁电机产生高压电，并通过点火分配器按发动机的点火顺序将高压电输送至各汽缸的火花塞，火花塞产生电火花点燃混合气。

图2-69发动机散热风门

润滑系统是把数量足够和黏度适当的滑油循环、不间断地输送至汽缸，使汽缸和活塞之间得到良好的润滑和冷却，达到减少摩擦、降低磨损、清洁和防腐的目的。润滑系统由滑油箱、滑油泵、滑油滤、滑油散热装置和管道组成。