王裕平

裝有活塞式航空發(fā)動(dòng)機(jī)的飛機(jī)為什么會(huì)飛？

大家都知道竹蜻蜓(圖1)，只要用雙手一搓，手放開(kāi)后，它就自由的旋轉(zhuǎn)起來(lái)，向高處和遠(yuǎn)處，飛行一段距離。這就是飛機(jī)上所用的螺旋槳的始祖，它是我國(guó)科學(xué)家在明朝(公元1400年前后)時(shí)發(fā)明創(chuàng)造的，對(duì)近代航空事業(yè)作出了很大的貢獻(xiàn)。竹蜻蜓，也就是螺旋槳，當(dāng)它旋轉(zhuǎn)時(shí)向后面打動(dòng)空氣，產(chǎn)生了作用在槳葉上的反作用力，因而這個(gè)力就推動(dòng)了竹蜻蜓，使它向高處和遠(yuǎn)處飛行。但是竹蜻蜓旋轉(zhuǎn)的時(shí)候槳葉要受到空氣給它的阻力，會(huì)漸漸慢下來(lái)到停止轉(zhuǎn)動(dòng)為止，因此，竹蜻蜓也就只能飛行一段不大的距離就會(huì)落下來(lái)了。顯然，要叫它能作較長(zhǎng)時(shí)間的飛行，就必需設(shè)法使它不斷地旋轉(zhuǎn)才成。要達(dá)到這個(gè)目的，就必需使它和一個(gè)動(dòng)力源的轉(zhuǎn)軸聯(lián)在一起，而且這個(gè)動(dòng)力源要能在較長(zhǎng)的時(shí)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(dòng)力源裝在飛機(jī)上面，將它開(kāi)動(dòng)起來(lái)，就可以產(chǎn)生一個(gè)不斷的拉力，使飛機(jī)長(zhǎng)時(shí)間地在空中飛行。

圖1竹蜻蜓

這樣的動(dòng)力源我們就叫做螺旋槳式航空發(fā)動(dòng)機(jī)。它可以是活塞式航空發(fā)動(dòng)機(jī)，也可以是渦輪螺旋槳噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)。后者本刊已有介紹，現(xiàn)在我們?cè)賮?lái)談一下活塞式航空發(fā)動(dòng)機(jī)。

活塞式航空發(fā)動(dòng)機(jī)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(jī)向前飛，但是，螺旋槳旋轉(zhuǎn)的時(shí)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(dòng)機(jī)供給的。可是發(fā)動(dòng)機(jī)的能量又是從那里來(lái)的呢？它的來(lái)源就是化學(xué)燃料(如汽油)燃燒時(shí)所產(chǎn)生出來(lái)的熱能?；钊胶娇瞻l(fā)動(dòng)機(jī)就是將熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械功的一種機(jī)器，稱為熱機(jī)。它所用的燃料通常都是在燃燒后能產(chǎn)生相當(dāng)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(diǎn)燃，而且燃燒的速度也很快，使熱能迅速的解放出來(lái)。如果我們叫混合氣在有限制的容積里燃燒放熱，就會(huì)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(méi)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(gè)壓力可以被用來(lái)推動(dòng)機(jī)件工作。這樣，我們就成功地將燃料的熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械功了。只要向這樣的熱機(jī)里不斷供給燃料與空氣的混合氣，和排除掉已經(jīng)燒過(guò)的和工作過(guò)的廢氣，使混合氣不斷地燃燒放熱，就能不斷地對(duì)外作機(jī)械功?；钊胶娇瞻l(fā)動(dòng)機(jī)就是依照這種道理來(lái)工作的一種熱機(jī)。究竟它是怎樣工作的呢？將熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的部分，是什么樣的一種機(jī)構(gòu)呢？現(xiàn)在我們不妨來(lái)看一下這些問(wèn)題。

圖2是活塞發(fā)動(dòng)機(jī)中將燃料燃燒后所產(chǎn)生的熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)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(dòng)活塞，使活塞在氣缸里來(lái)回地作直線運(yùn)動(dòng)，然后再經(jīng)過(guò)連桿曲軸機(jī)構(gòu)，形成了曲軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)?；钊跉飧桌镒魍鶑?fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)所能達(dá)到的最高點(diǎn)位置叫做上死點(diǎn)，最低點(diǎn)位置叫做下死點(diǎn)，如圖2所示，上下兩死點(diǎn)之間的距離是活塞在氣缸里運(yùn)動(dòng)的最大距離，叫做活塞的沖程?；钊咄陜蓚€(gè)沖程時(shí)曲軸旋轉(zhuǎn)一周。

圖2曲軸連桿機(jī)構(gòu)

由混合氣進(jìn)入氣缸，經(jīng)過(guò)一連串的過(guò)程，把燃燒所放出來(lái)的熱能轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)動(dòng)曲軸的機(jī)械功，到下一次新的混合氣再進(jìn)入氣缸的這一段時(shí)間里，氣體在氣缸內(nèi)所經(jīng)過(guò)的各個(gè)過(guò)程的總和，叫作一個(gè)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(diǎn)在于通過(guò)它完成了將熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)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(gè)沖程，才完成一個(gè)熱循環(huán)的發(fā)動(dòng)機(jī)叫作四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)，活塞式航空發(fā)動(dòng)機(jī)差不多都是四沖程的。

四沖程活塞式航空發(fā)動(dòng)機(jī)每完成一個(gè)熱循環(huán)所經(jīng)歷的四個(gè)沖程可用圖3四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)工作原理圖來(lái)表示。它們是：

圖3四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)工作原理圖

(一)進(jìn)氣沖程——在進(jìn)氣沖程里排氣門(mén)緊閉，進(jìn)氣門(mén)開(kāi)放，活塞從上死點(diǎn)向下死點(diǎn)移動(dòng)，氣缸內(nèi)的容積逐漸加大，新鮮混合氣經(jīng)過(guò)進(jìn)氣門(mén)被吸入氣缸。

(二)壓縮沖程——進(jìn)氣沖程完了后，曲軸在慣性力的作用下繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，活塞開(kāi)始從下死點(diǎn)向上滑動(dòng)，同時(shí)進(jìn)氣門(mén)也關(guān)閉。氣缸里的氣體受到壓縮。直到活塞達(dá)到上死點(diǎn)時(shí)，被壓縮于氣缸頂部與活塞之間的燃燒室內(nèi)。這時(shí)的氣體壓力可以達(dá)到10個(gè)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(shí)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(diǎn)時(shí)氣缸內(nèi)容積與燃燒室容積的比值來(lái)衡量，這個(gè)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(dá)上死點(diǎn)后，裝在氣缸頭上的一個(gè)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(diǎn)燃，燃燒過(guò)程進(jìn)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(dá)到50到75個(gè)大氣壓力，最高溫度可達(dá)到2000℃以上。

這時(shí)兩個(gè)氣門(mén)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(diǎn)運(yùn)動(dòng)，并通過(guò)連桿曲軸機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)換為發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，帶轉(zhuǎn)螺旋槳使飛機(jī)前進(jìn)。

在四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)都是多氣缸發(fā)動(dòng)機(jī)，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(yùn)動(dòng)是由與同一曲軸相聯(lián)的其他氣缸所產(chǎn)生的力來(lái)帶動(dòng)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(dòng)，由于慣性，活塞從下死點(diǎn)向上死點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)排氣門(mén)開(kāi)放，使工作后的廢氣經(jīng)排氣門(mén)排入外界大氣中去。當(dāng)活塞到達(dá)上死點(diǎn)時(shí)，絕大部分廢氣都已被排出，在活塞重新由上死點(diǎn)開(kāi)始向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，排氣門(mén)關(guān)閉，而進(jìn)氣門(mén)又重新開(kāi)放，新鮮混合氣又被吸入氣缸，因此，下一個(gè)循環(huán)又開(kāi)始了。