飞行基础知识 第五课 发动机运转

子曰：课程日渐多，头发月间少>.<

今天我们将继续学习小型飞行常用的四冲程活塞发动机，一些专属名字可以结合前一篇文章《飞行基础知识 第四课》里面的学习内容加以理解贯通

正如名字所描述“四冲程”即是发动机运转分为四个过程：进气，压缩，做功，排气

首先加入一张四冲程动态图片帮助理解，同学们可以结合图片理解下面的各种定义

活塞发动机四冲程示意图

在这个行程中，凸轮轴推动连杆和摇臂使进气阀打开，活塞向下移动，燃烧室空间变大气压减小进而从进气阀吸入燃油混合气体

因为发动机的输出功率大小是由燃油混合气体吸入燃烧做功次数来决定，所以功率大小由油门决定

通俗讲法是：加大油门，发动机转动越快，短时间内燃烧做功次数也就越多，输出功率自然越大

进气冲程示意图

一旦进气循环结束进气阀关闭，活塞开始向上移动压缩混合气体，由于混合气的压缩，温度也会升高。增加混合物的压力，可以提高点火时产生的能量

压缩冲程示意图

当活塞到达压缩冲程的顶部时，火花（从火花塞里产生）点燃被压缩的混合物。混合物被点燃，释放出大量的热量从而使气缸内压力急剧增大，因为两个阀门都保持关闭，迫使在活塞向下移动。膨胀的气体继续向下移动活塞

做功冲程中，在气缸内压力推动作用下，活塞推动连杆向下运动，连杆则带动曲轴转动，直到混合气体完全燃烧作用在气缸上面的压力慢慢减小

做功冲程示意图

当活塞现在处于做功冲程的底部时，排气阀由凸轮轴凸轮推动推杆和摇臂打开。在惯性的作用下，当活塞回到活塞顶部时，迫使燃烧后的气体通过打开的排气阀门进入排气歧管逸出，然后进入大气层

在排气冲程结束时，排气阀关闭，进气阀打开，循环再次开始

排气冲程示意图

点火时机

从理论上讲，开合阀门，以及点火时机应该在活塞运动的最上部和最下部进行

即上止点（TDC Top Dead Centre）或下止点（BDC Bottom Dead Centre）

如下图：标准曲轴旋转720˚以完成1个循环

理论上的阀门开闭和点火时机

但是常规运转中就需要考虑更多的影响因素：

1. 阀门打开关闭本身，需要时间
2. 当阀门打开时，由于惯性作用，气体从静止到流动进入或流出阀门，需要时间
3. 混合气体被点燃，到燃烧的气体膨胀到最大压力，需要时间
4. 进气和排气歧管可以通过的气体流量受限，完全注入混合气体和排出燃烧废气，需要时间等等

还需要考虑这样一个事实，曲轴转动一圈时，活塞有两次到达最小行程，即活塞出现在顶部和底部各一次。

活塞到达最小行程附近时，有一小段时间气缸内体积变化不大，而在这期间提早打开进气阀或延迟关闭排气阀（提早或延迟看具体哪个冲程），可以提高发动机功率

如下图，曲轴运动到上止点之前的45˚，活塞运动距离小，燃烧室体积变化小

如下图，曲轴运动到冲程中间的45˚，活塞运动距离大，燃烧室体积变化大

比如压缩冲程，当活塞接近活塞顶部时，其行程也会减小。在到达压缩冲程的上止点 TDC 之前点燃混合气体，使被点燃的气体有充分的时间燃烧释放压力，以便做功冲程活塞开始向下运动时获得最大压力，提早点燃时间大约是30度 ATDC Ahead Top Dead Centre。 这也确保了活塞上膨胀气体的压力对连杆施加最大的力，且正好在最有效的曲柄角

实际的开关阀门及点火时间安排（也被称为改良奥托循环 modified Otto Cycle）如下图

改良奥托循环 modified Otto Cycle

1. 进气冲程：进气冲程上止点 TDC 之前，进气阀打开（这称之为气门超前），并保持打开超过下止点 BDC 再关闭（这称之为气门滞后）。这些提前与滞后增加了混合气进入气缸的时间，从而提高容积效率（使一定的体积内进入更多混合气体，可以燃烧产生更大的压力）
2. 压缩冲程：在压缩冲程中，火花塞在上止点 TDC 之前30º点火，这可确保提前达到最大燃烧压力作用在动力冲程（最大压力大约在上止点 TDC 之后30°）
3. 做功冲程：做功冲程下止点 BDC 之前，排气阀在打开（这称之为气门超前）。这个意味着燃烧废气在下止点 BDC 之前开始从气缸中流出，从而确保燃烧室内的废气被彻底排出
4. 排气冲程：排气冲程中，排气阀继续超过上止点 TDC 之后关闭，与进气冲程部分重叠（这称之为气门滞后）。因此，进气冲程和排气冲程转换的阶段，两个阀门都打开（阀门重叠）。废气快速排出气缸造成部分真空状态同时也促进了新的混合油气进入，这种快速的气体流转提高了燃烧室容积效率（一定的体积，吸入更多的混合气体燃烧做功，容积效率越高）

气缸内压力对应冲程及对应曲轴转动角度示意图

容积效率 VOLUMETRIC EFFICIENCY

容积效率是指进气量 Volume of charge admitted into the cylinder（空气和燃料混合物）与理想条件下可以进入气缸的量 Piston displacement Volume（活塞位移）的比值

容积效率

在常温和正常压力下，一个完全等于活塞排量的混合气体被吸入气缸，那么此发动机将具有100%的容积效率

通常自然吸气（非涡轮增压）活塞发动机的容积效率约为70%-80%，而涡轮增压发动机能够达到100%甚至是超过100%。

因此，容积效率可以通过测量发动机进气歧管吸入的空气量，将空气量转换为体积，最后将此气体体积与活塞排量进行比较。

热效率 THERMAL EFFICIENCY

活塞发动机实际上效率十分低下，燃油中大约只有30%左右的能量被转换为有用功！在燃烧过程中，产生大量的热量，并通过发动机部件冷却散发和废气排放到大气中

热效率是发动机实际产生的动力与理论上燃料蕴含的化学能的比值，大多数活塞发动机在热效率约为30%

热效率与能量流失示意图

压缩比 COMPRESSION RATIO

发动机的压缩比是气缸总容积 Total Volume 与气缸间隙容积 Clearance Volume 的比值

压缩比

活塞在行程中扫过的区域称为压缩容积 Swept Volume，活塞上方的未被扫过区域称为间隙容积 Clearance Volume

间隙容积是点燃混合气体的地方，通常被认为是一个恒定的容积。提高压缩比可以增加发动机功率

输出

气缸总容积和压缩容积和间隙容积示意图

有效曲柄角 EFFECTIVE CRANK ANGLE

能量的传输最有效率点就是有效曲柄角，是当连杆和曲轴角度为90°，此时活塞推力从连杆传递到曲轴具有最长的的力臂，如果同时施加最大的推力，将会产生最大的力矩。故而提早点燃时间大约是30度，使被点燃的气体有充分的时间燃烧释放压力，以便活塞上膨胀气体的压力对连杆施加最大的力，且正好在最有效的曲柄角

当曲轴从上止点开始转动到大约120°，杠杠作用在此点将消失，排气阀也随之打开

有效曲柄角示意图

震爆 DETONATION

燃料在发动机中不受控制地燃烧，产生一系列爆炸，由于锤击作用和压力过大而损坏活塞和气缸盖，称之为震爆

气缸内的正常火焰速度为80英尺/秒，震爆火焰速度超过1000英尺/秒！！

震爆发生时可以在发动机处听到敲缸的碰碰声音，同时也可造成如下图活塞破裂，连杆弯折等等损伤

震爆的发生总是伴随着高温现象，可能是由于混合气过稀和气缸盖温度过高引起的，尤其是与低转速结合时。也就是说，这可能发生在发动机突然加大功率，例如在混合气过稀的情况下突然加大油门

使用辛烷值过低的燃料（不符合标准的低标号燃油）也可能会引起震爆，或是在环境温度较高时使用燃料加热也会可能产生震爆

如果怀疑爆震或听到爆震声解决办法如下：

1. 使混合气体变浓
2. 降低气缸中的压力（即减小油门）
3. 提高飞机空速以帮助冷却发动机

震爆导致活塞破裂

震爆导致连杆弯折