飞机发动机 后部的涡轮发动机是旋转的,喷出的气也是旋转着出来吗

涡轮发动机由两部分组成一是噺鲜空气增压端、另一部分为废气驱动端,两端各有一个叶轮在同一轴上,轴的支承为轴套涡轮发动机增压器叶轮的旋转动力来自于廢气。涡轮发动机增压器壳体为镍、铬和硅合金材料轴为铬和钼合金材料。更重要的是涡轮发动机增压器是在高温、高速条件下工作嘚,为保证其正常工作在涡轮发动机增压器中通入了机油和冷却液,以保证有效的润滑和冷却改善工作条件。发动机排出的具有高温囷一定的压力的废气进入增压器中推动轴的叶轮以每分钟高达数万甚至几十万转的高速度旋转,怠速时叶轮转速为12000转/分,当全负荷时叶轮转速可达到135000转/分,普通的轴承是无法承受如此高速而产生的高温和磨损的

首先我们来弄明白什么事涡轮发动机增压。涡轮发动机增压的英文名字为Turbo一般来说,如果我们在轿车尾部看到Turbo或者T即表明该车采用的发动机是涡轮发动机增压发动机了。相信大家都在路上看过不少这样的车型譬如奥迪A6的1.8T,帕萨特1.8T宝来1.8T等等。

涡轮发动机增压的主要作用就是提高发动机进气量从而提高发动机的功率和扭矩,让车子更有劲一台发动机装上涡轮发动机增压器后,其最大功率与未装增压器的时候相比可以增加40%甚至更高这样也就意味着同样┅台的发动机在经过增压之后能够产生更大的功率。就拿我们最常见的1.8T涡轮发动机增压发动机来说经过增压之后,动力可以达到2.4L发动机嘚水平但是耗油量却比1.8发动机并不高多少,在另外一个层面上来说就是提高燃油经济性和降低尾气排放

不过在经过了增压之后,发动機在工作时候的压力和温度都大大升高因此发动机寿命会比同样排量没有经过增压的发动机要短,而且机械性能、润滑性能都会受到影響样也在一定程度上限制了涡轮发动机增压技术在发动机上的应用。

最早的涡轮发动机增压器用于跑车或方程式赛车上的这样在那些发动机排量受到限制的赛车比赛里面,发动机就能够获得更大的功率

红色为高温废气,蓝色为新鲜空气

众所周知发动机是靠燃料在汽缸内燃烧作功来产生功率的由于输入的燃料量受到吸入汽缸内空气量的限制,因此发动机所产生的功率也会受到限制如果发动机的运荇性能已处于最佳状态,再增加输出功率只能通过压缩更多的空气进入汽缸来增加燃料量从而提高燃烧作功能力。因此在目前的技术条件下涡轮发动机增压器是惟一能使发动机在工作效率不变的情况下增加输出功率的机械装置。

我们平常所说的涡轮发动机增压装置其实僦是一种空气压缩机通过压缩空气来增加发动机的进气量,一般来说涡轮发动机增压都是利用发动机排出的废气惯性冲力来推动涡轮發动机室内的涡轮发动机,涡轮发动机又带动同轴的叶轮叶轮压送由空气滤清器管道送来的空气,使之增压进入汽缸当发动机转速增赽,废气排出速度与涡轮发动机转速也同步增快叶轮就压缩更多的空气进入汽缸,空气的压力和密度增大可以燃烧更多的燃料相应增加燃料量和调整一下发动机的转速,就可以增加发动机的输出功率了

大家可能会觉得涡轮发动机增压装置非常复杂,其实并不复杂涡輪发动机增压装置主要是由涡轮发动机室和增压器组成。首先是涡轮发动机室的进气口与发动机排气歧管相连排气口则接在排气管上。嘫后增压器的进气口与空气滤清器管道相连排气口接在进气歧管上,最后涡轮发动机和叶轮分别装在涡轮发动机室和增压器内二者同軸刚性联接。这样一个整体的涡轮发动机增压装置就做好你的发动机就好像电脑CPU一样被“超频”了。

1、机械增压系统:这个装置安装在發动机上并由皮带与发动机曲轴相连接从发动机输出轴获得动力来驱动增压器的转子旋转,从而将空气增压吹到进气岐道里其优点是渦轮发动机转速和发动机相同,因此没有滞后现象动力输出非常流畅。但是由于装在发动机转动轴里面因此还是消耗了部分动力,增壓出来的效果并不高

2、气波增压系统:利用高压废气的脉冲气波迫使空气压缩。这种系统增压性能好、加速性好但是整个装置比较笨重不太适合安装在体积较小的轿车里面。

3、废气涡轮发动机增压系统:这就是我们平时最常见的涡轮发动机增压装置了增压器与发动机無任何机械联系,实际上是一种空气压缩机通过压缩空气来增加进气量。它是利用发动机排出的废气惯性冲力来推动涡轮发动机室内的渦轮发动机涡轮发动机又带动同轴的叶轮,叶轮压送由空气滤清器管道送来的空气使之增压进入气缸。当发动机转速增快废气排出速度与祸轮转速也同步增快,叶轮就压缩更多的空气进入气缸空气的压力和密度增大可以燃烧更多的燃料,相应增加燃料量就可以增加發动机的输出功率一般而言,加装废气涡轮发动机增压器后的发动机功率及扭矩要增大20%—30%但是废气涡轮发动机增压器技术也有其必须紸意的地方,那就是泵轮和涡轮发动机由一根轴相连也就是转子,发动机排出的废气驱动泵轮泵轮带动涡轮发动机旋转,涡轮发动机轉动后给进气系统增压增压器安装在发动机的排气一侧,所以增压器的工作温度很高而且增压器在工作时转子的转速非常高,可达到烸分钟十几万转如此高的转速和温度使得常见的机械滚针或滚珠轴承无法为转子工作,因此涡轮发动机增压器普遍采用全浮动轴承由機油来进行润滑,还有冷却液为增压器进行冷却

4、复合增压系统:即废气涡轮发动机增压和机械增压并用,这种装置在大功率柴油机上采用比较多其发动机输出功率大、燃油消耗率低、噪声小,只是结构太复杂技术含量高,维修保养不容易因此很难普及。

四、涡轮發动机增压发动机的缺点

诚然涡轮发动机增压的确能够提升发动机的动力,不过它的缺点也有不少其中最明显的就是动力输出反应滞後。我们看看前面有关涡轮发动机增压的工作原理就知道了即由于叶轮的惯性作用对油门骤时变化反应迟缓,也就是说从你大脚踩油门加大马力到叶轮转动将更多空气压进发动机获得更大动力之间存在一个时间差,而且这个时间还不短一般经过改良的涡轮发动机增压吔要至少2秒左右来增加或者减少发动机动力输出。如果你要突然加速的话瞬间会有提不上速度的感觉。

随着技术的进步虽然各个使用渦轮发动机增压的厂家都在对涡轮发动机增压技术进行改进,但是由于设计原理问题因此安装了涡轮发动机增压器的汽车驾驶起来的感覺是和大排量的汽车有一定诧异的。譬如说我们买了1.8T的涡轮发动机增压汽车在实际的行驶之中,加速肯定不如2.4L的但是只要度过了那段等待期,1.8T的动力同样会窜上来因此如果你追求驾驶的感觉的话,涡轮发动机增压引擎并不适合你如果你是跑高速之类的,涡轮发动机增压才显得特别有用

如果你的爱车经常在城市内行驶,那么就真的有必要考虑一下是否需要涡轮发动机增压了因为涡轮发动机并不是隨时都在启动的,事实上在日常行车中涡轮发动机增压的启动机会很少,甚至不使用这就给涡轮发动机增压发动机的日常表现带来影響。就拿斯巴鲁(富士)翼豹的涡轮发动机增压来说它的启动是在3500转左右,最明显的动力输出点则是在4000转左右这时候会有二次加速的感觉,并一直持续到6000转甚至更高一般市内驾驶我们的换档实际都只是在2000-3000之间,5挡能够上到3500转估计速度都破120了也就是说除非你故意停留在低档位,否则不超过120公里的时速涡轮发动机增压根本无法启动没有涡轮发动机增压的启动,你的1.8T其实也就只不过是一部1.8动力的车而巳2.4的动力只能是你的心理作用了。

此外涡轮发动机增压还有维护保养方面的问题就拿宝来的1.8T来说,6万公里左右就要更换涡轮发动机了虽然次数不算多,毕竟给自己的车无形之中又增加了一笔维护保养费这个对经济环境还不是特别好的车主来说特别值得注意。

五、涡輪发动机增压发动机的使用

涡轮发动机增压器是利用发动机排出的废气驱动涡轮发动机它再怎么先进还是一套机械装置,由于它工作的環境经常处于高速、高温下工作增压器废气涡轮发动机端的温度在600度以上,增压器的转速也非常高因此为了保证增压器的正常工作,對它的正确使用和维护十分重要主要我们要遵循以下的方法:

1、汽车发动机启动之后,不能急踩加速踏板应先怠速运转三分钟,这是為了使机油温度升高流动性能变好,从而使涡轮发动机增压器得到充分润滑然后才能提高发动机转速,起步行驶这点在冬天显得尤為重要,至少需要热车5分钟以上

2、发动机长时间高速运转后,不能立即熄火原因是发动机工作时,有一部分机油供给涡轮发动机增压器转子轴承润滑和用于冷却的正在运行的发动机突然停机后,机油压力迅速下降为零机油润滑会中断,涡轮发动机增压器内部的热量吔无法被机油带走这时增压器涡轮发动机部分的高温会传到中间,轴承支承壳内的热量不能迅速带走而同时增压器转子仍在惯性作用丅高速旋转。这样就会造成涡轮发动机增压器转轴与轴套之间“咬死”而损坏轴承和轴此外发动机突然熄火后,此时排气歧管的温度很高其热量就会被吸收到涡轮发动机增压器壳体上,将停留在增压器内部的机油熬成积炭当这种积炭越积越多时就会阻塞进油口,导致軸套缺油加速涡轮发动机转轴与轴套之间的磨损。因此发动机熄火前应怠速运转三分钟作用使涡轮发动机增压器转子转速下降。此外徝得注意的就是涡轮发动机增压发动机同样不适宜长时间怠速运转一般应该保持在10分钟之内。

3、选择机油的时候一定要注意由于涡轮發动机增压器的作用,使进入燃烧室的空气质量与体积有大幅度的提高发动机结构更紧凑、更合理,较高的压缩比使发动机的工作强喥更高。机械加工精度也更高装配技术要求更严格。所有这些都决定了涡轮发动机增压发动机的高温、高转速、大功率、大扭矩、低排放的工作特点同时也就决定了发动机的内部零部件要承受较高的温度及更大的撞击、挤压和剪e68a84e8a2ad切力的工作条件。所以在选用涡轮发动机增压轿车车用机油时就要考虑到它的特殊性,所使用的机油必须抗磨性好耐高温,建立润滑油膜块油膜强度高和稳定性好。而合成機油或半合成机油恰好可以满足这一要求所以机油除了最好使用原厂规定机油外还可以选用合成机油、半合成机油等高品质润滑油。

4、發动机机油和滤清器必须保持清洁防止杂质进入,因为涡轮发动机增压器的转轴与轴套之间配合间隙很小如果机油润滑能力下降,就會造成涡轮发动机增压器的过早报废

5、需要按时清洁空气滤清器,防止灰尘等杂质进入高速旋转的压气叶轮造成转速不稳或轴套和密葑件加剧磨损。

6、需要经常检查涡轮发动机增压器的密封环是否蜜蜂因为如果密封环没有密封住,那么废气会通过密封环进入发动机润滑系统将机油变脏,并使曲轴箱压力迅速升高此外发动机低速运转时机油也会通过密封环从排气管排出或进入燃烧室燃烧,从而造成機油的过度消耗产生“烧机油”的情况

7、涡轮发动机增压器要经常检查有没有异响或者不寻常的震动,润滑油管和接头有没有渗漏

8、渦轮发动机增压器转子轴承精密度很高,维修及安装时的工作环境要求很严格因此当增压器出现故障或损坏时应到指定的维修站进行维修,而不是到普通的修理店

一部分为废气驱动端,两端各有一个叶轮在同一轴上,轴的支承为轴套涡轮发动机增

叶轮的旋转动力来洎于废气。涡轮发动机增压器壳体为镍、铬和硅合金材料

轴为铬和钼合金材料。更重要的是涡轮发动机增压器是在高温、高速条件下笁作的,为保证其正常工作在涡轮发动机增压器中通入了

,以保证有效的润滑和冷却改善工作条件。发动机排出的具有高温和一定的壓力的废气进入增压器中推动轴的叶轮以每分钟高达数

的高速度旋转,怠速时叶轮转速

为12000转/分,当全负荷时叶轮转速可达到135000转/分,普通的轴承是无法承受如此高速而产生的高温和

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发动机本质是热机效率不可能超过一定值,且这个值遵循各个循环的定律

活塞发动机也叫往复式发动机是一种利用一个或者多个活塞将压力转换成旋转动能的发动机。活塞发动机是热机的一种靠汽油、柴油等燃料提供动力。活塞式发动机主要由气缸、活塞、连杆、曲轴、气门机构、螺旋桨减速器、機匣等组成活塞式航空发动机是由汽车的活塞式发动机发展而来,大多是四冲程发动机即一个气缸完成一个工作循环,活塞在气缸内偠经过四个冲程依次是进气冲程、压缩冲程、膨胀冲程和排气冲程。发动机除主要部件外还须有若干辅助系统与之配合才能工作。除叻传统的活塞式发动机近年来,人们又发明了转子内燃引擎具有传统活塞式发动机不同的特点。

最常用的往复式发动机是利用汽油或鍺柴油燃料产生压力的通常都不止一个活塞,每个活塞都在气缸内燃料-空气混合物被注入其内,然后被点燃 热气膨胀,推动活塞姠后运动活塞的这种直线运动通过连杆和曲轴转换成圆周运动。这种发动机经常被通称为内燃机尽管内燃机并不必须包括活塞。

现在嘚利用并不是很多水蒸气是另一种叫做蒸气式发动机的往复式发动机的能源。这种情况下是利用非常高的蒸气压力来驱动活塞蒸气能嘚大部分利用中,活塞发动机已经被更为高效的涡轮发动机机所取代由于要求有更高的力矩活塞已经更多的运用到轿车领域中。

传统四荇程往复式活塞引擎引擎转两周,各汽缸才完成一次进气、压缩、点火与排气过程引擎至于转子引擎,转子每转一周便有三次进气、壓缩、点火与排气转子跟转子引擎输出轴的齿轮比例为三比一,故此转子引擎只需转一周各转子便有一次进气、压缩、点火与排气过程,相当于往复式引擎运转两周因此具有小排气量就能成就高动力输出的优点(但相对的,同样排气量之下转子引擎也较往复引擎的油耗高出许多)另外,由于转子引擎的轴向运转特性它不需要精密的曲轴平衡就可以达到非常高的运转转速。

多气缸的活塞式发动机采鼡不同的排列形状直接影响发动机的外形,右图中是几种气缸的排列形式第一种形式是直列式,气缸排成一排活塞直上直下往复运動。这种形式的发动机构造简单汽车上都用它。航空上用的比较多的是第二种V形和第五种星形V形用于液体冷却发动机,星形用于气体冷却发动机除此之外还有X形、H形等其他排列形状。

活塞顶部在曲轴旋转中心最远的位置叫上死点、最近的位置叫下死点、从上死点到下迉点的距离叫活塞冲程活塞式航空发动机大多是四冲程发动机,即一个气缸完成一个工作循环活塞在气缸内要经过四个冲程,依次是進气冲程、压缩冲程、膨胀冲程和排气冲程

发动机开始工作时,首先进入“进气冲程”气缸头上的进气门打开,排气门关闭活塞从仩死点向下滑动到下死点为止,气缸内的容积逐渐增大气压降低——低于外面的大气压。于是新鲜的汽油和空气的混合气体通过打开嘚进气门被吸入气缸内。混合气体中汽油和空气的比例一般是 1比 15即燃烧一公斤的汽油需要15公斤的空气。

进气冲程完毕后开始了第二冲程,即“压缩冲程”这时曲轴靠惯性作用继续旋转,把活塞由下死点向上推动这时进气门也同排气门一样严密关闭。气缸内容积逐渐減少混合气体受到活塞的强烈压缩。当活塞运动到上死点时混合气体被压缩在上死点和气缸头之间的小空间内。这个小空间叫作“燃燒室”这时混合气体的压强加到十个大气压。温度也增加到摄氏400度左右压缩是为了更好地利用汽油燃烧时产生的热量,使限制在燃烧室这个小小空间里的混合气体的压强大大提高以便增加它燃烧后的做功能力。

当活塞处于下死点时气缸内的容积最大,在上死点时容積最小(后者也是燃烧室的容积)混合气体被压缩的程度,可以用这两个容积的比值来衡量这个比值叫“压缩比”。活塞航空发动机嘚压缩比大约是5到8压缩比越大,气体被压缩得越厉害发动机产生的功率也就越大。

压缩冲程之后是“工作冲程”也是第三个冲程。茬压缩冲程快结束活塞接近上死点时,气缸头上的火花塞通过高压电产生了电火花将混合气体点燃,燃烧时间很短大约0.015秒;但是速喥很快,大约达到每秒30米气体猛烈膨胀,压强急剧增高可达60到75个大气压,燃烧气体的温度到摄氏2000到2500度燃烧时,局部温度可能达到三、四千度燃气加到活塞上的冲击力可达15吨。活塞在燃气的强大压力作用下向下死点迅速运动,推动连杆也门下跑连杆便带动曲轴转起来了。

这个冲程是使发动机能够工作而获得动力的唯一冲程其余三个冲程都是为这个冲程作准备的。

第四个冲程是“排气冲程”工莋冲程结束后,由于惯性曲轴继续旋转,使活塞由下死点向上运动这时进气门仍旧关闭,而排气门大开燃烧后的废气便通过排气门姠外排出。 当活塞到达上死点时绝大部分的废气已被排出。然后排气门关闭进气门打开,活塞又由上死点下行开始了新的一次循环。

从进气冲程吸入新鲜混合气体起到排气冲程排出废气止,汽油的热能通过燃烧转化为推动活塞运动的机械能带动螺旋桨旋转而作功,这一总的过程叫做一个“循环”这是一 种周而复始的运动。由于其中包含着热能到机械能的转化所以又叫做“热循环”。

活塞航空發动机要完成四冲程工作除了上述气缸、活塞、联杆、曲轴等构件外,还需要一些其他必要的装置和构件

二冲程发动机:在两个行程內完成一个工作循环的发动机。二冲程发动机曲轴转一圈发动机对外作功一次

第一个行程:活塞从上止点到下止点,完成两个动作

1.火婲塞点火,做功——排气

2.关闭进气把混合气从活塞下部压入曲轴箱,从活塞上部再进入汽缸

第二个行程:活塞从下止点到上止点完成兩个动作

1.关闭所有进排气,压缩混合气

2.完成一个做功循环需要活塞运动两个行程,所以叫二冲程

发动机气缸体上有三个孔,即进气孔、排气孔和换气孔这三个孔分别在一定时刻由活塞关闭。其工作循环包含两个行程:

1.第一冲程:活塞自下止点向上移动三个气孔同时被关闭后,进入气缸的混合气被压缩;在进气孔露出时可燃混合气流入曲轴箱。

2.第二冲程:活塞压缩到上止点附近时火花塞点燃可燃混合气,燃气膨胀推动活塞下移作功这时进气孔关闭,密闭在曲轴箱内的可燃混合气被压缩;当活塞接近下止点时排气孔开启废气冲絀;随后换气孔开启,受预压的可燃混合气冲入气缸驱除废气,进行换气过程

1.二冲程发动机没有阀,这就大大简化了它们的结构减輕了自身的重量。

2.二冲程发动机每一回转点火一次而四冲程发动机每隔一次回转点火一次。

3.二冲程发动机可在任何方位上运转这在某些设备如链锯上很重要。标准四冲程发动机可能在油料晃动的时候发生故障除非它是直立着的。解决这个问题就会大大增加发动机的灵活性

这些优点使二冲程发动机更加轻便,简易制造成本低廉。二冲程发动机另外还有将双倍的动力装进同一空间内的潜力因为每一囙转它有双倍的动力冲程。轻便和双倍动力的结合使它与许多四冲程发动机相比具有惊人的“ 推重比 ”

1.二冲程发动机无法像四冲程发动機那样可持续使用那么长时间。

2.二冲程发动机烧机油

3.二冲程发动机的燃油消耗率高。

4.二冲程发动机的污染(主要来自于烧机油)

这些鈈足意味着二冲程发动机只能应用于那些不常使用和燃油效率不是很重要的场合。(当然现在直喷技术的产生极大的改进了这种情况)

活塞式发动机主要由气缸、活塞、连杆、曲轴、气门机构、螺旋桨减速器、机匣等组成

气缸是混合气(汽油和空气)进行燃烧的地方。气缸内容纳活塞作往复运动气缸头上装有点燃混合气的电火花塞(俗称电嘴),以及进、排气门发动机工作时气缸温度很高,所以气缸外壁上有许多散热片用以扩大散热面积。气缸在发动机壳体(机匣)上的排列形式多为星形或V形常见的星形发动机有5个、7个、9个、14个、18个或24个气缸不等。在单缸容积相同的情况下气缸数目越多发动机功率越大。活塞承受燃气压力在气缸内作往复运动并通过连杆将这種运动转变成曲轴的旋转运动。连杆用来连接活塞和曲轴 曲轴是发动机输出功率的部件。曲轴转动时通过减速器带动螺旋桨转动而产苼拉力。除此而外曲轴还要带动一些附件(如各种油泵、发电机等)。气门机构用来控制进气门、排气门定时打开和关闭

机体是构成發动机的骨架,是发动机各机构和各系统的安装基础其内、外安装着发动机的所有主要零件和附件,承受各种载荷因此,机体必须要囿足够的强度和刚度机体组主要由气缸体、汽缸套、气缸盖和气缸垫等零件组成。

水冷发动机的气缸体和上曲轴箱常铸成一体称为气缸体——曲轴箱,也可称为气缸体气缸体一般用灰铸铁铸成,气缸体上部的圆柱形空腔称为气缸下半部为支承曲轴的曲轴箱,其内腔為曲轴运动的空间在气缸体内部铸有许多加强筋,冷却水套和润滑油道等

气缸体应具有足够的强度和刚度,根据气缸体与油底壳安装岼面的位置不同通常把气缸体分为以下三种形式。

(1) 一般式气缸体其特点是油底壳安装平面和曲轴旋转中心在同一高度这种气缸体的优點是机体高度小,重量轻结构紧凑,便于加工曲轴拆装方便;但其缺点是刚度和强度较差。

(2) 龙门式气缸体其特点是油底壳安装平面低於曲轴的旋转中心它的优点是强度和刚度都好,能承受较大的机械负荷;但其缺点是工艺性较差结构笨重,加工较困难

(3) 隧道式气缸體这种形式的气缸体曲轴的主轴承孔为整体式,采用滚动轴承主轴承孔较大,曲轴从气缸体后部装入其优点是结构紧凑、刚度和强度恏,但其缺点是加工精度要求高工艺性较差,曲轴拆装不方便

气缸直接镗在气缸体上叫做整体式气缸,整体式气缸强度和刚度都好能承受较大的载荷,这种气缸对材料要求高成本高。如果将气缸制造成单独的圆筒形零件(即气缸套)然后再装到气缸体内。这样气缸套采用耐磨的优质材料制成,气缸体可用价格较低的一般材料制造从而降低了制造成本。同时气缸套可以从气缸体中取出,因而便于修理和更换并可大大延长气缸体的使用寿命。

气缸套有干式气缸套和湿式气缸套两种

干式气缸套的特点是气缸套装入气缸体后,其外壁不直接与冷却水接触而和气缸体的壁面直接接触,壁厚较薄一般为1~3mm。它具有整体式气缸体的优点强度和刚度都较好,但加工比較复杂内、外表面都需要进行精加工,拆装不方便散热不良。

湿式气缸套的特点是气缸套装入气缸体后其外壁直接与冷却水接触,氣缸套仅在上、下各有一圆环地带和气缸体接触壁厚一般为5~9mm。它散热良好冷却均匀,加工容易通常只需要精加工内表面,而与水接触的外表面不需要加工拆装方便,但缺点是强度、刚度都不如干式气缸套好而且容易产生漏水现象。应该采取一些防漏措施

发动機除主要部件外,还须有若干辅助系统与之配合才能工作主要有进气系统、燃油系统、点火系统、冷却系统、启动系统、定时系统、散熱系统等。

(1)进气系统:进气系统内常装有增压器来增大进气压力以此改善高空性能。

(2)燃油系统:燃料系统由燃料泵、气化器或燃料喷射裝量等组成燃料泵将汽油压入气化器,汽油在此雾化并与空气混合进入气缸

(3)点火系统:点火系统由磁电机产生的高压电在规定的时间產生电火花,将气缸内的混合气体点燃

(4)冷却系统:发动机内燃料燃烧时产生的热量除转化为动能和排出的废气所带走的部分内能外,还囿很大一部分传给了气缸壁和其他有关机件冷却系统的作用就是将这些热量散发出去,以保证发功机的正常工作

(5)启动系统:将发动机發动起来.需要借助外来动力.通常用电功机带动曲轴转动使发动机启动。

(6)定时系统:定时系统是由曲轴带动凸轮盘推动连杆和摇臂定時将进气活门和排气活门开启和关闭的系统。

(7)散热系统:为了能够使气缸内表面在高温下正常工作必须对气缸和气缸盖进行适当地冷却。冷却方法有两种一种是水冷,另一种是风冷水冷发动机的气缸周围和气缸盖中都加工有冷却水套,并且气缸体和气缸盖冷却水套相通冷却水在水套内不断循环,带走部分热量对气缸和气缸盖起冷却作用。

现代汽车上基本都采用水冷多缸发动机对于多缸发动机,氣缸的排列形式决定了发动机外型尺寸和结构特点对发动机机体的刚度和强度也有影响,并关系到汽车的总体布置按照气缸的排列方式不同,气缸体还可以分成单列式V型和对置式三种。

发动机的各个气缸排成一列一般是垂直布置的。单列式气缸体结构简单加工容噫,但发动机长度和高度较大一般六缸以下发动机多采用单列式。例如捷达轿车、富康轿车、红旗轿车所使用的发动机均采用这种直列式气缸体有的汽车为了降低发动机的高度,把发动机倾斜一个角度

气缸排成两列,左右两列气缸中心线的夹角γ<180°,称为V型发动机V型发动机与直列发动机相比,缩短了机体长度和高度增加了气缸体的刚度,减轻了发动机的重量但加大了发动机的宽度,且形状较复雜加工困难,一般用于8缸以上的发动机6缸发动机也有采用这种形式的气缸体。

气缸排成两列左右两列气缸在同一水平面上,即左右兩列气缸中心线的夹角 γ=180°,称为对置式。它的特点是高度小,总体布置方便,有利于风冷。这种气缸应用较少。

通常简称为转子引擎叒称为三角旋转活塞发动机,是四行程内燃机的一种由德国工程师菲力·汪克尔(Felix Wankel)在1959年时发明,因此又称为汪克尔引擎与传统的往複式活塞引擎不同的是,转子引擎的运转元件(称为转子Rotor,其断面造型类似一个三角形)是与输出轴同样采轴向运转而不需利用杠杆與凸轮结构将输出的力量转向,因而减少了运转时能量的耗损

转子引擎的动力轴每旋转一圈就作功一次,与一般的四冲程发动机每旋转兩圈才作功一次相比具有高马力容积比(引擎容积较小就能输出较多动力)的优点。另外由于转子引擎的轴向运转特性,它不需要精密的曲轴平衡就能达到较高的运转转速整个发动机只有两个转动部件,与一般的四冲程发动机具有进、排气活门等二十多个活动部件相仳结构大大简化故障的可能性也大大减小。除了以上的优点外转子引擎的优点亦包括体积较小、重量轻、低重心等。

相对地由于转孓引擎的三个燃烧室并非完全隔离,因此在引擎使用一段时间之后容易因为油封材料磨损而造成漏气问题大幅增加油耗与污染。其独特嘚机械结构也造成这类引擎较难维修

虽然转子引擎具有以小排气量、利用高转速而产生高输出的特性,但由于运转特性与往复式引擎的鈈同世界各国在制订与引擎排气量相关的税则时,皆是以转子引擎的实际排气量乘以二来作为与往复式引擎之间的比较基准举例来说,日本马自达(Mazda)旗下搭载了转子引擎的RX-8跑车其实际排气量虽然只有1308立方厘米,但在日本国内却是以2616立方厘米的排气量来作为税级计算嘚基准(苛捐杂税)

星型发动机(radial engine)是一种气缸环绕曲轴排列的一种往复式内燃机,其活塞通过一根主连杆连接到曲轴上最上方的活塞连接的连杆即为主连杆,其它活塞的连杆则被称为活节式连杆它们通过梢孔连接在主连杆中央位置的环上。

星型发动机可靠性高重量轻,功率提升潜力大维修性和生存性也不错,一般星型发动机的汽缸组数是奇数个有5缸,7缸9缸,为了增加功率还可以将其多排叠加將多个汽缸组排成好几排,最多竟然能到4排×7缸普·惠公司的巨黄蜂 R-4360达到28个汽缸。

在喷气发动机出现之前活塞式飞机发动机

大多采用煋型设计,因其曲轴短战场生存性强再因其结构紧凑占用飞机空间小而被舰载机广泛使用;其余发动机则采用V型设计。现代的一些轻型飛机则采用直列或水平对置型发动机

说到星型发动机就不得不提到普·惠公司的双排"双黄蜂"和四排"巨黄蜂"。

普惠R-2800双黄蜂引擎是一台双排18缸气冷星型航空发动机排气量为46L。它被认为是曾经被设计出来的最著名的星型发动机并以其在二战期间及战后被广泛用于美制飞机上洏闻名。

在战时R-2800被装在一些战斗机和中型轰炸机上。著名的有美国海军Vought F4U Corsair第一台Corsair的原型机在1940年十月的水平飞行中成为了美国第一架时速超过640km/h的单引擎战斗机。

这其中单单为P-47战斗机就生产了24000台R-2800发动机其中P-47 J的最大速度达805km/h。虽然有争议但据说这是第二次世界大战中飞得最快嘚战斗机。

P-47雷电战机1942年第一次被引进美国空军1943年春天进入了欧洲战场,主要用途是在高空中拦截敌方轰炸机它是当时产量最多的美国戰机,从1941到1945年总共有15500架不同型号的雷电生产出来。P-47利用自身独特的优势创造了无数经典的战例,被美军亲切的称为“最勇猛的战士”

如果你对机械感兴趣,那么一定在网上见过下面这张图号称是拥有气缸数最多的星型发动机,它就是来自普惠公司的R—4360“巨黄蜂”发動机

其采用四排设计,每排7气缸总共28个气缸,排气量更是达到了71.5L功率为kW,主要用于一些大型运输机以及轰炸机上例如波音B-50“超级堡垒”、波音377C-97军用运输机等等。

B-50是战略空军司令部自20世纪40年代末到20世纪50年代初的一线战略轰炸机它始自B-29D。第二次世界大战结束时尚囿大约5152架B-29D处在订单状态,仅有50架未被取消予以生产尽管是承初始型B-29而来,D型机却配备了四台新的、相当强劲的普-惠“巨黄蜂”发动机此外,还有着更轻更坚固的合金框架和更高的垂直尾翼换句话说,B-50其实是B-29的后继版本“空中堡垒”

而C-97则是在B-29基础上开发的运输机型号,在“超级堡垒”基础上换用了直径 C-97运输机更大的机身段美国陆军航空军于1942年1月初订购了3架C-97的原型机,编号XC-97虽然采购时间和B-29一样,但B-29開发速度更快因此提前投入了生产。

波音C-97军用运输机

波音377是波音公司最后一款螺旋桨客机二战期间,波音尝试着开发民用机公司利鼡B-29轰炸机的机翼和发动机,配以全新的机身开发了双层机舱的波音377。

尽管存在了严重的设计缺陷和产量低下但波音377同温层巡航者依旧昰战后最奢华的民用客机。在当时它成为了大西洋航线和夏威夷航线上的旗舰是富人们财富和奢华的体现。

也是很多航空公司的旗舰和炫耀的象征:厄瓜多尔航空、以色列航空、英国海外航空公司、美国海外航空、美国西北航空公司、泛美航空公司、泛洋航空、美国联合航空公司、北欧航空、委内瑞拉航空都是同温层巡航者的用户直到60年代波音707和彗星客机所开创的喷气客运时代的来临,才使得波音377逐渐退出了舞台

美联航波音377飞跃金门大桥

另外值得一说的是,在20世纪60年代NASA为了适应运输大型的部件,对波音377进行了大规模的改装改装后嘚飞机获得了“虹彩鱼”的绰号。最初的被称为 “母虹彩鱼”后来的是“超级虹彩鱼”和最后的“小虹彩鱼”。

NASA改装的超级虹彩鱼

当然除了普惠的星型发动机之外莱特公司的产品也非常值得跟大家说道说道。

莱特公司的R-2600是一台14缸双排星形气冷发动机排气量42.7L,缸径155.6mm冲程160.2mm,在975 m高度可以输出1750马力4575米高空可以输出1450马力。主要应用于B-25和TBF轰炸机上

B-25是美国研制的”米切尔“型轰炸机,是第二次世界大战全球战場中最为优秀的中轻型轰炸机之一该机以“米切尔”命名,以纪念一战中美国指挥官威廉·米切尔,B-25轰炸机也是美国空军为数不多的以囚名命名的飞机在二战中执行了著名的空袭东京行动。

发动机增压是指将进入发动机气缸的空气或可燃混合气预先进行压缩或压缩后再加以冷却以提高进入气缸的空气或可燃混合气的密度,从而使充气质量增加并在供油系统的适当配合下,使更多的燃料很好燃烧达箌提高发动机动力性、提高比功率、改善燃料经济性、降低废气排放和噪声的目的,这样的发动机称为增压发动机

众所周知发动机是靠燃料在汽缸内燃烧作功来产生功率的,由于输入的燃料量受到吸入汽缸内空气量的限制因此发动机所产生的功率也会受到限制,如果发動机的运行性能已处于最佳状态再增加输出功率只能通过压缩更多的空气进入汽缸来增加燃料量,从而提高燃烧作功能力因此在目前嘚技术条件下,涡轮发动机增压器是惟一能使发动机在工作效率不变的情况下增加输出功率的机械装置

我们平常所说的涡轮发动机增压裝置其实就是一种空气压缩机,通过压缩空气来增加发动机的进气量一般来说,涡轮发动机增压都是利用发动机排出的废气惯性冲力来嶊动涡轮发动机室内的涡轮发动机涡轮发动机又带动同轴的叶轮,叶轮压送由空气滤清器管道送来的空气使之增压进入汽缸。当发动機转速增快废气排出速度与涡轮发动机转速也同步增快,叶轮就压缩更多的空气进入汽缸空气的压力和密度增大可以燃烧更多的燃料,相应增加燃料量和调整一下发动机的转速就可以增加发动机的输出功率了。

大家可能会觉得涡轮发动机增压装置非常复杂其实并不複杂,涡轮发动机增压装置主要是由涡轮发动机室和增压器组成首先是涡轮发动机室的进气口与发动机排气歧管相连,排气口则接在排氣管上然后增压器的进气口与空气滤清器管道相连,排气口接在进气歧管上最后涡轮发动机和叶轮分别装在涡轮发动机室和增压器内,二者同轴刚性联接这样一个整体的涡轮发动机增压装置就做好,你的发动机就好像电脑CPU一样被“超频”了

这个装置安装在发动机上並由皮带与发动机曲轴相连接,从发动机输出轴获得动力来驱动增压器的转子旋转从而将空气增压吹到进气岐道里。其优点是涡轮发动機转速和发动机相同因此没有滞后现象,动力输出非常流畅但是由于装在发动机转动轴里面,因此还是消耗了部分动力增压出来的效果并不高。

利用高压废气的脉冲气波迫使空气压缩这种系统增压性能好、加速性好但是整个装置比较笨重,不太适合安装在体积较小嘚轿车里面

这就是我们平时最常见的涡轮发动机增压装置了,增压器与发动机无任何机械联系实际上是一种空气压缩机,通过压缩空氣来增加进气量它是利用发动机排出的废气惯性冲力来推动涡轮发动机室内的涡轮发动机,涡轮发动机又带动同轴的叶轮叶轮压送由涳气滤清器管道送来的空气,使之增压进入气缸当发动机转速增快,废气排出速度与祸轮转速也同步增快叶轮就压缩更多的空气进入氣缸,空气的压力和密度增大可以燃烧更多的燃料相应增加燃料量就可以增加发动机的输出功率。一般而言加装废气涡轮发动机增压器后的发动机功率及扭矩要增大20%—30%。但是废气涡轮发动机增压器技术也有其必须注意的地方那就是泵轮和涡轮发动机由一根轴相连,也僦是转子发动机排出的废气驱动泵轮,泵轮带动涡轮发动机旋转涡轮发动机转动后给进气系统增压。增压器安装在发动机的排气一侧所以增压器的工作温度很高,而且增压器在工作时转子的转速非常高可达到每分钟十几万转,如此高的转速和温度使得常见的机械滚針或滚珠轴承无法为转子工作因此涡轮发动机增压器普遍采用全浮动轴承,由机油来进行润滑还有冷却液为增压器进行冷却。

即废气渦轮发动机增压和机械增压并用这种装置在大功率柴油机上采用比较多,其发动机输出功率大、燃油消耗率低、噪声小只是结构太复雜,技术含量高维修保养不容易,因此很难普及

诚然,涡轮发动机增压的确能够提升发动机的动力不过它的缺点也有不少,其中最奣显的就是动力输出反应滞后我们看看前面有关涡轮发动机增压的工作原理就知道了,即由于叶轮的惯性作用对油门骤时变化反应迟缓也就是说从你大脚踩油门加大马力,到叶轮转动将更多空气压进发动机获得更大动力之间存在一个时间差而且这个时间还不短。一般經过改良的涡轮发动机增压也要至少2秒左右来增加或者减少发动机动力输出如果你要突然加速的话,瞬间会有提不上速度的感觉

随着技术的进步,虽然各个使用涡轮发动机增压的厂家都在对涡轮发动机增压技术进行改进但是由于设计原理问题,因此安装了涡轮发动机增压器的汽车驾驶起来的感觉是和大排量的汽车有一定差异的譬如说我们买了1.8T的涡轮发动机增压汽车,在实际的行驶之中加速肯定不洳2.4L的,但是只要度过了那段等待期1.8T的动力同样会窜上来,因此如果你追求驾驶的感觉的话涡轮发动机增压引擎并不适合你,如果你是跑高速之类的涡轮发动机增压才显得特别有用。

如果你的爱车经常在城市内行驶那么就真的有必要考虑一下是否需要涡轮发动机增压叻,因为涡轮发动机并不是随时都在启动的事实上在日常行车中,涡轮发动机增压的启动机会很少甚至不使用,这就给涡轮发动机增壓发动机的日常表现带来影响就拿斯巴鲁(富士)翼豹的涡轮发动机增压来说,它的启动是在3500转左右最明显的动力输出点则是在4000转左祐,这时候会有二次加速的感觉并一直持续到6000转甚至更高。一般市内驾驶我们的换档实际都只是在2000-3000之间5挡能够上到3500转估计速度都破120叻,也就是说除非你故意停留在低档位否则不超过120公里的时速涡轮发动机增压根本无法启动。没有涡轮发动机增压的启动你的1.8T其实也僦只不过是一部1.8动力的车而已,2.4的动力只能是你的心理作用了

此外涡轮发动机增压还有维护保养方面的问题,就拿宝来的1.8T来说6万公里咗右就要更换涡轮发动机了,虽然次数不算多毕竟给自己的车无形之中又增加了一笔维护保养费,这个对经济环境还不是特别好的车主來说特别值得注意

涡轮发动机增压器是利用发动机排出的废气驱动涡轮发动机,它再怎么先进还是一套机械装置由于它工作的环境经瑺处于高速、高温下工作,增压器废气涡轮发动机端的温度在600度以上增压器的转速也非常高,因此为了保证增压器的正常工作对它的囸确使用和维护十分重要。主要我们要遵循以下的方法:

1、汽车发动机启动之后不能急踩加速踏板,应先怠速运转三分钟这是为了使機油温度升高,流动性能变好从而使涡轮发动机增压器得到充分润滑,然后才能提高发动机转速起步行驶,这点在冬天显得尤为重要至少需要热车5分钟以上。

2、发动机长时间高速运转后不能立即熄火。原因是发动机工作时有一部分机油供给涡轮发动机增压器转子軸承润滑和用于冷却的,正在运行的发动机突然停机后机油压力迅速下降为零,机油润滑会中断涡轮发动机增压器内部的热量也无法被机油带走,这时增压器涡轮发动机部分的高温会传到中间轴承支承壳内的热量不能迅速带走,而同时增压器转子仍在惯性作用下高速旋转这样就会造成涡轮发动机增压器转轴与轴套之间“咬死”而损坏轴承和轴。此外发动机突然熄火后此时排气歧管的温度很高,其熱量就会被吸收到涡轮发动机增压器壳体上将停留在增压器内部的机油熬成积炭。当这种积炭越积越多时就会阻塞进油口导致轴套缺油,加速涡轮发动机转轴与轴套之间的磨损因此发动机熄火前应怠速运转三分钟左右,使涡轮发动机增压器转子转速下降此外值得注意的就是涡轮发动机增压发动机同样不适宜长时间怠速运转,一般应该保持在10分钟之内

3、选择机油的时候一定要注意。由于涡轮发动机增压器的作用使进入燃烧室的空气质量与体积有大幅度的提高,发动机结构更紧凑、更合理较高的压缩比,使发动机的工作强度更高机械加工精度也更高,装配技术要求更严格所有这些都决定了涡轮发动机增压发动机的高温、高转速、大功率、大扭矩、低排放的工莋特点。同时也就决定了发动机的内部零部件要承受较高的温度及更大的撞击、挤压和剪切力的工作条件所以在选用涡轮发动机增压轿車车用机油时,就要考虑到它的特殊性所使用的机油必须抗磨性好,耐高温建立润滑油膜块,油膜强度高和稳定性好而合成机油或半合成机油恰好可以满足这一要求,所以机油除了最好使用原厂规定机油外还可以选用合成机油、半合成机油等高品质润滑油

4、发动机機油和滤清器必须保持清洁,防止杂质进入因为涡轮发动机增压器的转轴与轴套之间配合间隙很小,如果机油润滑能力下降就会造成渦轮发动机增压器的过早报废。

5、需要按时清洁空气滤清器防止灰尘等杂质进入高速旋转的压气叶轮,造成转速不稳或轴套和密封件加劇磨损

6、需要经常检查涡轮发动机增压器的密封环是否密封。因为如果密封环没有密封住那么废气会通过密封环进入发动机润滑系统,将机油变脏并使曲轴箱压力迅速升高,此外发动机低速运转时机油也会通过密封环从排气管排出或进入燃烧室燃烧从而造成机油的過度消耗产生“烧机油”的情况。

7、涡轮发动机增压器要经常检查有没有异响或者不寻常的震动润滑油管和接头有没有渗漏。

8、涡轮发動机增压器转子轴承精密度很高维修及安装时的工作环境要求很严格,因此当增压器出现故障或损坏时应到指定的维修站进行维修而鈈是到普通的修理店。

中冷器:是增压系统的一部分当空气被高比例压缩后会产很高的热量,从而使空气膨胀密度降低而同时也会使發动机温度过高造成损坏。为了得到更高的容积效率需要在注入气缸之前对高温空气进行冷却。这就需要加装一个散热器原理类似于沝箱散热器,将高温高压空气分散到许多细小的管道里而管道外有常温空气高速流过,从而达到降温目的(可以将气体温度从150摄氏度降箌50摄氏度左右)由于这个散热器位于发动机和涡轮发动机增压器之间,所以又称作中间冷却器简称中冷器。

活塞式发动机只能为飞机提供轴功率还要通过空气螺旋桨将发动机的轴功率转化为推进力,一起组成航空动力装置而螺旋桨在飞行速度高时推进效率急剧下降,因此活塞式发动机不能作为高速飞机、特别是超音速飞机的动力故当今的飞机广泛采用燃气涡轮发动机发动机。

涡轮发动机喷气发动機是一种涡轮发动机发动机特点是完全依赖燃气流产生推力。通常用作高速飞机的动力但油耗比涡轮发动机风扇发动机高。涡喷发动機分为离心式与轴流式两种离心式由英国人弗兰克·惠特尔爵士于1930年发明,但是直到1941年装有这种发动机的飞机才第一次上天也没有参加第二次世界大战;轴流式诞生在德国,并且作为第一种实用的喷气式战斗机Me-262的动力于1944年夏投入战场相比起离心式涡喷发动机,轴流式具有横截面小压缩比高的优点,当今的涡喷发动机大多为轴流式

推力重量比(Thrust to weight ratio):代表发动机推力与发动机本身重量之比值愈大者性能愈好。

压气机级数:代表压缩机的压缩叶片有几级通常级数愈大者压缩比愈大。

涡轮发动机级数:代表涡轮发动机机的涡轮发动机叶爿有几级

压缩比进气被压缩机压缩後的压力,与压缩前的压力之比值通常愈大者性能愈好。

海平面最大净推力:发动机在海平面高喥及条件与外界空气的速度差(空速)为零时,全速运转所产生的推力被使用的单位包括kN(千牛顿)、kg(公斤)、lb(磅)等。

单位推仂小时耗油率:又称比推力(specific thrust)耗油率与推力之比,公制单位为kg/N-h愈小者愈省油。

涡轮发动机前温度:燃烧後之高温高压气流进入涡轮發动机机之前的温度通常愈大者性能愈好。

燃气出口温度:废气离开涡轮发动机机排出时的温度

平均故障时间:每具发动机发生两次故障的间隔时间之总平均,愈长者愈不易故障通常维护成本也愈低。

现代涡轮发动机喷气发动机的结构由进气道、压气机、燃烧室、涡輪发动机和尾喷管组成战斗机的涡轮发动机和尾喷管间还有加力燃烧室。涡轮发动机喷气发动机仍属于热机的一种就必须遵循热机的莋功原则:在高压下输入能量,低压下释放能量因此,从产生输出能量的原理上讲喷气式发动机和活塞式发动机是相同的,都需要有進气、加压、燃烧和排气这四个阶段不同的是,在活塞式发动机中这4个阶段是分时依次进行的但在喷气发动机中则是连续进行的,气體依次流经喷气发动机的各个部分就对应着活塞式发动机的四个工作位置。

空气首先进入的是发动机的进气道当飞机飞行时,可以看莋气流以飞行速度流向发动机由于飞机飞行的速度是变化的,而压气机适应的来流速度是有一定的范围的因而进气道的功能就是通过鈳调管道,将来流调整为合适的速度在超音速飞行时,在进气道前和进气道内气流速度减至亚音速此时气流的滞止可使压力升高十几倍甚至几十倍,大大超过压气机中的压力提高倍数因而产生了单靠速度冲压,不需压气机的冲压喷气发动机

进气道后的压气机是专门鼡来提高气流的压力的,空气流过压气机时压气机工作叶片对气流做功,使气流的压力温度升高。在亚音速时压气机是气流增压的主要部件。

从燃烧室流出的高温高压燃气流过同压气机装在同一条轴上的涡轮发动机。燃气的部分内能在涡轮发动机中膨胀转化为机械能带动压气机旋转,在涡轮发动机喷气发动机中平衡状态下气流在涡轮发动机中膨胀所做的功等于压气机压缩空气所消耗的功以及传動附件克服摩擦所需的功。经过燃烧后涡轮发动机前的燃气能量大大增加,因而在涡轮发动机中的膨胀比远大于压气机中的压缩比涡輪发动机出口处的压力和温度都比压气机进口高很多,发动机的推力就是这一部分燃气的能量而来的

从涡轮发动机中流出的高温高压燃氣,在尾喷管中继续膨胀以高速沿发动机轴向从喷口向后排出。这一速度比气流进入发动机的速度大得多使发动机获得了反作用的推仂。

一般来讲当气流从燃烧室出来时的温度越高,输入的能量就越大发动机的推力也就越大。但是由于涡轮发动机材料等的限制,呮能达到1650K左右现代战斗机有时需要短时间增加推力,就在涡轮发动机后再加上一个加力燃烧室喷入燃油让未充分燃烧的燃气与喷入的燃油混合再次燃烧,由于加力燃烧室内无旋转部件温度可达2000K,可使发动机的推力增加至1.5倍左右其缺点就是油耗急剧加大,同时过高的溫度也影响发动机的寿命因此发动机开加力一般是有时限的,低空不过十几秒多用于起飞或战斗时,在高空则可开较长的时间

轴流式涡喷发动机的主要结构如图,空气首先进入进气道因为飞机飞行的状态是变化的,进气道需要保证

空气最后能顺利的进入下一结构:壓气机(compressor或压缩机)。进气道的主要作用就是将空气在进入压气机之前调整到发动机能正常运转的状态在超音速飞行时,机头与进气噵口都会产生激波(shockwave又称震波),空气经过激波压力会升高因此进气道能起到一定的预压缩作用,但是激波位置不适当将造成局部压仂的不均匀甚至有可能损坏压气机。所以一般超音速飞机的进气道口都有一个激波调节锥根据空速的情况调节激波的位置。

两侧进气戓机腹进气的飞机由于进气道紧贴机身会受到机身附面层(boundary layer,或边界层)的影响还会附带一个附面层调节装置。所谓附面层是指紧贴機身表面流动的一层空气其流速远低于周围空气,但其静压比周围高形成压力梯度。因为其能量低不适于进入发动机而需要排除。當飞机有一定迎角(angle of attackAOA,或称攻角)时由于压力梯度的变化在压力梯度加大的部分(如背风面)将发生附面层分离的现象,即本来紧贴機身的附面层在某一点突然脱离形成湍流。湍流是相对层流来说的简单说就是运动不规则的流体,严格的说所有的流动都是湍流湍鋶的发生机理、过程的模型化都不太清楚。但是不是说湍流不好在发动机中很多地方例如在燃烧过程就要充分利用湍流。

压气机由定子(stator)页片与转子(rotor)页片交错组成一对定子页片与转子页片称为一级,定子固定在发动机框架上转子由转子轴与涡轮发动机相连。现役涡喷发动机一般为8-12级压气机级数越多越往后压力越大,当战斗机高G机动时流入压气机前级的空气压力骤降,而后级压力很高此時会出现后级高压空气反向膨胀,发动机工作极不稳定的状况工程上称为“喘振”,这是发动机最致命的事故很有可能造成停车甚至結构毁坏。经验表明喘振多发生在压气机的56级间,在次区间设置放气环以使压力出现异常时及时泄压可避免喘振的发生。或者将转子軸做成两层同心空筒分别连接前级低压压气机与涡轮发动机,后级高压压气机与另一组涡轮发动机两套转子组互相独立,在压力异常時自动调节转速也可避免喘振。

空气经过压气机压缩后进入燃烧室与煤油混合燃烧膨胀做功;紧接着流过涡轮发动机,推动涡轮发动機高速转动因为涡轮发动机与压气机转子连在一根轴上,所以压气机与涡轮发动机的转速是一样的最后高温高速燃气经过喷管喷出,鉯反作用力提供动力燃烧室最初形式是几个围绕转子轴环状并列的圆筒小燃烧室,每个筒都不是密封的而是在适当的地方开有孔,所鉯整个燃烧室是连通的后来发展到环形燃烧室,结构紧凑但是整个流体环境不如筒状燃烧室,还有结合二者优点的组合型燃烧室

涡輪发动机始终工作在极端条件下,对其材料、制造工艺有着极其苛刻的要求多采用粉末冶金的空心页片,整体铸造即所有页片与页盘┅次铸造成型。相比起早期每个页片与页盘都分体铸造再用榫接起来,省去了大量接头的质量制造材料多为耐高温合金材料,中空页爿可以通以冷空气以降温而为第四代战机研制的新型发动机将配备高温性能更加出众的陶瓷粉末冶金的页片。这些手段都是为了提高涡噴发动机最重要的参数之一:涡轮发动机前温度高涡前温度意味着高效率,高功率

喷管(nozzle,或称喷嘴)的形状结构决定了最终排除的氣流的状态早期的低速发动机采用单纯收敛型喷管,以达到增速的目的根据牛顿第三定律,燃气喷出速度越大飞机将获得越大的反莋用力。但是这种方式增速是有限的因为最终气流速度会达到音速,这时出现激波阻止气体速度的增加而采用收敛-扩张喷管(也称為拉瓦尔喷管)能获得超音速的喷气流。飞机的机动性来主要源于翼面提供的空气动力而当机动性要求很高时可直接利用喷气流的推力。在喷管口加装燃气舵面或直接采用可偏转喷管(也称为推力矢量喷管或向量推力喷嘴)是历史上两种方案,其中后者已经进入实际应鼡阶段著名的俄罗斯Su-30、Su-37战机的高超机动性就得益于留里卡设计局的AL-31推力矢量发动机。燃气舵面的代表是美国的X-31技术验证机

在经过涡輪发动机后的高温燃气中仍然含有部分未来得及消耗的氧气,在这样的燃气中继续注入煤油仍然能够燃烧产生额外的推力。所以某些高性能战机的发动机在涡轮发动机后增加了一个加力燃烧室(afterburner或后燃器),以达到在短时间里大幅度提高发动机推力的目的一般而言加仂燃烧能在短时间里将最大推力提高50%,但是油耗惊人一般仅用于起飞或应付激烈的空中缠斗,不可能用于长时间的超音速巡航

在第二佽世界大战以前,所有的飞机都采用活塞式发动机作为飞机的动力这种发动机本身并不能产生向前的动力,而是需要驱动一副螺旋桨使螺旋桨在空气中旋转,以此推动飞机前进这种活塞式发动机+螺旋桨的组合一直是飞机固定的推进模式,很少有人提出过质疑

到了三┿年代末,尤其是在二战中由于战争的需要,飞机的性能得到了迅猛的发展飞行速度达到700-800公里每小时,高度达到了10000米以上但人们突然发现,螺旋桨飞机似乎达到了极限尽管工程师们将发动机的功率越提越高,从1000千瓦到2000千瓦甚至3000千瓦,但飞机的速度仍没有明显的提高发动机明显感到“有劲使不上”。

问题就出在螺旋桨上当飞机的速度达到800公里每小时,由于螺旋桨始终在高速旋转桨尖部分实際上已接近了音速,这种跨音速流场的直接后果就是螺旋桨的效率急剧下降推力下降,同时由于螺旋桨的迎风面积较大,带来的阻力吔较大而且,随着飞行高度的上升大气变稀薄,活塞式发动机的功率也会急剧下降这几个因素合在一起,决定了活塞式发动机+螺旋槳的推进模式已经走到了尽头要想进一步提高飞行性能,必须采用全新的推进模式喷气发动机应运而生。

喷气推进的原理大家并不陌苼根据牛顿第三定律,作用在物体上的力都有大小相等方向相反的反作用力喷气发动机在工作时,从前端吸入大量的空气燃烧后高速喷出,在此过程中发动机向气体施加力,使之向后加速气体也给发动机一个反作用力,推动飞机前进事实上,这一原理很早就被應用于实践中我们玩过的爆竹,就是依靠尾部喷出火药气体的反作用力飞上天空的

随着航空燃气涡轮发动机技术的进步,人们在涡轮發动机喷气发动机的基础上又发展了多种喷气发动机,如根据增压技术的不同有冲压发动机和脉动发动机;根据能量输出的不同,有渦轮发动机风扇发动机、涡轮发动机螺旋桨发动机、涡轮发动机轴发动机和螺桨风扇发动机等

早在1913年,法国工程师雷恩.洛兰就获得了┅项喷气发动机的专利这是一种冲压式喷气发动机,在当时的低速下根本无法工作而且也缺乏所需的高温耐热材料。1930年弗兰克·惠特尔取得了他使用燃气涡轮发动机发动机的第一个专利,但直到11年后,他的发动机才完成其首次飞行惠特尔的这种发动机形成了现代涡輪发动机喷气发动机的基础。

涡轮发动机冲压喷气发动机将涡轮发动机喷气发动机(它常用于马赫数低于3的各种速度)与冲压喷气发动机結合起来在高马赫数时具有良好的性能。这种发动机的周围是一涵道前部具有可调进气道,后部是带可调喷口的加力喷管起飞和加速、以及马赫数3以下的飞行状态下,发动机用常规的涡轮发动机喷气式发动机的工作方式;当飞机加速到马赫数3以上时其涡轮发动机喷氣机构被关闭,气道空气借助于导向叶片绕过压气机直接流入加力喷管,此时该加力喷管成为冲压喷气发动机的燃烧室这种发动机适匼要求高速飞行并且维持高马赫数巡航状态的飞机,在这些状态下该发动机是以冲压喷气发动机方式工作的。

在马赫数 Ma<0.6 的速度下涡轮发動机螺旋桨发动机效率最高而当速度提高到马赫数 0.6-0.9 时,螺旋桨/涡轮发动机组合的优越性在一定程度上被内外涵发动机、涵道风扇发动机囷桨扇发动机所取代这些发动机的排气比纯喷气的涡轮发动机喷气发动机的排气流量大而喷气速度低,因而其推进效率与涡轮发动机螺旋桨发动机相当,超过了纯喷气发动机的推进效率在亚音速(Ma<1.0)条件下,涡轮发动机喷气发动机的推进效率最低当飞机飞行速度超过音速后(Ma>1.0),涡扇发动机由于迎风面积过大从而推进效率开始降低;与此相反,涡轮发动机喷气发动机的推进效率则迅速提升,即使在马赫数 2.5-3.0 范围下,渦轮发动机喷气发动机的推进效率仍然可以达到 90%正因为如此,与三代机普遍使用的涵道比为0.5-0.8的中等涵道比涡扇发动机相比F-22使用的F-119涡扇發动机把涵道比降回到0.29,为的就是能够实现(Ma1.4)的超音速巡航

涡喷发动机适合航行的范围很广,从低空低亚音速到高空超音速飞机都广泛应用前苏联的传奇战斗机米格-25高空超音速战机即采用留里卡设计局的涡喷发动机作为动力,曾经创下3.3马赫的战斗机速度纪录与37250米的升限纪录

与涡轮发动机风扇发动机相比,涡喷发动机燃油经济性要差一些但是高速性能要优于涡扇,特别是高空高速性能

同时喷气发動机尽管在低速时油耗要大于活塞式发动机,但其优异的高速性能使其迅速取代了后者成为航空发动机的主流。

每种发动机都有它们最佳使用的飞行包线(由速度x/高度y构成的xy坐标系)并不是说涡扇发动机一定比涡喷发动机省油,而在超音速时同样开加力燃烧室的涡扇发动機比涡喷发动机耗油率还高

涡轮发动机风扇发动机(简称:涡扇发动机,英文:Turbofan)是飞机发动机的一种由涡轮发动机喷气发动机(英文:Turbojet)发展而成。与涡喷发动机比较涡扇发动机主要特点是首级压缩机的面积大很多,同时被用作为空气螺旋桨(扇)将部分吸入的空氣通过外涵道向后推。涡扇引擎最适合飞行速度400至1000公里时使用因此现在大多数飞机均使用涡扇发动机。

涡桨发动机的排气速度太低推仂有限,同时影响飞机提高飞行速度因此必需提高喷气发动机的效率。发

动机的效率包括热效率和推进效率(引擎排气速度与飞行速度の比)两个部分提高燃气在涡轮发动机前的温度和高压压气机的增压比(转速),就可以提高热效率因为高温、高密度的气体包含的能量要大。但是在飞行速度不变的前提下,提高涡轮发动机前温度意味着提高涡轮发动机叶片以及在同一根轴上的压气机的转速,自嘫会使排气速度加大而流速快的气体在排出时动能损失大。

一般涡喷发动机的排气速度大多超过音速而飞机大多数时候是在亚音速飞荇。因此片面地加大热功率,即加大涡轮发动机前温度会导致推进效率的下降。要全面提高发动机效率必需解决热效率和推进效率這一对矛盾。涡轮发动机风扇发动机的妙处就在于既提高了涡轮发动机前温度,又不增加排气速度(通过增加低速的排气流量降低平均排气速度)。

涡扇发动机的结构实际上就是涡轮发动机喷气发动机的后方再增加了1-2级低压(低速)涡轮发动机,这些涡轮发动机带动┅定数量的风扇消耗掉一部分涡喷发动机(核心机)的燃气排气动能,从而进一步降低燃气排出速度风扇吸入的气流一部分如普通喷氣发动机一样,送进压气机(术语称“内涵道”)另一部分则直接从涡喷发动机壳外围向外排出(“外涵道”)。因此涡扇发动机的燃气能量被分派到了风扇和燃烧室分别产生的两种排气气流上。这时为提高热效率而提高涡轮发动机前温度,可以通过适当的涡轮发动機结构和增大风扇直径使更多的燃气能量经低压涡轮发动机驱动风扇传递到外涵道气流,从而避免大幅增加排气速度这样,热效率和嶊进效率取得了平衡发动机的效率得到极大提高。效率高就意味着油耗低飞机航程变得更远。但是大风扇直径增加了发动机的迎风面積所以涵道比大于0.3的涡扇发动机不适合超音速巡航飞行。虽然涡扇发动机降低了排气速度但并未降低推力,因为降低排气速度的同时增加了(外涵)排气流量从涵道比的角度看,涡扇发动机是涡喷发动机和涡桨发动机的折中

涡扇发动机优点:推力大、推进效率高、噪音低、燃油消耗率低,飞机航程远

缺点:风扇直径大,迎风面积大因而阻力大,发动机结构复杂设计难度大。

旁通比(Bypass ratio也称涵噵比)是不经过燃烧室的空气质量

与通过燃烧室的空气质量的比值。旁通比为零的涡扇引擎即是涡轮发动机喷气引擎早期的涡扇引擎和現代战斗机使用的涡扇引擎涵道比都较低。例如世界上第一款涡扇引擎劳斯莱斯的Conway,其涵道比只有0.3现代多数民航客机引擎的涵道比通瑺都在5以上。涵道比高的涡轮发动机扇引擎耗油较少但推力却与涡轮发动机喷气引擎相当,且运转时还宁静得多

核心机相同时,涡轮發动机风扇发动机的工质(工作介质)流量介于涡轮发动机喷气发动机和涡轮发动机螺旋桨发动机之间涡轮发动机风扇发动机比涡轮发動机喷气发动机的工质流量大、喷射速度低、推进效率高、耗油率低、推力大。50年代发展的第一代涡轮发动机风扇发动机其涵道比、压氣机增压比和燃气温度都较低,耗油率比涡轮发动机喷气发动机仅低25%左右大约为 0.06~ 0.07公斤/牛·时(0.6~0.7公斤/公斤力·时)。60年代末、70年代初發展了高涵道比(5~8)、高增压比(25~30)和高燃气温度 (1600~1750K)的第二代涡轮发动机风扇发动机,耗油率降低到0.03~

涡轮发动机风扇发动机(13张)

0.04公斤/牛·时(0.3~0.4公斤/公斤力·时),推力则高达200~250千牛(20000~25000公斤力)高涵道比涡轮发动机风扇发动机的噪声低,排气污染小多用作大型客机的动力装置,这种客机在11公里高度的巡航速度可达950公里/时但这种高涵道比的涡轮发动机风扇发动机的排气喷射速度低,迎风面积夶不宜用于超音速飞机上。战斗机通常使用低涵道比、带加力燃烧室的涡轮发动机风扇发动机在亚音速飞行时不使用加力燃烧室,耗油率和排气温度都比涡轮发动机喷气发动机低因而红外辐射强度较弱,不易被红外制导的导弹击中使用加力作2倍以上音速的飞行时,產生的推力可超过加力涡轮发动机喷气发动机地面标准大气条件下的推重比已达8左右。


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