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情毒

活塞式发动机

piston engine

定义：依靠活塞在汽缸中作往复运动，使气体工质完成热力循环，并将燃料的部分化学能转化为机械功的动力装置。

学科：航空科学技术_推进技术与航空动力装置

相关名词：航空发动机 星型发动机 汽车发动机


图片来源：视觉中国

【延伸阅读】

1876年，德国人尼古拉斯·奥古斯特·奥托（Nikolaus August Otto）研制出世界上第一台活塞式发动机。1883年，德国人戈特利布·威廉·戴姆勒（Gottlieb Wilhelm Daimler）与好友威尔赫姆·迈巴赫（Wilhelm Maybach）合作研制出以汽油为燃料的活塞发动机。1886年，德国人卡尔·弗里特立奇·本茨（Karl Friedrich Benz）将一台活塞式发动机安装在三轮车上，制造出世界上第一辆汽车。1903年，美国人莱特兄弟将一台四汽缸汽油活塞式发动机作为飞机的动力机，制造出世界上第一架飞机。

活塞发动机是内燃机的一种，主要组成部分有活塞、汽缸、曲轴、连杆、进排气门等。活塞在汽缸内部，随着汽缸内压力的变化而运动。其工作过程大致分为：汽缸的进气门将包含雾化燃料和空气的混合气注入汽缸内，随着缸内压力的升高，活塞向下移动。需要注意的是，我们通常所说的“油门”并不是控制汽油进入汽缸的阀门，其专业名称是“节气门”，它是负责控制空气进入汽缸内部的机构。之后汽缸的进气门关闭，活塞通过连杆与曲轴连接，曲轴运动的惯性使活塞在运行至最低点后转而向上移动，对燃气混合气进行压缩。当活塞移动至最高点后，火花塞将高压下的燃油与空气混合气点燃，在爆燃产生的强大动力下，活塞迅速向下移动。之后活塞移动至最低点后转而向上移动，同时排气门打开，将燃料与空气燃烧后产生的废气排出汽缸。以上四个过程，分别称为进气、压缩、做功、排气四个冲程，大多数活塞式发动机的工作过程都由以上四个冲程组成，这种发动机也称为四冲程发动机。

活塞式发动机种类繁多，应用领域极为广泛。除四冲程发动机外，还有二冲程发动机（用于部分摩托车）。活塞发动机按燃料种类划分，有柴油机和汽油机等类型；按汽缸排列方式划分，有直列型、V型、W型、水平对置型及星型发动机等类型。这些发动机各有特点，例如用于早期战斗机的星型活塞发动机轴向尺寸很短、动力强劲、飞行时散热性好，不需要为发动机机体设计水箱；水平对置发动机常见于保时捷（Porsche）牌汽车发动机，由于这种发动机的活塞处于平躺状态，运行中活塞不会因为快速上下移动产生类似跳绳时的振动，因此工作更加平稳，而且其整体结构更加扁平，有助于降低车辆重心，提高车辆稳定性。除此之外，活塞式发动机还经常装有涡轮机构以提升发动机动力。由于从发动机汽缸排出的气体仍具有较大压力和温度，利用涡轮可将这些能量再次利用，提升空气进入汽缸时的压力，以此来显著提升发动机的动力。

活塞发动机的转速可达每分钟1万转以上，由于活塞在汽缸中的快速往复运动，其承受的加速度极大，对活塞强度要求很高。另外，为了提高发动机的能量利用率，活塞与汽缸通常配合紧密，因此活塞在汽缸中的运动过程会对汽缸内壁造成磨损。

近期，世界上许多国家及主要汽车厂商纷纷公布了自己的汽油车退出市场的时间表，以化石能源为燃料的汽油车将在不久的未来逐步退出历史舞台。汽油车是活塞式发动机应用最重要的领域，汽油车的淘汰，也将导致活塞式发动机的使用大幅减少。

（延伸阅读作者：中国航发北京航空材料研究院 高健时）