活塞式飛機的動力裝置：簡易活塞式發動機與航空螺旋槳技術入門

活塞式飛機的發明對其後百年中航空業具備重大的影響與意義，從1903年第一架飛機升空到第二次世界大戰末期，所有飛機都用活塞式航空發動機作為動力裝置，然而由於活塞式發動機的動力小，所以20世紀40年代中期，在軍用飛機和大型民用機上，高速且功率大的燃氣渦輪發動機逐漸地取代了活塞式航空發動機，但是因為螺旋槳在低空低速飛行時的效率高與經濟效益好，而且因為造價低以及易於維修等優點，所以目前仍用於輕型飛機的低速飛機（例如私人飛機、初級教練機及小型運輸機）的使用上，且多為氣冷式的小功率活塞式發動機。

隨著目前二岸的交流頻繁，觀光旅遊業的盛行，許多業者紛紛配合觀光景點著手策劃載客量小以及短程飛行的觀光行程，基於活塞式航空發動機在低空低速飛行時的效率高而且造價低廉的特點，未來可能會成為觀光業者的新寵兒。本章在此，針對其基礎概念做一簡單介紹。

一、飛機發動機的定義

（一） 飛機的定義：由動力裝置產生前進的拉力或推力，由固定機翼產生升力，在大氣層中飛行的重於空氣的航空器稱為飛機。無動力裝置的滑翔機、以旋翼作為主要升力來源的直升機以及在大氣層外飛行的航太飛機都不屬於飛機的範圍。飛機活動的範圍主要是在離地25公里以下的大氣層內（民航機活動的範圍大約是在離地10公里），在大氣層內飛行是飛機的基本特點。

（二） 飛機發動機的功能：航空發動機是飛機產生動力的核心裝置，其主要的功能是用來是指主要用來產生拉力或推力，藉以克服飛機的重力與空氣相對運動時產生的阻力使飛機起飛與前進。

二、活塞式飛機的制動原理與應用限制

如圖二所示，活塞式飛機的制動原理飛機是藉由內燃機的原理，使在氣缸內產生的動力，經由傳動軸將馬力傳輸至螺旋槳，帶動飛機的螺旋槳拍擊大氣空氣，並使空氣加速向後流動時，造成空氣對螺旋槳產生反作用力（拉力）來拉動飛機，使飛機向前推進。

由於活塞式發動機是藉由螺旋槳拍擊大氣空氣並使空氣加速向後流動時產生使飛機向前的驅動力，在高空的時候，空氣稀薄，螺旋槳拍擊空氣的作用不易發揮，因此限制了活塞式發動機飛機飛行高度；在低空的時候，如果要加快飛行速度，那麼高速旋轉的螺旋槳，在其槳葉尖端也會引發音障效應，而使得螺旋槳效率大大降低，而要增加發動機的推力，就要增加發動機氣缸的容積和數量，但這卻會導致發動機本身的重力和體積成倍增長，並使飛機阻力猛增，而且會因為發動機重力過重而使飛機內部結構無法安排。這些問題導致了活塞式發動機只能應用於載重量小，而且只能在低空低速的輕型飛機和超輕型的飛機。

三、活塞式航空發動機的設計要求 活塞式航空發動機是利用內燃機原理以四個行程之動作產生動力，其 運轉原理與汽車引擎並無不同，二者都是將燃油和空氣混合，藉由在氣缸 燃燒後所產生的熱能轉換成機械能，從而獲得推進力的裝置。但是活塞式 航空發動機的性能要求遠比汽車引擎嚴格精密，因此在設計時必須符合下 列五點要求： （一）經濟省油，藉以符合成本效益。 （二）發動機必須以最小單位重量產生最大之馬力。 （三） 在不影響輸出馬力原則下，發動機應具最小之前視面積，藉以降低 形狀阻力。。 （四）安全性高、使用壽限長、維修容易、維修品質與可靠性必須要佳。 （五）成本低廉、制作容易以及方便檢查與維護。

活塞式飛機的發明對其後百年中航空業具備重大的影響與意義，從1903年第一架飛機升空到第二次世界大戰末期，所有飛機都用活塞式航空發動機作為動力裝置，然而由於活塞式發動機的動力小，所以20世紀40年代中期，在軍用飛機和大型民用機上，高速且功率大的燃氣渦輪發動機逐漸地取代了活塞式航空發動機，但是因為螺旋槳在低空低速飛行時的效率高與經濟效益好，而且因為造價低以及易於維修等優點，所以目前仍用於輕型飛機的低速飛機（例如私人飛機、初級教練機及小型運輸機）的使用上，且多為氣冷式的小功率活塞式發動機。

隨著目前二岸的交流...

一、 隨著目前二岸的交流頻繁，觀光旅遊業的盛行，無論是民間與政府對航空人才的需求愈來愈多，活塞式飛機動力裝置（活塞式發動機與螺旋槳）的基礎是民航飛行員所應掌握的基本知識以及獲取飛機駕駛執照所必備的條件。

二、 航空證照的考試分成飛丙、飛乙、CAA以及FAA等，飛丙證照由於獲得證照的人數太多，對求職幾乎是沒有任何幫助。而CAA與FAA單是受訓就要二、三十萬，在繳上大筆學費與耗費大量時間，卻一無所獲，你或妳甘心嗎？

三、 從民航局所公布「地面機械員學科、術科及檢定加簽檢定項目」中，活塞式飛機的動力裝置（活塞式發動機與螺旋槳）是考照重點，在2013年的民航特考「飛航管制」的飛行原理考試科目中，活塞式飛機的動力裝置更佔了相當的比重。除此之外，航空發動機更被民航局列為今後民航特考「飛航管制」的飛行原理考試科目的重點，而在民航特考「航務管理」的空氣動力學考試科目中，早已被納入計算題中，你或妳知道嗎？但是目前市面上卻無一本有關活塞式飛機動力裝置的書籍出現。

四、 活塞式飛機的發明對其後百年中的航空業具備重大的影響與意義，雖然因為其動力小，曾經一度被渦輪發動機所取代，但是隨著目前二岸的交流頻繁，觀光旅遊業的盛行，許多業者紛紛配合觀光景點著手策劃載客量小以及短程飛行的觀光行程，基於活塞式航空發動機造價低廉以及在低空低速的效率好的特點，未來可能會成為觀光業者的新寵兒。

五、 在探討活塞式飛機的動力裝置時，發動機與螺旋槳是不能分割的，活塞式發動機的原理可以應用在汽車引擎上，而螺旋槳技術不僅只是使用在螺旋槳飛機上，還可應用在飛艇、直升機以及遊艇的動力裝置，在工業上的其他領域，例如：水平軸式風力發電機以及家用電風扇也是根據螺旋槳的制動原理發展起來的。由此可知，其具有廣泛的應用領域與發展空間。

六、 本書利用簡明以及條列式的文字描述活塞式飛機的動力裝置（活塞式發動機與螺旋槳），而盡量不引用枯燥的數學演練，希望本書能成為一本介紹活塞式飛機的入門書籍，不僅可以提供航空相關科系CAA考照以及民航局高考與民航特考的參考，更可做為對航空工程有興趣學生的課外讀物以及二專、二技、大學航空相關課程使用。

七、 本書能夠出版首先感謝本人已故父母陳光明先生與陳美鸞女士的大力栽培，內人高瓊瑞女士在撰稿期間諸多的協助與鼓勵。除此之外，承蒙秀威資訊科技股份有限公司惠予出版以及段松秀與賴英珍二位小姐的細心編排，在此一併致謝。個人或許能力有限，如果讀者希望仍有添增、指正與討論之處，歡迎至讀者信箱src66666@gmail.com留言。

一、 隨著目前二岸的交流頻繁，觀光旅遊業的盛行，無論是民間與政府對航空人才的需求愈來愈多，活塞式飛機動力裝置（活塞式發動機與螺旋槳）的基礎是民航飛行員所應掌握的基本知識以及獲取飛機駕駛執照所必備的條件。

二、 航空證照的考試分成飛丙、飛乙、CAA以及FAA等，飛丙證照由於獲得證照的人數太多，對求職幾乎是沒有任何幫助。而CAA與FAA單是受訓就要二、三十萬，在繳上大筆學費與耗費大量時間，卻一無所獲，你或妳甘心嗎？

三、 從民航局所公布「地面機械員學科、術科及檢定加簽檢定項目」中，活塞式飛機的動力裝置（活塞式發動機...

作者序

第一篇　發動機的基礎知識
第一章　活塞式航空發動機的基礎概念
一、飛機發動機的定義
二、活塞式飛機的制動原理與應用限制
三、活塞式航空發動機的設計要求
四、活塞式航空發動機的主要組件
五、活塞式發動機的輔助工作系統
六、影響活塞式航空發動機運轉之重要因素
七、活塞式航空發動機的主要工作狀態
八、活塞式航空發動機的特性
九、活塞式航空發動機的額定高度
第二章　基本的流體力學
一、大氣性質介紹
二、飛行環境
三、大氣性質的變化
四、氣流特性
五、柏努利定理
六、理想氣體
七、穩定流動的質量守恆定理
八、音（聲）速與震波
第三章　熱力學基礎知識
一、能量轉換規律
二、重要名詞解釋
三、可逆過程
四、理想氣體
五、絕熱過程
六、典型的四種理想熱力過程
七、理想氣體的多變過程

第二篇　活塞式航空發動機
第四章　活塞式航空發動機的分類與性能
一、活塞式發動機的分類
二、活塞式航空發動機的主要性能
三、評定活塞式航空發動機性能的指標
第五章　活塞式發動機的制動原理
一、活塞式發動機的工作原理
二、活塞式發動機的理論循環
三、實際工作循環
四、影響發動機有效功率與有效效率的因素
第六章　油氣調節與燃料管理
一、油氣調節
二、燃料管理

第三篇　空氣螺旋槳理論
第七章　螺旋槳的基礎理論與制動原理
一、螺旋槳在航空器上的應用
二、基本知識
三、螺旋槳種類
第八章　螺旋槳的優化設計、效率與故障排除
一、螺旋槳的優化設計
二、螺旋槳的效率
三、螺旋槳的故障與排除

參考文獻

作者序

第一篇　發動機的基礎知識
第一章　活塞式航空發動機的基礎概念
一、飛機發動機的定義
二、活塞式飛機的制動原理與應用限制
三、活塞式航空發動機的設計要求
四、活塞式航空發動機的主要組件
五、活塞式發動機的輔助工作系統
六、影響活塞式航空發動機運轉之重要因素
七、活塞式航空發動機的主要工作狀態
八、活塞式航空發動機的特性
九、活塞式航空發動機的額定高度
第二章　基本的流體力學
一、大氣性質介紹
二、飛行環境
三、大氣性質的變化
四、氣流特性
五、柏努利定理
六、理想氣體
七、穩定流動的質...