转子发动机

转子发动机 转子发动机简介 转子发动机（Wankel Engine、Rotary Engine） 目前在商品汽车上普遍使用往复式活塞发动机。还有一种知名度很高，但应用很少的发 动机，这就是三角活塞旋转式发动机，也就是转子发动机。这种发动机是由德国人菲加士?汪克尔（Felix Wankel，1902-1988）所发明，他在总结前人的研究成果的基础上，解决了一些 关键技术问，研制成功了第一台转子发动机。转子发动机采用三角转子旋转运动来控制压 缩和排放，与传统的活塞往复式发动机的直线运动迥然不同。 转子发动机的发展历史 菲加士?汪克尔于1902年出生在德国，1921年到1926年受雇于海德堡一家科技出版社 的销售部。1924年，汪克尔在海德堡建立了自己的公司，他花了大量的时间在那里进行转 子发动机的研制。1927年，诸如气密性和润滑等的一系列技术问题的攻克终于有了眉目。 二战期间，汪克尔曾为德国空军部服务。 1951年，菲加士?汪克尔与德国NSU公司签订了关于合作开发转子发动机的合约。1954年4月13日，NSU公司研制成功第一台转子发动机，并于1958年对这种发动机展开一系列测试。1960年，汪克尔转子发动机在德国师协会的一次讨论会上作首次公众讨论。 三年后，NSU公司在法兰克福车展上展出了装备汪克尔转子发动机的新车型。1964年，NSU公司和雪铁龙在日内瓦组建合资企业COMOBIL公司，首次把转子发动机装在轿车上成为 正式产品。1967年，日本东洋工业公司也将转子发动机装在马自达轿车上开始成批生产。 当时业内人士认为这种发动机的结构紧凑轻巧，运转宁静畅顺，也许会取替传统的活塞式发 动机。 一向对新技术情有独钟的马自达公司投巨资从汪克尔公司买下了这项技术。由于这是一 项高新技术，懂得这项技术的人寥寥无几，发动机坏了无人会修，而且耗油大，汽车界有人 对这种发动机的市场前景产生了怀疑。70年代石油危机爆发，各国忙于应付各方面的困难 而无暇顾及发展转子发动机，唯有马自达公司仍然深信转子发动机的潜力，独自研究和生产 转子发动机，并为此付出了相当大的代价。他们逐步克服了转子发动机的缺陷，成功地由试 验性生产过渡到商业性生产，并将安装了转子发动机的RX-7型跑车打入了美国市场，令人 刮目相看。 在世界环保意识日益强化，石油资源日渐沽竭的今天，以氢气做动力源的研究已成为一 大课题。当年马自达坚持下来的转子发动机从结构上讲是最适合燃烧氢气，而且最“干净”，因为氢燃烧完后排出的是水蒸汽，对环境没有任何污染。马自达公司改制了RX-7型跑车的转子发动机，使它可以用氢做燃料。这种发动机装配在马自达 HR-X汽车上，1立方米的燃料箱吸储了相当43立方米的压缩氢气，以每小时60公里的车速可行驶230公里，引起了各界人士的关注。由于从生产装配到维护修理，转子发动机都与传统的发动机大不一样，开发 成本大。加上往复式活塞发动机在功率、重量、排放、能耗等方面都比过去有了显著提高， 加上各大汽车企业对往复式活塞发动机技术研究的成熟，而对转子发动机技术的生疏，转子 发动机没有显出明显的优势，因此各大汽车企业都没有积极性去开发利用，唯有马自达一家。 [编辑本段]转子发动机的工作原理 一般发动机是往复运动式发动机，工作时活塞在气缸里做往复直线运动，为了把活塞的 直线运动转化为旋转运动，必须使用曲柄连杆机构。转子发动机则不同，它直接将可燃气的 燃烧膨胀力转化为驱动扭矩。与往复式发动机相比，转子发动机取消了无用的直线运动，因 而同样功率的转子发动机尺寸较小，重量较轻，而且振动和噪声较低，具有较大优势。 转子发动机的运动特点是：三角转子的中心绕输出轴中心公转的同时，三角转子本身又 绕其中心自转。在三角转子转动时，以三角转子中心为中心的内齿圈与以输出轴中心为中心 的齿轮啮合，齿轮固定在缸体上不转动，内齿圈与齿轮的齿数之比为3：2。上述运动关系 使得三角转子顶点的运动轨迹（即汽缸壁的形状）似“8”字形。三角转子把汽缸分成三个独 立空间，三个空间各自先后完成进气、压缩、做功和排气，三角转子自转一周，发动机点火 做功三次。由于以上运动关系，输出轴的转速是转子自转速度的3倍，这与往复运动式发动机的活塞与曲轴１：１的运动关系完全不同 转子发动机与传统往复式发动机的比较往复式发动机和转子发动机都依靠空燃混合气 燃烧产生的膨胀压力以获得转动力。两种发动机的机构差异在于使用膨胀压力的方式。在往 复式发动机中，产生在活塞顶部面的膨胀压力向下推动活塞，机械力被传给连杆，带动曲 轴转动。 对于转子发动机，膨胀压力作用在转子的侧面。 从而将三角形转子的三个面之一推向 偏心轴的中心（见图中力PG）。这一运动在两个分力的力作用下进行。一个是指向输出轴中 心（见图中的Pb）的向心力，另一个是使输出轴转动的切线力（Ft）。 壳体的内部空间（或旋轮线室）总是被分成三个工作室。 在转子的运动过程中，这三个工作室的容积不停地变动，在摆线形缸体内相继完成进气、压缩、燃烧和排气四个过程。 每个过程都是在摆线形缸体中的不同位置进行，这明显区别于往复式发动机。往复式发动机 的四个过程都是在一个汽缸内进行的。 转子发动机的排气量通常用单位工作室容积和转子的数量来表示。例如，对于型号为 13B的双转子发动机，排量为"654cc × 2"。 单位工作室容积指工作室最大容积和最小容积之间的差值；而压缩比是最大容积和最小 容积的比值。往复式发动机上也使用同样的定义。 如下图所示，转子发动机工作容积的变化，以及与四循环往复式发动机的比较。尽管在 这两种发动机中，工作室容积都成波浪形稳定变化，但二者之间存在着明显的不同。首先是 每个过程的转动角度：往复式发动机转动180度，而转子发动机转动270度，是往复式发动机的1.5倍。换句话说，在往复式发动机中，曲轴（输出轴）在四个工作过程中转两圈（720 度）； 而在转子发动机中，偏心轴转三圈（1080度），转子转一圈。这样，转子发动机就 能获得较长的过程时间，而且形成较小的扭矩波动，从而使运转平稳流畅。 此外，即使在高速运转中，转子的转速也相当缓慢，从而有更宽松的进气和排气时间， 为那些能够获得较高的动力性能的系统的运行提供了便利。 转子发动机的应用 如今马自达的转子发动机已经传承到RX-8身上，这颗RENESIS又有哪些进展呢？首先是进气孔面积加大了30%，使得发动机的进气量足以应付到10000rpm的需求。但大家都知道，这样低转速会变得很糟糕，于是马自达将原本的三进气孔两阶段式设计，再进化成三 进气孔三阶段式设计，尽量避免低转速的无力现象，而为了高转速化，破天荒的将转子制成 镂空状，大幅降低转子的重量，使得自然进气的RX-8可以藉由拉转速的方式，达到250匹 马力的水准。但RENESIS发动机最创新的地方在于排气口，以往转子发动机的排气口都是 作在气室壁上，往往一些未燃烧的油气与些许的润滑油就会在此被刮入排气管，造成污染问 题。 但在RENESIS上，排气口与进气口一样设在前后侧壁上，当场解决掉以往HC的污染问题，也顺带使得进排气完全不重叠，不会有进气漏到排气管的问题，也可在前后侧壁各开 一个排气孔，让发动机排气孔变两个提升排气效率，以达成高转速化的目的。(听说在280ps的RX-7上就已经是了) 这就是为什么RX-8能以1.3L的排气量，而且还是在自然进气的状 态下，却能够产生250匹马力的原因了。马自达的转子发动机成就不是一蹴可及的，是不断 透过一点一滴的修改，才能造就目前的RX-8的！ [编辑本段]优点和缺点 转子引擎的转子每旋转一圈就作功一次，与一般的四冲程发动机每旋转两圈才作功一次 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比结构大大简化， 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，由于三角转子引擎的相邻容腔间只有一个径向密封片，径向密封片与缸体始终 是线接触，并且径向密封片上与缸体接触的位置始终在变化，因此三个燃烧室非完全隔离（密 封），径向密封片磨损快。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。其独特的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 复式引擎的不同，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的基准。 易理偶式转子发动机 易理偶式转子发动机是发明人集二十几年的研究所得，它与一般发动机的原理虽然 相同，具备吸气、压缩、爆发、排气等四程序工作循环，但由于结构的根本不同。它的动力 消耗少，发动机的转子是回旋式运动，活动部件少。易理转子发动机将吸气、压缩和爆发、 排气在不同的汽缸内完成，其本身的特殊构造冲破了往复式发动机吸、压、爆、排在一缸做 功的模式，又摆脱了汪克尔等三角转子发动机的框架，也解决了日本马自达转子发动机的成 本高、油耗大，维修难，零部件制作难度高等弊端。 易理式转子发动机没有进气门、排气门等复杂结构，是由中间机构连锁控制的特殊过气 装置调节，使其在旋转到任何角度都在工作，是上道工序对下道工序不间断地完成了工作循 环。 由于易理式转子发动机的结构特点，每180度就有双偶同步，同时爆发做一次功。因此是四行程发动机同缸容功率的8倍，是二行程发动机同缸容的四倍，尚不包括易理偶式转子 发动机比往复式发动机扭距大，爆发做功行程长等优点而提高的功率，又不含往复式发动机 往复运动时互相抵消惯性力所消耗的功率;同时减去了往复式发动机进气，排气装置的复杂 结构的进气，排气门的弹簧力消耗的功率。 易理偶式转子发动机的转子接触部件均为正园接触，并设计成双偶力距，形成一对阴阳 均衡的双偶力，故可高速而平稳旋转。 易理偶式转子发动机的联接紧凑，传动布置合理、噪音低，作用力为易理偶式转子发动 机受力臂与力垂直作用兼有部分切线分力的总和，具有升功率大等优点。 当往复式发动机压缩比为1:6时，废气残留量是缸容的16.67%。压缩比为1:7时，废气 残留量为14.26%。压缩比为1:8.5时，废气残留量为缸容的11.76%。这还不包括往复式发动为使进气后形成紊流为更好燃烧而在活塞顶部设计的浅盘式或深盘式的形状所形成的废 气残留量，综合这些废气残留量引起排气门提前开启扫气作用而损失的功率，影响了作功效 率、燃烧值及进气系数，并增加了排气污染量。 易理偶式转子发动机的结构特点没有往复式发动机的燃烧室，因此不存在废气的残留， 故此也没有扫气概念。如果按同径相比较，做功行程为82.16%，比往复式发动的行程59.7% 增加22.46%，也就增加22.46%行程而引起功率增加的含量。 易理偶式转子发动机燃料可选用汽油、柴油及其他可燃性气体，只须调解调压块即可更 换燃料品类，具有燃料变通性大等特点。对汽油和柴油喷射更为方便，油气混合更为充分， 是易理偶式转子发动机又一大特点。 易理偶式发动机部件少、易损件容易更换，摩擦部件可以自身调节补偿，自动提高密封 性，传动部件的润滑由自身提供，减去了机油润滑泵的结构，一般的往复式发动机行程达到 20万公里时，缸套与活塞磨损超过0.19mm就得大修，而易理式转子发动机磨损1mm时也 照样可以自调补偿继续运行。 易理偶式转子发动机整体积小、重量轻、寿命长，同功率比是往复式发动机的体积的 2/3，重量是往复式发动机的1/3。 易理式偶式转子发动机部件加工简单，不需特殊加工设备。 易理偶式转子发动机可以采用往复式发动机的材质即能达到设计和使用要求。 易理偶式转子发动机所采取的油路系统、电路系统、冷却系统与现有往复式发动机等同。 日后可根据具体要求设计新型油电系统。 易理偶式转子发动机没有进气门、排气门，发动机在任何时候都能进气、排气，所以没 有骤然激增现象，故有自身消音现象。还具有排气出口可在水中排气功能，这是目前机动车 发动机无法比拟的优势。 易理偶式转子小可做到0.5KW，大至几万KW，可按照串联、并联、混联等结构型式使用。