转子发动机简述

转子发动机简述摘要:转子发动机是一个发动机领域的崭新理念，虽然具备诸多优点但由于 其自身的缺陷和技术、后期维护的障碍，使得其依然是汽车制造领域里的尖端技 术，其技术价值远高于其使用价值，所以转子发动机无法像当今活塞往复式发动 机那样在民用车上普及。本文叙述了转子动机的发展史，工作原理，优缺点以及 转子发动机运用情况。关键词:转子发动机；发展；运用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。当年马自达公司坚持下来的转子发动机从结构上讲是最适合 燃烧氢气，氢气是最“干净”的能源，因为氢燃烧完后排出的是水蒸汽，对环境没 有任何污染,而且还可以循环使用。马自达公司改制了 RX7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 一 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，从而引起了各界人士的高度关注。1转子发动机的发展历史转子发动机(Rotary Engine)又称为米勒循环发动机(Miller Cycle Engine)。 它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。这种发动机是由德国人菲加士 汪克尔(Felix Wankel，1902-1988) 发明，在总结前人的研究成果的基础上，解决了一些关键技术问题，研制成功第 一台转子发动机。实际上，在18世纪末期，在出版物中首次出现“连续运转内燃 机”的说法。连杆和曲柄机构的发明人沃特詹姆斯(1736-1819)，也曾研究转子式 内燃机。特别是在过去的150年里，发明者提出了许多关于转子发动机结构的提 案。在1846年，人们画出了当今转子发动机工作室的几何结构，设计了使用外 旋轮线的第一辆概念发动机。但是，这些概念都没有实用化，直到汪克尔菲加士 博士在1957年研制出汪克尔转子发动机。汪克尔博士通过研究和分析各种转子 发动机类型的可行性，找到了旋轮线壳体的最佳形状。他对飞机发动机上所用的 回转阀以及增压器的气密性密封机构具有深刻的了解，这些机构在其设计中的使 用，使汪克尔型转子发动机得以实用化。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工程师协会 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公司和雪铁龙公司在日内瓦组 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。20世纪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。2转子发动机的结构与工作原理现代的转子发动机由茧形壳体（一个三角形转子被安置在其中）组成。缸体 内部空间总是被分成三个工作室，转子转动这些工作室也在运动。依次在摆线型 缸体内的不同位置完成进气、压缩、作功（燃烧）和排气四个过程。转子和壳体 壁之间的空间作为内部燃烧室，通过气体膨胀的压力驱动转子旋转。和普通内燃 机一样，转子发动机必须在其工作室中相继形成四个工作过程。如果将三角形的 转子放置在圆形壳体的中心部，工作室将不会随着壳体内部转子的旋转而在体积 上发生变化。即使空燃混合气在那里点燃，燃烧气体的膨胀压力也仅作用在转子 的中部，不会产生旋转。这就是为什么壳体的内侧圆周被设计成旋轮线外形并和 安装在偏心轴上的转子组装在一起的原因。因此，每转一圈，工作室的体积变化 两次，从而实现内燃机的四个工作过程。在汪克尔型转子发动机上，转子的顶点随着发动机壳体内圆周的椭圆形壳体 而运动，同时保持与围绕在发动机壳体中心的一个偏心轨道上的输出轴齿轮的接 触。三角形转子的轨道是用一个相位齿轮机构来规定的。相位齿轮包括安装在转 子内侧的一个内齿圈和安装在偏心轴上的一个外齿轮。如果转子齿轮在其内侧有 30个齿，轴齿轮将在其外原周上有20个齿，由此得到其齿数比为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。由于这一 齿数比，转子和轴之间的转速比被限定为1:3。和偏心轴相比，转子有较长的转 动周期。转子转动一圈，偏心轴转动三圈。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。3转子发动机的优缺点3.1优点体积小重量轻：转子发动机有几个优点，其中最重要的一点是减小了体积和 减轻了重量。在运行安静性和平稳性两方面，双转子RE相当于直列六缸往复式 发动机。在保证相同的输出功率水平前提下，转子式发动机的设计重量是往复式 的三分之二，这个优点对于汽车工程师们有着无比的吸引力。特别是近年来，在 防撞性（碰撞安全）、空气动力学、重量分布和空间利用等方面的要求越来越严 格。精简结构：由于转子发动机将空燃混合气燃烧产生的膨胀压力直接转化为三 角形转子和偏心轴的转动力，所以不需要设置连杆，进气口和排气口依*转子本 身的运动来打开和关闭；不再需要配气机构，包括正时齿带、凸轮轴、摇臂、气 门、气门弹簧等，而这在往复式发动机中是必不可少的一部分。综上所述，转子 发动机组成所需要的部件大幅度减少。均匀的扭矩特性：根据研究结果，转子发动机在整个速度范围内有相当均匀 的扭矩曲线，即使是在两转子的设计中，运行中的扭矩波动也与直列六缸往复式 发动机具有相同的水平，三转子的布置则要小于V型八缸往复式发动机。运行 更安静，噪音更小：对于往复式发动机，活塞运动本身就是一个振动源，同时气 门机构也会产生令人讨厌的机械噪音。转子发动机平稳的转动运动产生的振动相 当小，而且没有气门机构，因此能够更平稳和更安静的运行。可靠性和耐久性： 如前所述，转子的转速是发动机转速的三分之一。因此，在转子发动机以9000 rpm 的转速运转时，转子的转速约为该转速的三分之一。另外，由于转子发动机没有 那些高转速运动部件，如摇臂和连杆，所以在高负荷运动中，更可靠和更耐久。3.2缺点工艺和成本要求高：由于转子发动机技术比较尖端，制作工艺要求比较高， 成本相对活塞发动机要高很多。转子发动机的耗油量大：这主要是转子发动机燃烧室的形状不太有利于完全 燃烧，火焰传播路径较长，使得燃油和机油的消耗增加。而且转子发动机只能用 点燃式，不能用压燃式，这就意味着转子发动机只能用汽油做为燃料。运用成本高：活塞往复式发动机技术已经是十分成熟的技术，无论是设计、 制造、维护都早已被人们认知。虽然其重量、体积、振动和噪声都高于转子发动 机，但是在现在的民用车上与之配套的底盘、车身、传动系统、发动机控制系统 等构成车辆的主要部件也都是成熟的技术，不需单独开发，相应的搭配也较为容 易。而相对转子发动机，要将其用于民用车上，就要重新开发用于搭载其的底盘、 车身、传动系统等关键部件，这都无形增加了新车的设计制造成本和难度。维修困难：没有相对成熟汽车技术基础和制造技术作为铺垫，使转子发动机 后期维护较为困难，现在的活塞往复式发动机的维护网络已经相当完善，而采用 转子发动机后，各汽车企业要为其改造全球庞大的维护网络和配套的设施，让维 修技术人员重新了解转子发动机并掌握其维护技术也是相当困难的，不像活塞往 复式发动机已经没有了技术障碍。大功率、低扭矩：如果用于不注重扭矩和油耗的赛车上，并没太大问题.。 然而我们都熟悉驾驶车辆在城市中行驶，人们往往不会追求过大的功率，因为出 于安全的考虑，城市中往往限制车辆行驶的最高车速，由于转子发动机是追求高 速大功率的发动机，当其在低速运转时，没有足够的扭矩输出用以推动车辆行驶。 这样就造成了为了提高发动机的扭矩就要极大程度的增大发动机的转速，这样一 来在城市里驾车就成了相当困难和痛苦的事情了。同时，相对于众多美国车和高 档豪华车来说，其自身重量较大，当车辆启动时就需要充足的扭矩，而转子发动 机在低速下不能提供充足的扭矩，用于推动重量较大车辆。而其对于民用车来说， 不仅需要大功率还需要低速高扭矩，这些需求转子发动机只能满足大功率，而无 法实现低速高扭矩。若将转子发动机技术用于民用车上，为了缓解期低速低扭的 缺陷，又需开发全新的传动系统，极大限度增大传动比，以达到增扭的目的，这 样一来反而又降低转子发动机高速大功率的特点。这使得转子发动机在民用车上 的应用相对比较困难。4转子发动机的运用转子发动虽然目前还存在一些问题，但是在马自达公司的精心运作下，转子 发动机爆发出了它的潜力。其中，最为辉煌的成绩要属2003年的2.53.0L国 际年度最佳发动机奖(I nternational Engine of the Year) 了，获得此项殊荣的是装配 在马自达RX-8上的Renesis (The Rot ary Engines GENE)S专子发动机，它在 静态时的排量只有1.3L，但当它运动起来后其排量应是2.6L，因此，它的评比 在2.53.0L级别之内。Renesis转子发动机的最大功率为184kW (8500r/min)， 最大扭矩为216Nm (5500r/min)，RX-8的0100km/h加速时间不到6秒，百 公里油耗只有8.3L。转子发动机还广泛地参加了汽车赛事来检验其性能的可靠性，而这一切在 1991年著名的勒芒24小时汽车耐力赛上得到了证明，装有马自达四转子的787B 获得了历史性的胜利，为马自达在汽车历史上写下辉煌的一页。更重要的是，这 次胜利证明了公司在转子发动机上的技术的逐渐成熟。5结束语作为一个新的高端的发动机技术，转子发动机目前还存在着一些缺陷,因此使 得其技术价值远高于其使用价值，为此转子发动机还有很长的一段路要走，也还 有更多的困难要克服，不过不管怎么样，这项技术会越来越成熟，也许在未来的 某一天，转子发动机将代替往复活塞式发动机，成为世界汽车的强劲心脏。参考文献：裴海灵，周乃君,高宏亮.三角转子发动机的特点及其发展概况综述J.内燃 机,2006(03).2李立君，尹泽勇，乔渭阳等.汽油转子发动机燃烧过程模拟技术研究J.内燃 机学报,2005(5).姜国平转子发动机J.汽车与配件,2003(31).梁健光，杨道荫我国转子发动机的发展与展望J.动力工程,1997(05).5辛动三角转子发动机M.北京:科学出版社,1981.