新一代的转子发动机

 

汪克尔型转子发动机的结构和工作原理


    在过去的400年中,许多发明家和工程师一直都想开发一种连续运转的内燃机。人们希望有朝一日往复活塞式内燃机将被优雅的原动力引擎所取代,它的运动轨迹应该非常接近人类伟大的发明之一:轮子。

    实际上,在十六世纪末期,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。

    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。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。当发动机转速为3000 转/分时,转子的速度只有1000 转/分。

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,产生在活塞顶部表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。

    如图中所示,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。

汪克尔型转子发动机的特点

    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的情况下。

    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,进气口和排气口依靠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。在1991的勒芒汽车赛中的大获全胜就充分证明了这一点。

    相对于往复式发动机的比较,转子发动机有如下缺点,耗油量比较大。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,也就是不能采用柴油。功率输出轴位置比较高,令整车布置安排不便。另外,转子发动机的加工制造技术高,成本比较贵,推广困难。

本文主要内容由马自达汽车公司提供
2005年5月12日

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