知道什么是轉(zhuǎn)子引擎嗎

目前在商品汽車上普遍使用往復(fù)式活塞發(fā)動機(jī).還有一種知名度很高,但應(yīng)用很少的發(fā)動機(jī),這就是三角活塞旋轉(zhuǎn)式發(fā)動機(jī).
轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)又稱為米勒循環(huán)發(fā)動機(jī).它采用三角轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)運動來控制壓縮和排放,與傳統(tǒng)的活塞往復(fù)式發(fā)動機(jī)的直線運動迥然不同.這種發(fā)動機(jī)由德國人菲加士·汪克爾發(fā)明,在總結(jié)前人的研究成果的基礎(chǔ)上,解決了一些關(guān)鍵技術(shù)問題,研制成功第一臺轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī).
汪克爾于1902年出生在德國,1921年到1926年受雇于海德堡一家科技出版社的銷售部.在1924年,汪克爾在海德堡建立了自己的公司,他花了大量的時間在那里進(jìn)行轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)的研制,在1927年,諸如氣密性和潤滑等的一系列技術(shù)問題的攻克終于有了眉目.60年初在德國生產(chǎn)出第一輛裝配了轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)的小跑車.當(dāng)時業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為這種發(fā)動機(jī)的結(jié)構(gòu)緊湊輕巧,運轉(zhuǎn)寧靜暢順,也許會取替?zhèn)鹘y(tǒng)的活塞式發(fā)動機(jī).
1964年,日內(nèi)瓦的德法合資企業(yè)COMOBIL公司,首次把轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)裝在轎車上成為正式產(chǎn)品.1967年,日本人也將轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)裝在馬自達(dá)轎車上開始成批生產(chǎn).
一向?qū)π录夹g(shù)情有獨鐘的馬自達(dá)公司投巨資從汪克爾公司買下了這項技術(shù).由于這是一項高新技術(shù),懂得這項技術(shù)的人寥寥無幾,發(fā)動機(jī)壞了無人會修,而且耗油大,汽車界有人對這種發(fā)動機(jī)的市場前景產(chǎn)生了懷疑.70年代石油危機(jī)爆發(fā),各國忙于應(yīng)付各方面的困難而無暇顧及發(fā)展轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī),唯有馬自達(dá)公司仍然深信轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)的潛力,獨自研究和生產(chǎn)轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī),并為此付出了相當(dāng)大的代價.他們逐步克服了轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)的缺陷,成功地由試驗性生產(chǎn)過渡到商業(yè)性生產(chǎn),并將安裝了轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)的RX-7型跑車打入了美國市場,令人刮目相看.
在世界環(huán)保意識日益強(qiáng)化,石油資源日漸沽竭的今天,以氫氣做動力源的研究已成為一大課題.當(dāng)年馬自達(dá)堅持下來的轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)從結(jié)構(gòu)上講是最適合燃燒氫氣,而且最"干凈",因為氫燃燒完后排出的是水蒸汽,對環(huán)境沒有任何污染.馬自達(dá)公司改制了RX-7型跑車的轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī),使它可以用氫做燃料.這種發(fā)動機(jī)裝配在馬自達(dá)HR一X汽車上,1立方米的燃料箱吸儲了相當(dāng)43立方米的壓縮氫氣,以每小時60公里的車速可行駛230公里,引起了各界人士的關(guān)注.由于從生產(chǎn)裝配到維護(hù)修理,轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)都與傳統(tǒng)的發(fā)動機(jī)大不一樣,開發(fā)成本大.加上往復(fù)式活塞發(fā)動機(jī)在功率,重量,排放,能耗等方面都比過去有了顯著提高,轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)沒有顯出明顯的優(yōu)勢,因此各大汽車企業(yè)都沒有積極性去開發(fā)利用,唯有馬自達(dá)一家苦苦支撐.一般發(fā)動機(jī)是往復(fù)運動式發(fā)動機(jī),工作時活塞在氣缸里做往復(fù)直線運動,為了把活塞的直線運動轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)運動,必須使用曲柄連桿機(jī)構(gòu).轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)則不同,它直接將可燃?xì)獾娜紵�膨脹力轉(zhuǎn)化為驅(qū)動扭矩.與往復(fù)式發(fā)動機(jī)相比,轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)取消了無用的直線運動,因而同樣功率的轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)尺寸較小,重量較輕,而且振動和噪聲較低,具有較大優(yōu)勢.
轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)的運動特點是:三角轉(zhuǎn)子的中心繞輸出軸中心公轉(zhuǎn)的同時,三角轉(zhuǎn)子本身又繞其中心自轉(zhuǎn).在三角轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時,以三角轉(zhuǎn)子中心為中心的內(nèi)齒圈與以輸出軸中心為中心的齒輪嚙合,齒輪固定在缸體上不轉(zhuǎn)動,內(nèi)齒圈與齒輪的齒數(shù)之比為3:2.上述運動關(guān)系使得三角轉(zhuǎn)子頂點的運動軌跡(即汽缸壁的形狀)似"8"字形.三角轉(zhuǎn)子把汽缸分成三個獨立空間,三個空間各自先后完成進(jìn)氣,壓縮,做功和排氣,三角轉(zhuǎn)子自轉(zhuǎn)一周,發(fā)動機(jī)點火做功三次.由于以上運動關(guān)系,輸出軸的轉(zhuǎn)速是轉(zhuǎn)子自轉(zhuǎn)速度的3倍,這與往復(fù)運動式發(fā)動機(jī)的活塞與曲軸1:1的運動關(guān)系完全不同.
在2004北京汽車展中首次展出的RX-8動力總成:RENESIS轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī),象征著馬自達(dá)汽車公司的核心.轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)發(fā)展史和馬自達(dá)的成長纏繞在一起,密不可分.今天,馬自達(dá)是世界上唯一生產(chǎn)和銷售轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)汽車的公司.
1961年,被轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)的潛在優(yōu)勢深深吸引,馬自達(dá)的工程師決定積極大力地進(jìn)行轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)的不斷開發(fā).六年過去了,經(jīng)過無數(shù)個小時的努力奮斗,終于在1967年,工程師
們自豪地在Cosmo Sports上安裝了世界上第一臺雙轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī).當(dāng)然,不斷努力完善這種獨特發(fā)動機(jī)的工作從來沒有停止過.迄今為止,馬自達(dá)已經(jīng)生產(chǎn)了將近兩百萬輛以轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)為動力的汽車,其中一輛曾在1991年的法國創(chuàng)造了歷史.
在巴黎的勒芒24小時汽車賽是一個考驗車輛性能和耐力極限的汽車大賽.1991年,以轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)為動力的Mazda 787B,成為第一輛在此賽事上大獲全勝的日本汽車.這種前所未有的勝利為馬自達(dá)在汽車歷史上寫下輝煌的一頁.更重要的是,這次勝利證明了公司在轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)上的成熟技術(shù).轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)經(jīng)常被描述為"時尚","創(chuàng)意"和"活力".這三個詞語同樣可以用來定義馬自達(dá)品牌形象和其獨特技術(shù).
四十年的追求
自從馬自達(dá)開始從事完善轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)的研發(fā)工作,公司就成功利用這種發(fā)動機(jī)本身所固有的輕量化,結(jié)構(gòu)緊湊和高動力性能的優(yōu)點,同時逐步克服其耗油和廢氣排放量大的缺點.在為RX-7開發(fā)的13BREW渦輪增壓轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)上,馬自達(dá)在轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)的發(fā)展中,就最大功率而言,達(dá)到了它的一個技術(shù)高峰.
然而推動馬自達(dá)轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)開發(fā)的激情和夢想永無止境.工程師開始努力讓這種動力裝置更緊湊,并提高它的進(jìn)氣和燃燒效率.這些努力在MSP-RE上達(dá)到充分體現(xiàn),并在1995年東京汽車展中推出的RX-01概念車上安裝了這種發(fā)動機(jī).自然吸氣式MSP-RE 隨后作為RX-8的動力總成進(jìn)行批量生產(chǎn),并更名為RENESIS,它代表著"The RE (rotary engine)'s GENESIS"( 轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)的起源).
RENESIS轉(zhuǎn)子式發(fā)動機(jī),這種自然吸氣式轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)在8,500 rpm下能夠產(chǎn)生184 kW (250 PS)的最大功率(針對日本的高功率車型),結(jié)構(gòu)緊湊的輕量化車身使RX-8得以采用先進(jìn)的前中置動力總成布置,和以前的RX-7相比,發(fā)動機(jī)位置更低更靠后.由于RENESIS具有平穩(wěn)的性能,緊湊的尺寸和獨特的行駛特點,在全新的RX-8推出不久,即在2003年6月被命名為International Engine of the Year(國際年度最佳發(fā)動機(jī)).
作為世界上唯一的轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)制造商,同時作為被全世界駕駛員高度評價的跑車生產(chǎn)商,馬自達(dá)不斷地努力把公司的夢想變?yōu)楝F(xiàn)實.正是這種夢想和我們在跑車開發(fā)中投入的熱情,使馬自達(dá)的客戶對創(chuàng)新性的RENESIS發(fā)動機(jī)擁有很高的期望度.
汪克爾型轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理
在過去的400年中,許多發(fā)明家和工程師一直都想開發(fā)一種連續(xù)運轉(zhuǎn)的內(nèi)燃機(jī).人們希望有朝一日往復(fù)活塞式內(nèi)燃機(jī)將被優(yōu)雅的原動力引擎所取代,它的運動軌跡應(yīng)該非常接近人類偉大的發(fā)明之一:輪子.
實際上,在十六世紀(jì)末期,在出版物中首次出現(xiàn)"連續(xù)運轉(zhuǎn)內(nèi)燃機(jī)"的說法.連桿和曲柄機(jī)構(gòu)的發(fā)明人沃特詹姆斯 (1736-1819),也曾研究轉(zhuǎn)子式內(nèi)燃機(jī).特別是在過去的150年里,發(fā)明者提出了許多關(guān)于轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)的提案.在1846年,人們畫出了當(dāng)今轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)工作室的幾何結(jié)構(gòu),設(shè)計了使用外旋輪線的第一輛概念發(fā)動機(jī).但是,這些概念都沒有實用化,直到汪克爾菲加士博士在1957年研制出汪克爾轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī).
汪克爾博士通過研究和分析各種轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)類型的可行性,找到了旋輪線殼體的最佳形狀.他對飛機(jī)發(fā)動機(jī)上所用的回轉(zhuǎn)閥以及增壓器的氣密性密封機(jī)構(gòu)具有深刻的了解,這些機(jī)構(gòu)在其設(shè)計中的使用,使汪克爾型轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)得以實用化.
現(xiàn)代的轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)由繭形殼體(一個三角形轉(zhuǎn)子被安置在其中)組成.轉(zhuǎn)子和殼體壁之間的空間作為內(nèi)部燃燒室,通過氣體膨脹的壓力驅(qū)動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn).和普通內(nèi)燃機(jī)一樣,轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)必須在其工作室中相繼形成進(jìn)氣,壓縮,燃燒和排氣四個工作過程.如果將三角形的轉(zhuǎn)子放置在圓形殼體的中心部,工作室將不會隨著殼體內(nèi)部轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)而在體積上發(fā)生變化.即使空燃混合氣在那里點燃,燃燒氣體的膨脹壓力也僅作用在轉(zhuǎn)子的中部,不會產(chǎn)生旋轉(zhuǎn).這就是為什么殼體的內(nèi)側(cè)圓周被設(shè)計成旋輪線外形并和安裝在偏心軸上的轉(zhuǎn)子組裝在一起的原因.因此,每轉(zhuǎn)一圈,工作室的體積變化兩次,從而實現(xiàn)內(nèi)燃機(jī)的四個工作過程.
在汪克爾型轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)上,轉(zhuǎn)子的頂點隨著發(fā)動機(jī)殼體內(nèi)圓周的橢圓形殼體而運動,同時保持與圍繞在發(fā)動機(jī)殼體中心的一個偏心軌道上的輸出軸齒輪的接觸.三角形轉(zhuǎn)子的軌道是用一個相位齒輪機(jī)構(gòu)來規(guī)定的.相位齒輪包括安裝在轉(zhuǎn)子內(nèi)側(cè)的一個內(nèi)齒圈和安裝在偏心軸上的一個外齒輪.如果轉(zhuǎn)子齒輪在其內(nèi)側(cè)有30個齒,軸齒輪將在其外原周上有20個齒,由此得到其齒數(shù)比為3:2.由于這一齒數(shù)比,轉(zhuǎn)子和軸之間的轉(zhuǎn)速比被限定為1:3.
和偏心軸相比,轉(zhuǎn)子有較長的轉(zhuǎn)動周期.轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動一圈,偏心軸轉(zhuǎn)動三圈.當(dāng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為3000 rpm時,轉(zhuǎn)子的速度只有1000 rpm.
與傳統(tǒng)往復(fù)式發(fā)動機(jī)的比較
往復(fù)式發(fā)動機(jī)和轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)都依靠空燃混合氣燃燒產(chǎn)生的膨脹壓力以獲得轉(zhuǎn)動力.兩種發(fā)動機(jī)的機(jī)構(gòu)差異在于使用膨脹壓力的方式.在往復(fù)式發(fā)動機(jī)中,產(chǎn)生在活塞頂部表面的膨脹壓力向下推動活塞,機(jī)械力被傳給連桿,帶動曲軸轉(zhuǎn)動.
對于轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī),膨脹壓力作用在轉(zhuǎn)子的側(cè)面. 從而將三角形轉(zhuǎn)子的三個面之一推向偏心軸的中心.(見圖中PG).這一運動由兩個分開的力作用而成.一個是指向輸出軸中心(見圖中的Pb)的向心力,另一個是使輸出軸轉(zhuǎn)動的切線力(Ft).
殼體的內(nèi)部空間(或旋輪線室)總是被分成三個工作室. 在轉(zhuǎn)子的運動過程中,這三個工作室的容積不停地變動,在擺線形缸體內(nèi)相繼完成進(jìn)氣,壓縮,燃燒和排氣四個過程.每個過程都是在擺線形缸體中的不同位置進(jìn)行,這明顯區(qū)別于往復(fù)式發(fā)動機(jī).往復(fù)式發(fā)動機(jī)的四個過程都是在一個汽缸內(nèi)進(jìn)行的.
轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)的排氣量通常用單位工作室容積和轉(zhuǎn)子的數(shù)量來表示.例如,對于型號為13B的雙轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī),排量為"654cc ×2".
單位工作室容積指工作室最大容積和最小容積之間的差值;而壓縮比是最大容積和最小容積的比值.往復(fù)式發(fā)動機(jī)上也使用同樣的定義.
如上一頁圖中所示,可看到轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)工作容積的變化,以及與四循環(huán)往復(fù)式發(fā)動機(jī)的差別.盡管在這兩種發(fā)動機(jī)中,工作室容積都成波浪形穩(wěn)定變化,但二者之間存在著明顯的不同.首先是每個過程的轉(zhuǎn)動角度:往復(fù)式發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)動180度,而轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)動270度,是往復(fù)式發(fā)動機(jī)的1.5倍.換句話說,在往復(fù)式發(fā)動機(jī)中,曲軸(輸出軸)在四個工作過程中轉(zhuǎn)兩圈(720度); 而在轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)中,偏心軸轉(zhuǎn)三圈(1080度),轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)一圈.這樣,轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)就能獲得較長的過程時間,而且形成較小的扭矩波動,從而使運轉(zhuǎn)平穩(wěn)流暢.
此外,即使在高速運轉(zhuǎn)中,轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速也相當(dāng)緩慢,從而有更寬松的進(jìn)氣和排氣時間,為那些能夠獲得較高的動力性能的系統(tǒng)的運行提供了便利.
汪克爾型轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)的特點
體積小重量輕: 轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)有幾個優(yōu)點,其中最重要的一點是減小了體積和減輕了重量.在運行安靜性和平穩(wěn)性兩方面,雙轉(zhuǎn)子RE相當(dāng)于直列六缸往復(fù)式發(fā)動機(jī).在保證相同的輸出功率水平前提下,轉(zhuǎn)子式發(fā)動機(jī)的設(shè)計重量是往復(fù)式的三分之二,這個優(yōu)點對于汽車工程師們有著無比的吸引力.特別是近年來,在防撞性(碰撞安全),空氣動力學(xué),重量分布和空間利用等方面的要求越來越嚴(yán)格.
精簡結(jié)構(gòu): 由于轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)將空燃混合氣燃燒產(chǎn)生的膨脹壓力直接轉(zhuǎn)化為三角形轉(zhuǎn)子和偏心軸的轉(zhuǎn)動力,所以不需要設(shè)置連桿,進(jìn)氣口和排氣口依靠轉(zhuǎn)子本身的運動來打開和關(guān)閉;不再需要配氣機(jī)構(gòu),包括正時齒帶,凸輪軸,搖臂,氣門,氣門彈簧等,而這在往復(fù)式發(fā)動機(jī)中是必不可少的一部分.綜上所述,轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)組成所需要的部件大幅度減少.
均勻的扭矩特性: 根據(jù)研究結(jié)果,轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)在整個速度范圍內(nèi)有相當(dāng)均勻的扭矩曲線,即使是在兩轉(zhuǎn)子的設(shè)計中,運行中的扭矩波動也與直列六缸往復(fù)式發(fā)動機(jī)具有相同的水平,三轉(zhuǎn)子的布置則要小于V型八缸往復(fù)式發(fā)動機(jī).
運行更安靜,噪音更小: 對于往復(fù)式發(fā)動機(jī),活塞運動本身就是一個振動源,同時氣門機(jī)構(gòu)也會產(chǎn)生令人討厭的機(jī)械噪音.轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)平穩(wěn)的轉(zhuǎn)動運動產(chǎn)生的振動相當(dāng)小,而且沒有氣門機(jī)構(gòu),因此能夠更平穩(wěn)和更安靜的運行.
可靠性和耐久性: 如前所述,轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速是發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的三分之一.因此,在轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)以9000 rpm的轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)時,轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速約為該轉(zhuǎn)速的三分之一.另外,由于轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)沒有那些高轉(zhuǎn)速運動部件,如搖臂和連桿,所以在高負(fù)荷運動中,更可靠和更耐久.在1991的勒芒汽車賽中的大獲全勝就充分證明了這一點.
轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)工作容積的變化過程如圖所示,輪子發(fā)動機(jī)工作容積的變化可以和往復(fù)式發(fā)動機(jī)的各工作行程一一相對應(yīng).