知道什么是转子引擎吗

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.
转子发动机又称为米勒循环发动机.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.这种发动机由德国人菲加士·汪克尔发明,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.
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.在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,在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.60年初在德国生产出第一辆装配了转子发动机的小跑车.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.
1964年,日内瓦的德法合资企业COMOBIL公司,首次把转子发动机装在轿车上成为正式产品.1967年,日本人也将转子发动机装在马自达轿车上开始成批生产.
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,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,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,唯有马自达一家苦苦支撑.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.
在2004北京汽车展中首次展出的RX-8动力总成:RENESIS转子发动机,象征着马自达汽车公司的核心.转子发动机发展史和马自达的成长缠绕在一起,密不可分.今天,马自达是世界上唯一生产和销售转子发动机汽车的公司.
1961年,被转子发动机的潜在优势深深吸引,马自达的工程师决定积极大力地进行转子发动机的不断开发.六年过去了,经过无数个小时的努力奋斗,终于在1967年,工程师
们自豪地在Cosmo Sports上安装了世界上第一台双转子发动机.当然,不断努力完善这种独特发动机的工作从来没有停止过.迄今为止,马自达已经生产了将近两百万辆以转子发动机为动力的汽车,其中一辆曾在1991年的法国创造了历史.
在巴黎的勒芒24小时汽车赛是一个考验车辆性能和耐力极限的汽车大赛.1991年,以转子发动机为动力的Mazda 787B,成为第一辆在此赛事上大获全胜的日本汽车.这种前所未有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成熟技术.转子发动机经常被描述为"时尚","创意"和"活力".这三个词语同样可以用来定义马自达品牌形象和其独特技术.
四十年的追求
自从马自达开始从事完善转子发动机的研发工作,公司就成功利用这种发动机本身所固有的轻量化,结构紧凑和高动力性能的优点,同时逐步克服其耗油和废气排放量大的缺点.在为RX-7开发的13BREW涡轮增压转子发动机上,马自达在转子发动机的发展中,就最大功率而言,达到了它的一个技术高峰.
然而推动马自达转子发动机开发的激情和梦想永无止境.工程师开始努力让这种动力装置更紧凑,并提高它的进气和燃烧效率.这些努力在MSP-RE上达到充分体现,并在1995年东京汽车展中推出的RX-01概念车上安装了这种发动机.自然吸气式MSP-RE 随后作为RX-8的动力总成进行批量生产,并更名为RENESIS,它代表着"The RE (rotary engine)'s GENESIS"( 转子发动机的起源).
RENESIS转子式发动机,这种自然吸气式转子发动机在8,500 rpm下能够产生184 kW (250 PS)的最大功率(针对日本的高功率车型),结构紧凑的轻量化车身使RX-8得以采用先进的前中置动力总成布置,和以前的RX-7相比,发动机位置更低更靠后.由于RENESIS具有平稳的性能,紧凑的尺寸和独特的行驶特点,在全新的RX-8推出不久,即在2003年6月被命名为International Engine of the Year(国际年度最佳发动机).
作为世界上唯一的转子发动机制造商,同时作为被全世界驾驶员高度评价的跑车生产商,马自达不断地努力把公司的梦想变为现实.正是这种梦想和我们在跑车开发中投入的热情,使马自达的客户对创新性的RENESIS发动机拥有很高的期望度.
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.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进气,压缩,燃烧和排气四个工作过程.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 rpm时,转子的速度只有1000 rpm.
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PG).这一运动由两个分开的力作用而成.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.
如上一页图中所示,可看到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差别.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.
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.
转子发动机工作容积的变化过程如图所示,轮子发动机工作容积的变化可以和往复式发动机的各工作行程一一相对应.