轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理

崔 宇

(黑龍江省高速公路建設(shè)局)

轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理

崔 宇

(黑龍江省高速公路建設(shè)局)

介紹了轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理。

轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī);結(jié)構(gòu);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(yùn)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(dòng)力引擎所取代，它的運(yùn)動(dòng)軌跡應(yīng)該非常接近人類偉大的發(fā)明之一：輪子。

汪克爾博士通過研究和分析各種轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)類型的可行性，找到了旋輪線殼體的最佳形狀。他對(duì)飛機(jī)發(fā)動(dòng)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(jì)中的使用，使汪克爾型轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)得以實(shí)用化?，F(xiàn)代的轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)由繭形殼體(一個(gè)三角形轉(zhuǎn)子被安置在其中)組成。缸體內(nèi)部空間總是被分成三個(gè)工作室，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)這些工作室也在運(yùn)動(dòng)。依次在擺線型缸體內(nèi)的不同位置完成進(jìn)氣、壓縮、作功(燃燒)和排氣四個(gè)過程。

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(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。和普通內(nèi)燃機(jī)一樣，轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)必須在其工作室中相繼形成四個(gè)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(huì)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(diǎn)燃，燃燒氣體的膨脹壓力也僅作用在轉(zhuǎn)子的中部，不會(huì)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(jì)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(shí)現(xiàn)內(nèi)燃機(jī)的四個(gè)工作過程。

在汪克爾型轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)上，轉(zhuǎn)子的頂點(diǎn)隨著發(fā)動(dòng)機(jī)殼體內(nèi)圓周的橢圓形殼體而運(yùn)動(dòng)，同時(shí)保持與圍繞在發(fā)動(dòng)機(jī)殼體中心的一個(gè)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(gè)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(gè)內(nèi)齒圈和安裝在偏心軸上的一個(gè)外齒輪。如果轉(zhuǎn)子齒輪在其內(nèi)側(cè)有30個(gè)齒，軸齒輪將在其外原周上有20個(gè)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(zhǎng)的轉(zhuǎn)動(dòng)周期。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，偏心軸轉(zhuǎn)動(dòng)三圈。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為3 000 r/min時(shí)，轉(zhuǎn)子的速度只有1 000 r/min。

與傳統(tǒng)往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)的比較

往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)和轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)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(dòng)力。兩種發(fā)動(dòng)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(dòng)機(jī)中，產(chǎn)生在活塞頂部表面的膨脹壓力向下推動(dòng)活塞，機(jī)械力被傳給連桿，帶動(dòng)曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)。

對(duì)于轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)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(gè)面之一推向偏心軸的中心。這一運(yùn)動(dòng)在兩個(gè)分力的力作用下進(jìn)行。一個(gè)是指向輸出軸中心的向心力，另一個(gè)是使輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)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(gè)工作室。在轉(zhuǎn)子的運(yùn)動(dòng)過程中，這三個(gè)工作室的容積不停地變動(dòng)，在擺線形缸體內(nèi)相繼完成進(jìn)氣、壓縮、燃燒和排氣四個(gè)過程。每個(gè)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(dòng)機(jī)。往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)的四個(gè)過程都是在一個(gè)汽缸內(nèi)進(jìn)行的。

轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)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(duì)于型號(hào)為13B的雙轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)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(dòng)機(jī)上也使用同樣的定義。

盡管在這兩種發(fā)動(dòng)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(gè)過程的轉(zhuǎn)動(dòng)角度：往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)180°，而轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)270°，是往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)的1.5倍。換句話說，在往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)中，曲軸(輸出軸)在四個(gè)工作過程中轉(zhuǎn)兩圈(720°);而在轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)中，偏心軸轉(zhuǎn)三圈(1080°)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)一圈。這樣，轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)就能獲得較長(zhǎng)的過程時(shí)間，而且形成較小的扭矩波動(dòng)，從而使運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)流暢。

此外，即使在高速運(yùn)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(shí)間，為那些能夠獲得較高的動(dòng)力性能的系統(tǒng)的運(yùn)行提供了便利。汪克爾型轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)體積小重量輕：轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)，其中最重要的一點(diǎn)是減小了體積和減輕了重量。在運(yùn)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(dòng)機(jī)。在保證相同的輸出功率水平前提下，轉(zhuǎn)子式發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)重量是往復(fù)式的三分之二，這個(gè)優(yōu)點(diǎn)對(duì)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(dòng)力學(xué)、重量分布和空間利用等方面的要求越來越嚴(yán)格的情況下。

精簡(jiǎn)結(jié)構(gòu)：由于轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)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(dòng)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(yùn)動(dòng)來打開和關(guān)閉;不再需要配氣機(jī)構(gòu)，包括正時(shí)齒帶、凸輪軸、搖臂、氣門、氣門彈簧等，而這在往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)中是必不可少的一部分。綜上所述，轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)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(dòng)機(jī)在整個(gè)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(jì)中，運(yùn)行中的扭矩波動(dòng)也與直列六缸往復(fù)式發(fā)動(dòng)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(dòng)機(jī)。

運(yùn)行更安靜，噪音更小：對(duì)于往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)，活塞運(yùn)動(dòng)本身就是一個(gè)振動(dòng)源，同時(shí)氣門機(jī)構(gòu)也會(huì)產(chǎn)生令人討厭的機(jī)械噪音。轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)平穩(wěn)的轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的振動(dòng)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(yùn)行。

可靠性和耐久性：如前所述，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速是發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的三分之一。因此，在轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)以9 000 rpm的轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，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(dòng)機(jī)沒有那些高轉(zhuǎn)速運(yùn)動(dòng)部件，如搖臂和連桿，所以在高負(fù)荷運(yùn)動(dòng)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(diǎn)。

相對(duì)于往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)的比較，轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)有如下缺點(diǎn)，耗油量比較大。這主要是轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的形狀不太有利于完全燃燒，火焰?zhèn)鞑ヂ窂捷^長(zhǎng)，使得燃油和機(jī)油的消耗增加。而且轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)只能用點(diǎn)燃式，不能用壓燃式，也就是不能采用柴油。功率輸出軸位置比較高，令整車布置安排不便。另外，轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的加工制造技術(shù)高，成本比較貴，推廣困難。

U467

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1008-3383(2011)09-0270-01

2011-07-11