淺析米勒循環(huán)發(fā)動機(jī)

【摘 要】米勒循環(huán)發(fā)動機(jī)又稱轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)，它采用三角轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)運(yùn)動來控制發(fā)動機(jī)自身的工作循環(huán)，與傳統(tǒng)的往復(fù)活塞式發(fā)動機(jī)的工作形式有很大差異。這種相對的新式機(jī)器是由德國人發(fā)明（菲加士·汪克爾），在吸收總結(jié)的汽車前輩的研究成果基礎(chǔ)上，解決了關(guān)鍵技術(shù)問題，正是這樣世界上第一臺米勒循環(huán)發(fā)動機(jī)（以下簡稱轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)）得以誕生。

【關(guān)鍵詞】米勒循環(huán)；三角轉(zhuǎn)子；轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)

1.轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)的誕生

實際上，在16世紀(jì)末期，在某些出版物上第一次出現(xiàn)了“連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)內(nèi)燃機(jī)”的說法。發(fā)動機(jī)的連桿、曲柄機(jī)構(gòu)的發(fā)明人沃特·詹姆斯（1736~1819），也曾經(jīng)研究過轉(zhuǎn)子式內(nèi)燃機(jī)，特別是在過去的150年間，許多發(fā)明家都相繼提出過很多關(guān)于轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)的提案。在1846年，其中有一些發(fā)明家就畫出了轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)工作室的幾何形狀，這是現(xiàn)代轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)的雛形，也是當(dāng)時第一臺概念發(fā)動機(jī)。但是這些概念發(fā)動機(jī)都沒能真正實用化，直到1954年德國人提出了氣密封系統(tǒng)的轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)方案，后來又經(jīng)過華爾特·弗勞德從運(yùn)動學(xué)上經(jīng)過改良才得以突破了密封等技術(shù)的關(guān)鍵，這些結(jié)構(gòu)的相繼使用，使汪克爾型轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)得以實用化。在1957年研制出汪克爾轉(zhuǎn)子發(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)應(yīng)用到了轎車上，這引起了馬自達(dá)公司很大的興趣，因為馬自達(dá)公司一向?qū)π录夹g(shù)非常敏感而且情有獨(dú)鐘，這樣的背景下，馬自達(dá)公司投巨資從汪克爾公司買下了這項新技術(shù)，1967年，日本人將轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)裝到馬自達(dá)轎車上開始進(jìn)行批量生產(chǎn)。

2.轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)的實際應(yīng)用

由于這是一項高新技術(shù)，在當(dāng)時懂得這項技術(shù)的人更是寥寥無幾，轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)出現(xiàn)了故障很少有人會修，而且還有很多的弊端，比如油耗大等，汽車行業(yè)的很多人對這種發(fā)動機(jī)的市場前景產(chǎn)生了懷疑。20世紀(jì)70年代石油危機(jī)爆發(fā)，各國忙于應(yīng)對各方面的困難而沒有顧忌轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)，只有馬自達(dá)公司仍然深信轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)的潛力，獨(dú)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。他們漸漸克服了轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)的缺陷，成功的由實驗性生產(chǎn)過渡到商業(yè)性生產(chǎn)，并將裝配了RX~7型馬自達(dá)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，石油資源日漸枯竭的今天，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的，而且最“干凈”因為氫氣燃燒完排放出來的是水蒸氣，對環(huán)保沒有任何污染。馬自達(dá)公司改制了RX-7型跑車的轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)，是它可以用氫氣做燃料。這種發(fā)動機(jī)裝配在馬自達(dá)HR-X汽車上，1立方米的燃料箱存儲了相當(dāng)43立方米的壓縮氫氣，以60km/hd的車速可以行使230km，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)發(fā)動機(jī)大不一樣，開發(fā)成本大。加上往復(fù)活塞發(fā)動機(jī)在功率、重量、排放、能耗等方面都比過去高出許多，轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)并沒有顯示出明顯的優(yōu)勢，因此各大汽車企業(yè)都沒有積極的去開發(fā)利用，只有馬自達(dá)公司一家在苦苦支撐。

MAZDA旗下的當(dāng)家跑車RX-7絕對是日本跑車中極具代表性的一款，這是全球唯一一款搭載轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)的量產(chǎn)車。

2003年馬自達(dá)發(fā)布了新版本，馬自達(dá)RX-8，該款車并不是RX-7的換代產(chǎn)品。而是一款新車型。RX-8和RX-7最大的區(qū)別是采用5門雙排座設(shè)計，RX-8是一輛轎跑車。動力方面采用自然吸氣的Renesis雙轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)，最大功率為231馬力，最大扭矩為211N·M。

3.轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)的工作原理

轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)的結(jié)構(gòu)：

現(xiàn)代轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)有繭型殼體（一個三角形轉(zhuǎn)子安置在殼體當(dāng)中）組成。

其關(guān)鍵核心構(gòu)件分別為轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)子和主軸。缸體內(nèi)部空間總是被轉(zhuǎn)子分成3個工作室，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動這些工作室也轉(zhuǎn)動。依次在擺線型缸體內(nèi)的不同位置完成進(jìn)氣、壓縮、做功、排氣這4個工作過程。轉(zhuǎn)子和殼體之間的空間作為內(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4個工作過程。殼體的內(nèi)側(cè)圓周被設(shè)計成旋轉(zhuǎn)線外形和安裝在偏心軸上的轉(zhuǎn)子組裝在一起，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4個工作過程。

由于轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)的結(jié)構(gòu)特性決定了該發(fā)動機(jī)低速動力性較差（有很高的功率，卻不能象往復(fù)式活塞發(fā)動機(jī)那樣輸出很大的扭距），因為它的活塞（應(yīng)該叫三角轉(zhuǎn)子）行程不可能象往復(fù)式活塞發(fā)動機(jī)那樣可以有較大的改變。而且要想提高轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)的壓縮比，必然會對本已苛刻的三角轉(zhuǎn)子和氣缸體的制造加工工藝提出更為嚴(yán)酷的要求。

轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)潤滑系統(tǒng)的作用及其組成與往復(fù)式活塞發(fā)動機(jī)大體相同。不過轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)潤滑系統(tǒng)卻有兩個特點(diǎn)：（1）潤滑系統(tǒng)的部分機(jī)油被引入三角轉(zhuǎn)子的內(nèi)腔，用于冷卻轉(zhuǎn)子；（2）裝置機(jī)油計量泵，根據(jù)發(fā)動機(jī)負(fù)荷的大小及轉(zhuǎn)速的高低，計量泵將一定數(shù)量的機(jī)油送入進(jìn)氣歧管（或化油器），機(jī)油與燃油混合后進(jìn)入氣缸，潤滑氣體密封件和滑動表面。

轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)潤滑系統(tǒng)的特點(diǎn)，說明轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)的三角轉(zhuǎn)子是空心的（其實不完全是空心，只是其中有許多空腔）。由于三角轉(zhuǎn)子受到高溫、高壓燃?xì)獾闹苯幼饔?，轉(zhuǎn)速又很高，這就要求轉(zhuǎn)子必須具有足夠的強(qiáng)度、剛度及較小的質(zhì)量。因此制造轉(zhuǎn)子的材料多為高強(qiáng)度合金鑄鐵（如銅鉻鉬合金鑄鐵等）。需要說明的是，由于氣缸體的形狀（近似橢圓形），三角轉(zhuǎn)子在氣缸內(nèi)是做行星式運(yùn)動的（象月亮一樣，即做自傳又繞地球公轉(zhuǎn)）。由于內(nèi)、外齒輪的齒數(shù)比為3∶2，因此，轉(zhuǎn)子自轉(zhuǎn)速度與公轉(zhuǎn)速度之比為1∶3，即主軸的轉(zhuǎn)速為轉(zhuǎn)子的自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速的3倍。

4.轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)存在的弊端與改進(jìn)措施

（1）轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速高，主軸每轉(zhuǎn)一圈需點(diǎn)火一次，因此點(diǎn)火頻率也高，火花塞受熱也嚴(yán)重。

（2）為了避免密封片（三角轉(zhuǎn)子）碰觸火花塞，火花塞必須縮進(jìn)氣缸型面內(nèi)，通過連接孔與工作腔相同。這種情況下，火花塞得不到新鮮混合氣的冷卻，電極溫度高。另外，連通孔內(nèi)殘存較多的廢氣，不利于點(diǎn)火。

（3）連通孔周圍氣流速度很高，點(diǎn)火后火焰中心散熱快，容易滅火。

（4）由于點(diǎn)火頻率高，對點(diǎn)火系統(tǒng)也是個考驗。

鑒于上述不利，轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)采用下例幾種措施改善其點(diǎn)火性能：

（1）采用熱值較大的冷型火花塞。

（2）安裝兩個火花塞。雙火花塞方案既能改善火花塞工作條件又有利于火焰的形成和傳播。

（3）現(xiàn)代電子科技的發(fā)展及汽油噴射系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，對轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)的點(diǎn)火性能、燃料經(jīng)濟(jì)性能和起動性有極大的促進(jìn)和改善。

【參考文獻(xiàn)】

［１］華南理工大學(xué)廣州汽車學(xué)院首席汽車文化交流平臺．網(wǎng)站（http://qcwh.gzauto.edu.cn/）．

［２］高維，強(qiáng)愛民.現(xiàn)代汽車故障診斷與檢測技術(shù)項目化教程.中國海洋大學(xué)出版社，2011，(2):241-242.