欖心轉子發(fā)動機的核心結構及特性

摘要：欖心轉子發(fā)動機，具有燃油使用效率高、有效動力輸出大、功重比高、工作密度高等特點。

關鍵詞：欖心轉子發(fā)動機;發(fā)動機的橢圓結構;一次轉矩動能;活塞發(fā)動機;汪克爾發(fā)動機;發(fā)動機的特性及優(yōu)勢

中圖分類號：U464.9 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2021）07-0064-03

1 ?欖心轉子發(fā)動機缸體曲線

①欖心轉子發(fā)動機的徑向曲線是發(fā)動機的核心結構，在形成的原理上，曲線可以多種多樣，但從機構運動順暢和機器零部件加工簡易的角度來看，以選用四象對稱的近似于橢圓的異園體的曲線較為適宜。

在實際的機構設置上，欖心兩端與缸體密封接觸，由于尖角設置方案不可采用，而采用兩圓柱取代作為密封條，無論缸體曲線如何設置，都無法保證滾柱與缸體曲線的接觸始終是在欖心旋轉中心線上，這個中心線與缸體曲線的切角不會總是90度，它是在旋轉運動中不停改變的。所以兩個密封滾軸與欖心必須有相對移動的微小空間，才不會在旋轉時產(chǎn)生機構咬合現(xiàn)象。這樣一來，缸體曲線就沒有必要完全按形成的原理設置，只要接近即可，其間的尺寸誤差可由密封滾柱的微動彌補，形成密閉的工作缸體。

將欖心轉子發(fā)動機的缸體曲線設置成橢圓，不但可行，同時發(fā)動機的設計研發(fā)及關鍵部件的加工制造會變得十分便捷。

②滑塊軸的偏心取值。

欖心轉子發(fā)動機是利用滑塊軸偏離橢圓缸體中心，與轉子配合獲取氣壓偏心的變動壓力力矩，最終通過滑塊軸輸出?；瑝K軸的偏心度直接影響了發(fā)動機轉矩大小、燃油效率、最大旋轉速度及發(fā)動機平面有關的零件尺寸?；瑝K軸在工作中將承受較大的壓力，數(shù)量相當于排量相同活塞發(fā)動機曲軸一倍以上。綜合考慮，偏心度以欖心轉子最大旋轉直徑的10%較為適宜，這樣不但可以保證滑塊軸的軸徑尺寸，同時兼顧轉子側面有一定的空間如汪克爾發(fā)動機一樣，設置三四道密封環(huán)，也使得滑塊有足夠的長度尺寸，減少與轉子間的轉矩應力，延長發(fā)動機的使用壽命。

以上簡述了欖心轉子發(fā)動機的核心結構，與之相關的凸輪進排氣機構及點火機構，原理與活塞發(fā)動機相似，不是本文重點，故這里不做論述說明。

欖心轉子發(fā)動機結構如圖1所示。

2 ?從發(fā)動機的每次燃爆做功角度入手

①那么這樣的轉子發(fā)動機有什么特性，或是說有什么優(yōu)勢呢？我們知道內(nèi)燃機獲取的轉動能量都是由燃料燃爆所產(chǎn)生的高壓氣體通過一定的機構轉換而成。活塞發(fā)動機是通過活塞連桿和曲軸的配合將燃爆氣體產(chǎn)生的壓力能量轉換成轉矩動能，而轉子發(fā)動機則是通過自身的偏心機構把氣體壓力能量轉換成轉矩動能。這兩種發(fā)動機所能夠產(chǎn)生動力都是燃料多次連續(xù)燃爆產(chǎn)生高壓氣體組成的能量轉換集合，那么對發(fā)動機每次爆壓做功所能夠獲取的轉矩動能進行研討，就能從一個關鍵的角度，了解和解釋各個發(fā)動機自身的重要特性。

②三種發(fā)動機的數(shù)學模型建立的基礎。

這里建立了三個數(shù)學模型，分別是活塞發(fā)動機、欖心轉子發(fā)動機和汪克爾發(fā)動機，分別分析計算各個發(fā)動機一次爆壓所能夠獲取的轉矩動能，以圖形數(shù)據(jù)的形式列出，然后進行對比論述。數(shù)學模型是建立在如下前提上的，一是發(fā)動機的排量相同，都是單缸或單轉子，排量0.5L;二是燃爆產(chǎn)生的最大壓強相同，取值8Mp;三是發(fā)動機的關鍵結構尺寸經(jīng)過了優(yōu)化，接近實際，絕非刻意提取。

圖2是0.5L活塞發(fā)動機一個爆壓的轉矩動能圖，曲軸偏心50mm，橫向坐標是曲軸轉動的工作角度，豎向坐標是轉矩，單位：Nm。

圖3是0.5L欖心轉子發(fā)動機一個爆壓的轉矩動能圖，欖心轉子最大直徑180mm，轉子寬度75mm，橫向坐標是欖心轉子轉動的工作角度，豎向坐標是轉矩，單位：Nm。

圖4是0.5L汪克爾發(fā)動機一個爆壓的轉矩動能圖，轉子最大直徑200mm，轉子寬度57.8mm，橫向坐標是轉子轉動的工作角度，豎向坐標是轉矩，單位：Nm。

圖2-圖4中的S是轉矩和工作角度構成的面積，表示發(fā)動機機構在一次最大爆壓8Mp時能夠獲取的轉矩動能。但它不是最終有效的輸出的動能，必須依據(jù)一定的工作轉速，減除去各自發(fā)動機機構的損耗，剩下的才是有效輸出動能。它代表發(fā)動機能夠在一個爆壓下獲得轉矩動能總量的能力，這里給它定義一個名詞，叫一次轉矩動能。

還有一點要說明的是，8Mp的爆壓數(shù)值，在本數(shù)學模型計算過程中只是起到一個系數(shù)值的作用，在相互對比求得比值后，這一數(shù)值會被約分除掉。所以無論取值如何，只要是不為零值，都不影響比值的結果。

③活塞發(fā)動機與汪克爾。

首先將比較活塞發(fā)動機和汪克爾發(fā)動機，圖2和圖4 中，在一次轉矩動能上，活塞發(fā)動機比汪克爾發(fā)動機要強3.28倍，這一比值非常巨大，其中的差別是發(fā)動機在內(nèi)的機構原理造成的?；钊l(fā)動機的工作轉角是180度，汪克爾發(fā)動機為90度。汪克爾在轉子工作90度后，缸體的體積到達最大點，如果此刻還不排氣，爆壓的氣體就會做負功，這是一個影響因素。另外，由于受到機構原理的限制，汪克爾發(fā)動機能夠設置的曲軸偏心度較小，直徑為200mm的轉子，曲軸的偏心只有不到15mm，導致其能夠獲取有效轉矩的徑向尺寸過小，只有20mm左右，最大的有效受壓面積不到活塞發(fā)動機的1/4，雖然它的轉子工作轉距半徑比活塞發(fā)動機大上一倍，也改變不了最大轉矩峰值只有活塞發(fā)動機一半的狀況，對比值達到上述3.28比1就不奇怪了。

不過從發(fā)動機最終有效功量輸出的角度來看，其中的差距就沒有那么巨大。汪克爾是轉子發(fā)動機，沒有活塞機構往復直線運動這項功耗，有效輸出率高達70%，而活塞發(fā)動機有效輸出率一般在35%左右，在理想的狀態(tài)下，有效輸出的比值只有1.64倍的差距。

以上的對比可以看到，汪克爾發(fā)動機之所以淡出普通汽車市場，最主要的原因是它能夠獲取的一次轉矩動能的能力過于底下。現(xiàn)實中，由于汪克爾發(fā)動還沒有達到活塞發(fā)動機具有的壓縮比數(shù)值，汽油燃爆速度慢，上述比值的差距更大，估計在5比1左右。平心而論，日本馬自達公司已經(jīng)將汪克兒發(fā)動機做得相當優(yōu)秀，但在追求以燃油效率為主要指標的普通汽車市場中，汪克爾發(fā)動機總是那么的不適宜。

④重油活塞發(fā)動機。

這里提及一下重油活塞發(fā)動機，其實這款發(fā)動機的原理和汪克爾發(fā)動機基本原理相同，它變了個形狀，缸體油8字形變?yōu)?瓣的梅花形，轉子由三角變?yōu)?字形橢圓體，較為有效的解決了徑向密封問題，缸體內(nèi)的氣體壓縮比提高到13以上，配合其它重油霧化技術，達到能夠使重油點燃燃爆的程度，燃爆氣體的壓強提高了許多，相當于汪克爾柴油機。這等于提高了汪克爾發(fā)動機的最大爆壓值，那么他的一次轉矩動能也會隨之增大，所以它比汪克爾發(fā)動機有更大的研發(fā)價值。

重油活塞發(fā)動機的結構比汪克爾更加復雜，機構部件的加工難度加大，對材料性能的要求更高，其壓縮比遠沒有達到重油壓縮燃爆的程度，密封是否能長期有效還是個問題。它的優(yōu)勢和汪克爾一樣，單轉子每圈燃爆工作三次，做功密度高，功重比優(yōu)勢較為突出。

3 ?欖心轉子發(fā)動機與活塞發(fā)動機的比較

3.1 下面將圖3和圖2比較

也就是欖心轉子發(fā)動機比較活塞發(fā)動機。在獲取一次轉矩動能的能力上，兩種發(fā)動機差別不大，比較功量數(shù)值，欖心轉子發(fā)動機只多了5%。圖3中的最大轉矩峰值小于圖2，但功量面積卻大于圖2，究其原因，主要是活塞在與曲軸工作轉動到90度附近時，活塞下降速度最大，缸體氣壓下降較快，致使轉矩也降低較大，故圖2中，轉矩值從高到低的變化中出現(xiàn)向內(nèi)凹陷較多的現(xiàn)象，最終的功量面積略小。

轉子發(fā)動機在低速工作時，一次轉矩動能的有效輸出率與活塞發(fā)動機沒有多大的差別，但在中速尤其是高速時的差距就很大了，有近一倍以上的優(yōu)勢。原因很簡單，轉子發(fā)動機沒有或少有活塞機構往返直線運動的機構功耗，這項功耗幾乎等同和大于活塞發(fā)動機的有效輸出功率?？梢哉f轉子發(fā)動機的優(yōu)勢就是能夠賺取活塞發(fā)動機這一功耗，使之轉變?yōu)橛行У妮敵鰟幽堋?/p>

3.2 活塞機構的功耗

那么活塞機構往復直線運動的功耗究竟有多大呢？當然這不是一個定數(shù)，它的大小與活塞機構的質(zhì)量與最高運動速度有關，進而與曲軸的曲率半徑和發(fā)動機曲軸工作的轉速有關。

中國北方發(fā)動機研究所（天津）的一項實驗結果表明：往復式發(fā)動機機械損失比例，其中活塞連桿組件的機械損失，所占比例最大，活塞平均速度為11.7m/s時，所占損失比例大65.5%。這是實驗的結論，但比較籠統(tǒng)，它把摩擦損失也一并計算，而沒有將其有效分離。

3.3 活塞機構功耗公式的推斷

這里換一個方式來說明。

試想一個有一定質(zhì)量的固體在太空中往復直線運動所需的能量。任何物體要增加一個速度，需要對它作用或說消耗W=1/2mV2的能量，而要將它停下來，同樣要消耗相等的能量，然后再將它相反的方向增加到相同的速度，再要其停止，這樣一個來回就需要消耗4倍于上述W的能量。這等同于活塞機構隨曲軸轉動一圈的狀況。故活塞機構在曲軸旋轉一圈的功耗W=2mV2，這個功耗乘以發(fā)動機的轉速就是需要消耗的功率了。

曲軸從上始點轉動到90度和270度時，曲軸旋轉運動方向與活塞的方向相同，活塞運動速度達到最大且等于曲軸的旋轉速度。由此可推算出活塞機構的耗能功率公式N=2m（2π*r*n）2*n。公式中，N的單位：瓦;m是活塞機構的質(zhì)量，單位：kg;r是曲軸的曲率半徑，單位：米;n是曲軸轉速，單位：轉/秒。由公式可知，功耗與活塞機構的質(zhì)量大小成正比、與曲軸的曲率半徑的平方成正比、與曲軸的轉動速度的立方正比。

假設曲軸曲率半徑是0.05米、轉速50轉/秒（3000rmp），這時候每1kg的活塞機構能耗就達到24.674千瓦?；钊麢C構的質(zhì)量包括活塞、密封圈、連桿銷、連桿銷固定環(huán)、連桿小頭及部分連桿的質(zhì)量總和。所以排量較大的活塞發(fā)動機的一般做法是通過增加缸體數(shù)量來增大排量，以減少活塞機構質(zhì)量因素的影響。由此可以理解柴油機不能高速運轉的機理，活塞發(fā)動機這項固有的能耗制約了它燃油效率的提高，45%的燃油效率幾乎就是活塞發(fā)動機的極限。

活塞機構的耗能是活塞發(fā)動機固有的特性，時至今日，經(jīng)過百年的研發(fā)改進，這項功耗已經(jīng)被優(yōu)化接近最低點，活塞發(fā)動機的各項工技術十分成熟，西方許多著名的公司停止對活塞發(fā)動機的研發(fā)投入就很正常了。

4 ?兩種機構的特性缺陷

活塞發(fā)動機中活塞機構耗能的特性和汪克爾發(fā)動機一次轉矩動能效益的底下，都是發(fā)動機機構原理所造成的，缺陷與生俱來，各種相關的研發(fā)可以對其改進，但是卻無法克服。

5 ?欖心轉子發(fā)動機的優(yōu)勢

5.1 兩方面的優(yōu)勢

欖心轉子發(fā)動機相兼活塞發(fā)動機一次轉矩動能獲取較高的優(yōu)勢，也相兼了汪克爾一次轉矩動能有效輸出效率較高的優(yōu)勢，而相對消除兩種發(fā)動機關鍵的不足，因而具有超高的燃油效率，這也就是其自有的特性和優(yōu)勢。

5.2 雙面燃爆工作

作為一種新型的內(nèi)燃機，可以做到轉子的雙面燃爆工作，也就是單轉子連續(xù)兩次壓縮，兩次連續(xù)燃爆做功，進一步的提高發(fā)動機工作效能，相對于活塞發(fā)動機可以做到一升的排量、兩升的油耗、四升的輸出動力。

5.3 結論

從燃油效率和功重比的角度來看，欖心轉子發(fā)動機都有更大的機構優(yōu)勢和更廣大的研發(fā)空間，它使用氫燃料、工業(yè)酒精、液化汽等較低的燃爆壓力的環(huán)保燃料做動力源，同樣能夠有較高的動力輸出，而且其制造工藝并不復雜，故具有更高的實用價值。

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