轉子發(fā)動機的結構和工作原理

崔 宇

(黑龍江省高速公路建設局)

轉子發(fā)動機的結構和工作原理

崔 宇

(黑龍江省高速公路建設局)

介紹了轉子發(fā)動機的結構和工作原理。

轉子發(fā)動機;結構;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)運轉的內(nèi)燃機。人們希望有朝一日往復活塞式內(nèi)燃機將被優(yōu)雅的原動力引擎所取代，它的運動軌跡應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子發(fā)動機類型的可行性，找到了旋輪線殼體的最佳形狀。他對飛機發(fā)動機上所用的回轉閥以及增壓器的氣密性密封機構具有深刻的了解，這些機構在其設計中的使用，使汪克爾型轉子發(fā)動機得以實用化。現(xiàn)代的轉子發(fā)動機由繭形殼體(一個三角形轉子被安置在其中)組成。缸體內(nèi)部空間總是被分成三個工作室，轉子轉動這些工作室也在運動。依次在擺線型缸體內(nèi)的不同位置完成進氣、壓縮、作功(燃燒)和排氣四個過程。

轉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動轉子旋轉。和普通內(nèi)燃機一樣，轉子發(fā)動機必須在其工作室中相繼形成四個工作過程。如果將三角形的轉子放置在圓形殼體的中心部，工作室將不會隨著殼體內(nèi)部轉子的旋轉而在體積上發(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子的中部，不會產(chǎn)生旋轉。這就是為什么殼體的內(nèi)側圓周被設計成旋輪線外形并和安裝在偏心軸上的轉子組裝在一起的原因。因此，每轉一圈，工作室的體積變化兩次，從而實現(xiàn)內(nèi)燃機的四個工作過程。

在汪克爾型轉子發(fā)動機上，轉子的頂點隨著發(fā)動機殼體內(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。三角形轉子的軌道是用一個相位齒輪機構來規(guī)定的。相位齒輪包括安裝在轉子內(nèi)側的一個內(nèi)齒圈和安裝在偏心軸上的一個外齒輪。如果轉子齒輪在其內(nèi)側有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，轉子和軸之間的轉速比被限定為1∶3。和偏心軸相比，轉子有較長的轉動周期。轉子轉動一圈，偏心軸轉動三圈。當發(fā)動機轉速為3 000 r/min時，轉子的速度只有1 000 r/min。

與傳統(tǒng)往復式發(fā)動機的比較

往復式發(fā)動機和轉子發(fā)動機都依靠空燃混合氣燃燒產(chǎn)生的膨脹壓力以獲得轉動力。兩種發(fā)動機的機構差異在于使用膨脹壓力的方式。在往復式發(fā)動機中，產(chǎn)生在活塞頂部表面的膨脹壓力向下推動活塞，機械力被傳給連桿，帶動曲軸轉動。

對于轉子發(fā)動機，膨脹壓力作用在轉子的側面。從而將三角形轉子的三個面之一推向偏心軸的中心。這一運動在兩個分力的力作用下進行。一個是指向輸出軸中心的向心力，另一個是使輸出軸轉動的切線力(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行，這明顯區(qū)別于往復式發(fā)動機。往復式發(fā)動機的四個過程都是在一個汽缸內(nèi)進行的。

轉子發(fā)動機的排氣量通常用單位工作室容積和轉子的數(shù)量來表示。例如，對于型號為13B的雙轉子發(fā)動機，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。往復式發(fā)動機上也使用同樣的定義。

盡管在這兩種發(fā)動機中，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動角度：往復式發(fā)動機轉動180°，而轉子發(fā)動機轉動270°，是往復式發(fā)動機的1.5倍。換句話說，在往復式發(fā)動機中，曲軸(輸出軸)在四個工作過程中轉兩圈(720°);而在轉子發(fā)動機中，偏心軸轉三圈(1080°)，轉子轉一圈。這樣，轉子發(fā)動機就能獲得較長的過程時間，而且形成較小的扭矩波動，從而使運轉平穩(wěn)流暢。

此外，即使在高速運轉中，轉子的轉速也相當緩慢，從而有更寬松的進氣和排氣時間，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。汪克爾型轉子發(fā)動機的特點體積小重量輕：轉子發(fā)動機有幾個優(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，雙轉子RE相當于直列六缸往復式發(fā)動機。在保證相同的輸出功率水平前提下，轉子式發(fā)動機的設計重量是往復式的三分之二，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、重量分布和空間利用等方面的要求越來越嚴格的情況下。

精簡結構：由于轉子發(fā)動機將空燃混合氣燃燒產(chǎn)生的膨脹壓力直接轉化為三角形轉子和偏心軸的轉動力，所以不需要設置連桿，進氣口和排氣口依靠轉子本身的運動來打開和關閉;不再需要配氣機構，包括正時齒帶、凸輪軸、搖臂、氣門、氣門彈簧等，而這在往復式發(fā)動機中是必不可少的一部分。綜上所述，轉子發(fā)動機組成所需要的部件大幅度減少。

均勻的扭矩特性：根據(jù)研究結果，轉子發(fā)動機在整個速度范圍內(nèi)有相當均勻的扭矩曲線，即使是在兩轉子的設計中，運行中的扭矩波動也與直列六缸往復式發(fā)動機具有相同的水平，三轉子的布置則要小于V型八缸往復式發(fā)動機。

運行更安靜，噪音更小：對于往復式發(fā)動機，活塞運動本身就是一個振動源，同時氣門機構也會產(chǎn)生令人討厭的機械噪音。轉子發(fā)動機平穩(wěn)的轉動運動產(chǎn)生的振動相當小，而且沒有氣門機構，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，轉子的轉速是發(fā)動機轉速的三分之一。因此，在轉子發(fā)動機以9 000 rpm的轉速運轉時，轉子的轉速約為該轉速的三分之一。另外，由于轉子發(fā)動機沒有那些高轉速運動部件，如搖臂和連桿，所以在高負荷運動中，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。

相對于往復式發(fā)動機的比較，轉子發(fā)動機有如下缺點，耗油量比較大。這主要是轉子發(fā)動機燃燒室的形狀不太有利于完全燃燒，火焰?zhèn)鞑ヂ窂捷^長，使得燃油和機油的消耗增加。而且轉子發(fā)動機只能用點燃式，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，轉子發(fā)動機的加工制造技術高，成本比較貴，推廣困難。

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1008-3383(2011)09-0270-01

2011-07-11