欖心轉子發動機的核心結構及特性

摘要：欖心轉子發動機，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：欖心轉子發動機;發動機的橢圓結構;一次轉矩動能;活塞發動機;汪克爾發動機;發動機的特性及優勢

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

1 ?欖心轉子發動機缸體曲線

①欖心轉子發動機的徑向曲線是發動機的核心結構，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，才不會在旋轉時產生機構咬合現象。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。

將欖心轉子發動機的缸體曲線設置成橢圓，不但可行，同時發動機的設計研發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。滑塊軸的偏心度直接影響了發動機轉矩大小、燃油效率、最大旋轉速度及發動機平面有關的零件尺寸。滑塊軸在工作中將承受較大的壓力，數量相當于排量相同活塞發動機曲軸一倍以上。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動機一樣，設置三四道密封環，也使得滑塊有足夠的長度尺寸，減少與轉子間的轉矩應力，延長發動機的使用壽命。

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

欖心轉子發動機結構如圖1所示。

2 ?從發動機的每次燃爆做功角度入手

①那么這樣的轉子發動機有什么特性，或是說有什么優勢呢？我們知道內燃機獲取的轉動能量都是由燃料燃爆所產生的高壓氣體通過一定的機構轉換而成。活塞發動機是通過活塞連桿和曲軸的配合將燃爆氣體產生的壓力能量轉換成轉矩動能，而轉子發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。這兩種發動機所能夠產生動力都是燃料多次連續燃爆產生高壓氣體組成的能量轉換集合，那么對發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，了解和解釋各個發動機自身的重要特性。

②三種發動機的數學模型建立的基礎。

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

圖2是0.5L活塞發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，必須依據一定的工作轉速，減除去各自發動機機構的損耗，剩下的才是有效輸出動能。它代表發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的爆壓數值，在本數學模型計算過程中只是起到一個系數值的作用，在相互對比求得比值后，這一數值會被約分除掉。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活塞發動機與汪克爾。

首先將比較活塞發動機和汪克爾發動機，圖2和圖4 中，在一次轉矩動能上，活塞發動機比汪克爾發動機要強3.28倍，這一比值非常巨大，其中的差別是發動機在內的機構原理造成的。活塞發動機的工作轉角是180度，汪克爾發動機為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動機的1/4，雖然它的轉子工作轉距半徑比活塞發動機大上一倍，也改變不了最大轉矩峰值只有活塞發動機一半的狀況，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%，而活塞發動機有效輸出率一般在35%左右，在理想的狀態下，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。現實中，由于汪克爾發動還沒有達到活塞發動機具有的壓縮比數值，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將汪克兒發動機做得相當優秀，但在追求以燃油效率為主要指標的普通汽車市場中，汪克爾發動機總是那么的不適宜。

④重油活塞發動機。

這里提及一下重油活塞發動機，其實這款發動機的原理和汪克爾發動機基本原理相同，它變了個形狀，缸體油8字形變為3瓣的梅花形，轉子由三角變為8字形橢圓體，較為有效的解決了徑向密封問題，缸體內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，所以它比汪克爾發動機有更大的研發價值。

重油活塞發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，功重比優勢較為突出。

3 ?欖心轉子發動機與活塞發動機的比較

3.1 下面將圖3和圖2比較

也就是欖心轉子發動機比較活塞發動機。在獲取一次轉矩動能的能力上，兩種發動機差別不大，比較功量數值，欖心轉子發動機只多了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向內凹陷較多的現象，最終的功量面積略小。

轉子發動機在低速工作時，一次轉矩動能的有效輸出率與活塞發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，有近一倍以上的優勢。原因很簡單，轉子發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動機的有效輸出功率。可以說轉子發動機的優勢就是能夠賺取活塞發動機這一功耗，使之轉變為有效的輸出動能。

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，它的大小與活塞機構的質量與最高運動速度有關，進而與曲軸的曲率半徑和發動機曲軸工作的轉速有關。

中國北方發動機研究所（天津）的一項實驗結果表明：往復式發動機機械損失比例，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，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。活塞機構的質量包括活塞、密封圈、連桿銷、連桿銷固定環、連桿小頭及部分連桿的質量總和。所以排量較大的活塞發動機的一般做法是通過增加缸體數量來增大排量，以減少活塞機構質量因素的影響。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動機的極限。

活塞機構的耗能是活塞發動機固有的特性，時至今日，經過百年的研發改進，這項功耗已經被優化接近最低點，活塞發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動機的研發投入就很正常了。

4 ?兩種機構的特性缺陷

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

5 ?欖心轉子發動機的優勢

5.1 兩方面的優勢

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

5.2 雙面燃爆工作

作為一種新型的內燃機，可以做到轉子的雙面燃爆工作，也就是單轉子連續兩次壓縮，兩次連續燃爆做功，進一步的提高發動機工作效能，相對于活塞發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，欖心轉子發動機都有更大的機構優勢和更廣大的研發空間，它使用氫燃料、工業酒精、液化汽等較低的燃爆壓力的環保燃料做動力源，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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