汪克爾型轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理

1、汪克爾型轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理馬自達(dá)轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)曾在 2004北京汽車展中首次展出的RX-8動力總成：RENESIS轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)，象征著馬自達(dá)汽車公司的核心。轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)發(fā)展史和馬自達(dá)的成長纏繞在一起，密不可分。今天，馬自達(dá)是世界上唯一生產(chǎn)和銷售轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)汽車的公司。 1961年，被轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)的潛在優(yōu)勢深深吸引，馬自達(dá)的工程師決定積極大力地進(jìn)行轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)的不斷開發(fā)。六年過去了，經(jīng)過無數(shù)個小時的努力奮斗，終于在1967年，工程師們自豪地在Cosmo Sports上安裝了世界上第一臺雙轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)。當(dāng)然，不斷努力完善這種獨(dú)特發(fā)動機(jī)的工作從來沒有停止過。迄今為止，馬自達(dá)已經(jīng)生產(chǎn)了將近兩百萬輛以轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)

2、為動力的汽車，其中一輛曾在1991年的法國創(chuàng)造了歷史。在巴黎的勒芒 24小時汽車賽是一個考驗(yàn)車輛性能和耐力極限的汽車大賽。 1991年 ，以轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)為動力的Mazda 787B，成為第一輛在此賽事上大獲全勝的日本汽車。這種前所未有的勝利為馬自達(dá)在汽車歷史上寫下輝煌的一頁。更重要的是，這次勝利證明了公司在轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)上的成熟技術(shù)。轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)經(jīng)常被描述為“時尚”、“創(chuàng)意”和“活力”。這三個詞語同樣可以用來定義馬自達(dá)品牌形象和其獨(dú)特技術(shù)。四十年的追求 自從馬自達(dá)開始從事完善轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)的研發(fā)工作，公司就成功利用這種發(fā)動機(jī)本身所固有的輕量化、結(jié)構(gòu)緊湊和高動力性能的優(yōu)點(diǎn)，同時逐步克服其燃油消耗和廢氣排放水

3、平較高的缺點(diǎn)。在為 RX-7開發(fā)的13BREW渦輪增壓轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)上，馬自達(dá)在轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)的發(fā)展中，就最大功率而言，達(dá)到了它的一個技術(shù)高峰。然而推動馬自達(dá)轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)開發(fā)的激情和夢想永無止境。工程師開始努力讓這種動力裝置更緊湊，并提高它的進(jìn)氣和燃燒效率。這些努力在 MSP-RE上達(dá)到充分體現(xiàn)，并在1995年東京汽車展中推出的RX-01概念車上安裝了這種發(fā)動機(jī)。自然吸氣式MSP-RE 隨后作為RX-8的動力總成進(jìn)行批量生產(chǎn)，并更名為RENESIS，它代表著“The RE (rotary engine)'s GENESIS”（ 轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)的起源）。RENESIS轉(zhuǎn)子式發(fā)動機(jī)，這種自然吸氣式轉(zhuǎn)子發(fā)

4、動機(jī)在8,500 rpm下能夠產(chǎn)生184 kW (250 PS)的最大功率 （針對日本的高功率車型） ，結(jié)構(gòu)緊湊的輕量化車身使RX-8得以采用先進(jìn)的前中置動力總成布置，和以前的 RX-7S 相比，發(fā)動機(jī)位置更低更靠后。 由于 RENESIS具有平穩(wěn)的性能、緊湊的尺寸和獨(dú)特的行駛特點(diǎn)，在全新的RX-8推出不久，即在2003年6月被命名為International Engine of the Year（國際年度最佳發(fā)動機(jī)）。作為世界上唯一的轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)制造商，同時作為被全世界駕駛員高度評價的跑車生產(chǎn)商，馬自達(dá)不斷地努力把公司的夢想變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。正是這種夢想和我們在跑車開發(fā)中投入的熱情，使 馬自達(dá) 的客戶

5、對創(chuàng)新性的 RENESIS發(fā)動機(jī)擁有很高的期望度。汪克爾型轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理 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)雅的原動力 引擎 所取代，它的運(yùn)動軌跡應(yīng)該非常接近人類偉大的發(fā)明之一：輪子。實(shí)際上，在十六世紀(jì)末期，在出版物中首次出現(xiàn) “連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)內(nèi)燃機(jī)”的說法。連桿和曲柄機(jī)構(gòu)的發(fā)明人沃特詹姆斯 (1736 -1 819)，也曾研究轉(zhuǎn)子式內(nèi)燃機(jī)。特別是在過去的150年里，發(fā)明者提出了許多關(guān)于轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)的提案。在1846年，人們畫出了當(dāng)今轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)工作室的幾何結(jié)構(gòu)，設(shè)計了使用外旋輪線的第一輛概念發(fā)動機(jī)。但是，

6、這些概念都沒有實(shí)用化，直到汪克爾菲加士博士在1957年研制出汪克爾轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)。汪克爾博士通過研究和分析各種轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)類型的可行性，找到了旋輪線殼體的最佳形狀。他對飛機(jī)發(fā)動機(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)計中的使用，使汪克爾型轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)得以實(shí)用化?，F(xiàn)代的轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)由繭形殼體 （一個三角形轉(zhuǎn)子被安置在其中） 組成。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進(jìn)氣、壓縮、燃燒和排氣四個工作過程。如果將三角形的轉(zhuǎn)子放置在圓形殼體的中心部，工作室將不會隨著殼體內(nèi)部轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)而在體積上發(fā)生

7、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)的四個工作過程。在汪克爾型轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)上，轉(zhuǎn)子的頂點(diǎn)隨著發(fā)動機(jī)殼體內(nèi)圓周的橢圓形殼體而運(yùn)動，同時保持與圍繞在發(fā)動機(jī)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(zhuǎn)子的軌道是用一個相位齒輪機(jī)構(gòu)來規(guī)定的。相位齒輪包括安裝在轉(zhuǎn)子內(nèi)側(cè)的一個內(nèi)齒圈和安裝在偏心軸上的一個外齒輪。如果轉(zhuǎn)子齒輪在其內(nèi)側(cè)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

8、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)子有較長的轉(zhuǎn)動周期。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動一圈，偏心軸轉(zhuǎn)動三圈。當(dāng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為 3000 rpm 時，轉(zhuǎn)子的速度只有 1000 rpm 。 與傳統(tǒng)往復(fù)式發(fā)動機(jī)的比較 往復(fù)式發(fā)動機(jī)和轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)都依靠空燃混合氣燃燒產(chǎn)生的膨脹壓力以獲得轉(zhuǎn)動力。兩種發(fā)動機(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)動機(jī)中，產(chǎn)生在活塞頂部表面的膨脹壓力向下推動活塞，機(jī)械力被傳給連桿，帶動曲軸轉(zhuǎn)動。對于轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)，膨脹壓力作用在轉(zhuǎn)子的側(cè)面。從而將三角形轉(zhuǎn)子的三個面之一推向偏心軸的中心。（見圖中 PG）。這一運(yùn)動由兩個分開的力作用而成。一個是指向輸出軸中心（見圖中的Pb）的向心力

9、，另一個是使輸出軸轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子的運(yùn)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(jìn)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(jìn)行，這明顯區(qū)別于往復(fù)式發(fā)動機(jī)。往復(fù)式發(fā)動機(jī)的四個過程都是在一個汽缸內(nèi)進(jìn)行的。轉(zhuǎn)子發(fā)動機(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，對于型號為 13B的雙轉(zhuǎn)子發(fā)動機(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)動機(jī)上也使用同樣的定義。如上一頁圖中所示，轉(zhuǎn)子發(fā)動

10、機(jī)工作容積的變化，以及與四循環(huán)往復(fù)式發(fā)動機(jī)的比較。盡管在這兩種發(fā)動機(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。首先是每個過程的轉(zhuǎn)動角度：往復(fù)式發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)動 180度，而轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)動270度，是往復(fù)式發(fā)動機(jī)的1.5倍。換句話說，在往復(fù)式發(fā)動機(jī)中，曲軸（輸出軸）在四個工作過程中轉(zhuǎn)兩圈（720度）；而在轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)中，偏心軸轉(zhuǎn)三圈（1080度），轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)一圈。這樣，轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)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(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)氣和排氣時間，為那些能夠獲得較高的動力性能的系統(tǒng)的運(yùn)行提供了便利。 汪克爾型轉(zhuǎn)子發(fā)

11、動機(jī)的特點(diǎn) 體積小重量輕 ： 轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)有幾個優(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)動機(jī)。在保證相同的輸出功率水平前提下，轉(zhuǎn)子式發(fā)動機(jī)的設(shè)計重量是往復(fù)式的三分之二，這個優(yōu)點(diǎn)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(xué)、重量分布和空間利用等方面的要求越來越嚴(yán)格。精簡結(jié)構(gòu) ： 由于轉(zhuǎn)子發(fā)動機(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)動來打開和關(guān)閉；不再需要配氣機(jī)構(gòu)，包括正時齒帶、凸輪軸、搖臂、氣門、氣門彈簧等，而這在往復(fù)式發(fā)動機(jī)中是必不可少的一部分。綜上所述，轉(zhuǎn)子發(fā)動機(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)動機(jī)在整個速度范圍內(nèi)有相當(dāng)均勻的扭矩曲線，即使是在兩轉(zhuǎn)子的設(shè)計中，運(yùn)行中的扭矩波動也與直列六缸往復(fù)式發(fā)動機(jī)具有相同的水平，三轉(zhuǎn)子的布置則要小于型八缸往復(fù)式發(fā)動機(jī)。運(yùn)行更安靜，噪音更小： 對于往復(fù)式發(fā)動機(jī)，活塞運(yùn)動本身就是一個振動源，同時氣門機(jī)構(gòu)也會產(chǎn)生令人討厭的機(jī)械噪音。轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)平穩(wěn)