目前在商品汽車上普遍使用往復式活塞發(fā)動機.還有一種知名度很高,但應用很少的發(fā)動機,這就是三角活塞旋轉式發(fā)動機.
轉子發(fā)動機又稱為米勒循環(huán)發(fā)動機.它采用三角轉子旋轉運動來控制壓縮和排放,與傳統(tǒng)的活塞往復式發(fā)動機的直線運動迥然不同.這種發(fā)動機由德國人菲加士·汪克爾發(fā)明,在總結前人的研究成果的基礎上,解決了一些關鍵技術問題,研制成功第一臺轉子發(fā)動機.
汪克爾于1902年出生在德國,1921年到1926年受雇于海德堡一家科技出版社的銷售部.在1924年,汪克爾在海德堡建立了自己的公司,他花了大量的時間在那里進行轉子發(fā)動機的研制,在1927年,諸如氣密性和潤滑等的一系列技術問題的攻克終于有了眉目.60年初在德國生產(chǎn)出第一輛裝配了轉子發(fā)動機的小跑車.當時業(yè)內(nèi)人士認為這種發(fā)動機的結構緊湊輕巧,運轉寧靜暢順,也許會取替?zhèn)鹘y(tǒng)的活塞式發(fā)動機.
1964年,日內(nèi)瓦的德法合資企業(yè)COMOBIL公司,首次把轉子發(fā)動機裝在轎車上成為正式產(chǎn)品.1967年,日本人也將轉子發(fā)動機裝在馬自達轎車上開始成批生產(chǎn).
一向?qū)π录夹g情有獨鐘的馬自達公司投巨資從汪克爾公司買下了這項技術.由于這是一項高新技術,懂得這項技術的人寥寥無幾,發(fā)動機壞了無人會修,而且耗油大,汽車界有人對這種發(fā)動機的市場前景產(chǎn)生了懷疑.70年代石油危機爆發(fā),各國忙于應付各方面的困難而無暇顧及發(fā)展轉子發(fā)動機,唯有馬自達公司仍然深信轉子發(fā)動機的潛力,獨自研究和生產(chǎn)轉子發(fā)動機,并為此付出了相當大的代價.他們逐步克服了轉子發(fā)動機的缺陷,成功地由試驗性生產(chǎn)過渡到商業(yè)性生產(chǎn),并將安裝了轉子發(fā)動機的RX-7型跑車打入了美國市場,令人刮目相看.
在世界環(huán)保意識日益強化,石油資源日漸沽竭的今天,以氫氣做動力源的研究已成為一大課題.當年馬自達堅持下來的轉子發(fā)動機從結構上講是最適合燃燒氫氣,而且最"干凈",因為氫燃燒完后排出的是水蒸汽,對環(huán)境沒有任何污染.馬自達公司改制了RX-7型跑車的轉子發(fā)動機,使它可以用氫做燃料.這種發(fā)動機裝配在馬自達HR一X汽車上,1立方米的燃料箱吸儲了相當43立方米的壓縮氫氣,以每小時60公里的車速可行駛230公里,引起了各界人士的關注.由于從生產(chǎn)裝配到維護修理,轉子發(fā)動機都與傳統(tǒng)的發(fā)動機大不一樣,開發(fā)成本大.加上往復式活塞發(fā)動機在功率,重量,排放,能耗等方面都比過去有了顯著提高,轉子發(fā)動機沒有顯出明顯的優(yōu)勢,因此各大汽車企業(yè)都沒有積極性去開發(fā)利用,唯有馬自達一家苦苦支撐.一般發(fā)動機是往復運動式發(fā)動機,工作時活塞在氣缸里做往復直線運動,為了把活塞的直線運動轉化為旋轉運動,必須使用曲柄連桿機構.轉子發(fā)動機則不同,它直接將可燃氣的燃燒膨脹力轉化為驅(qū)動扭矩.與往復式發(fā)動機相比,轉子發(fā)動機取消了無用的直線運動,因而同樣功率的轉子發(fā)動機尺寸較小,重量較輕,而且振動和噪聲較低,具有較大優(yōu)勢.
轉子發(fā)動機的運動特點是:三角轉子的中心繞輸出軸中心公轉的同時,三角轉子本身又繞其中心自轉.在三角轉子轉動時,以三角轉子中心為中心的內(nèi)齒圈與以輸出軸中心為中心的齒輪嚙合,齒輪固定在缸體上不轉動,內(nèi)齒圈與齒輪的齒數(shù)之比為3:2.上述運動關系使得三角轉子頂點的運動軌跡(即汽缸壁的形狀)似"8"字形.三角轉子把汽缸分成三個獨立空間,三個空間各自先后完成進氣,壓縮,做功和排氣,三角轉子自轉一周,發(fā)動機點火做功三次.由于以上運動關系,輸出軸的轉速是轉子自轉速度的3倍,這與往復運動式發(fā)動機的活塞與曲軸1:1的運動關系完全不同.
在2004北京汽車展中首次展出的RX-8動力總成:RENESIS轉子發(fā)動機,象征著馬自達汽車公司的核心.轉子發(fā)動機發(fā)展史和馬自達的成長纏繞在一起,密不可分.今天,馬自達是世界上唯一生產(chǎn)和銷售轉子發(fā)動機汽車的公司.
1961年,被轉子發(fā)動機的潛在優(yōu)勢深深吸引,馬自達的工程師決定積極大力地進行轉子發(fā)動機的不斷開發(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子發(fā)動機.當然,不斷努力完善這種獨特發(fā)動機的工作從來沒有停止過.迄今為止,馬自達已經(jīng)生產(chǎn)了將近兩百萬輛以轉子發(fā)動機為動力的汽車,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車輛性能和耐力極限的汽車大賽.1991年,以轉子發(fā)動機為動力的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子發(fā)動機上的成熟技術.轉子發(fā)動機經(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品牌形象和其獨特技術.
四十年的追求
自從馬自達開始從事完善轉子發(fā)動機的研發(fā)工作,公司就成功利用這種發(fā)動機本身所固有的輕量化,結構緊湊和高動力性能的優(yōu)點,同時逐步克服其耗油和廢氣排放量大的缺點.在為RX-7開發(fā)的13BREW渦輪增壓轉子發(fā)動機上,馬自達在轉子發(fā)動機的發(fā)展中,就最大功率而言,達到了它的一個技術高峰.
然而推動馬自達轉子發(fā)動機開發(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,并提高它的進氣和燃燒效率.這些努力在MSP-RE上達到充分體現(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.自然吸氣式MSP-RE 隨后作為RX-8的動力總成進行批量生產(chǎn),并更名為RENESIS,它代表著"The RE (rotary engine)'s GENESIS"( 轉子發(fā)動機的起源).
RENESIS轉子式發(fā)動機,這種自然吸氣式轉子發(fā)動機在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),結構緊湊的輕量化車身使RX-8得以采用先進的前中置動力總成布置,和以前的RX-7相比,發(fā)動機位置更低更靠后.由于RENESIS具有平穩(wěn)的性能,緊湊的尺寸和獨特的行駛特點,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).
作為世界上唯一的轉子發(fā)動機制造商,同時作為被全世界駕駛員高度評價的跑車生產(chǎn)商,馬自達不斷地努力把公司的夢想變?yōu)楝F(xiàn)實.正是這種夢想和我們在跑車開發(fā)中投入的熱情,使馬自達的客戶對創(chuàng)新性的RENESIS發(fā)動機擁有很高的期望度.
汪克爾型轉子發(fā)動機的結構和工作原理
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.
實際上,在十六世紀末期,在出版物中首次出現(xiàn)"連續(xù)運轉內(nèi)燃機"的說法.連桿和曲柄機構的發(fā)明人沃特詹姆斯 (1736-1819),也曾研究轉子式內(nèi)燃機.特別是在過去的150年里,發(fā)明者提出了許多關于轉子發(fā)動機結構的提案.在1846年,人們畫出了當今轉子發(fā)動機工作室的幾何結構,設計了使用外旋輪線的第一輛概念發(fā)動機.但是,這些概念都沒有實用化,直到汪克爾菲加士博士在1957年研制出汪克爾轉子發(fā)動機.
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.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(qū)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進氣,壓縮,燃燒和排氣四個工作過程.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3000 rpm時,轉子的速度只有1000 rpm.
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.(見圖中PG).這一運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,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.
如上一頁圖中所示,可看到轉子發(fā)動機工作容積的變化,以及與四循環(huán)往復式發(fā)動機的差別.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度,而轉子發(fā)動機轉動270度,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度); 而在轉子發(fā)動機中,偏心軸轉三圈(1080度),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.
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9000 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.
轉子發(fā)動機工作容積的變化過程如圖所示,輪子發(fā)動機工作容積的變化可以和往復式發(fā)動機的各工作行程一一相對應.