旋轉活塞式發動機

旋轉活塞式發動機是指燃燒室內產生的高溫高壓燃氣推動活塞旋轉以產生動力的內燃機。又叫做轉子發動機，廣泛套用於汽車領域。

基本介紹

• 中文名：旋轉活塞式發動機
• 外文名：rotary piston engine
• 領域：汽車
• 別稱：轉子發動機

發展歷史

從18世紀70年代以來，各國的設計師和發明家研究設計出了各種各樣的旋轉活塞式機械，但多使用於鼓風機、壓氣機、蒸汽機等機器，直到1954年初，根據德國科學家費·汪克爾（Felix Wankel）的設計，經過三年的試驗，終於在1957年2月1日，由德國AUDI-NCU0公司生產出了第一台單純旋轉型三角活塞旋轉式發動機，命名為KKM125型，其排量為125毫升，在10000轉/分時發出功率21kw（合28.6馬力）。60年代初又研製出了行星旋轉式發動機，命名為KKM512型，在6000轉/分時發出功率80.85kw（合110馬力）。NCU公司將這些發動機分別安裝在士波德（SPIDER）轎車和“RO-80”型的各式轎車上，這種新型汽車發動機的產生在世界汽車製造業中引起了巨大的震動。隨後，美國的萊諾汽車公司，日本的五十鈴公司，德國的戴姆勒—賓士公司、英國的波金斯公司、法國的西托安公司等汽車生產廠家相繼投入了巨大的人力和物力，對旋轉活塞發動機進行了進一步的研製和開發。

基本組成

圖2為旋轉活塞式發動機的基本組成。缸體內壁有 "8"字形的特定氣缸型面，兩側用端蓋封閉，缸體和端蓋均為固定件。在氣缸內裝有弧邊三角形旋轉活塞。發動機主軸（輸出軸）由軸承支承在缸體上。外齒小齒輪與主軸同心，固定在端蓋上。在主軸的偏心軸頸上通過軸承套裝著旋轉活塞。旋轉活塞的另端固定有同心的內齒大齒輪。

圖2 旋轉活塞式發動機組成

發動機運轉時，外齒的小齒輪不動，活塞上的內齒大齒輪繞外齒小齒輪嚙合旋轉作行星運動。旋轉活塞繞偏心軸頸的軸線自轉，偏心軸頸又繞主軸軸線公轉。內齒大齒輪與外齒小齒輪的齒數比為3：2，故活塞的自轉速 度與公轉速度之比為1：3，即主軸的轉速為活塞繞偏心軸頸的轉速的3倍。

原理

三角旋轉式發動機的工作原理如下：

當三角形活塞按順時針方向轉動時，a、b腔排氣，b、c腔吸氣，c、a腔壓縮吸進的空氣和油的混合物到上止點（空間最小處），並由前火花塞點火使被壓縮的可燃氣體燃燒，隨後由後火花塞繼續點火，使可燃氣體繼續充分燃燒，高溫高壓氣體推動三角活塞旋轉，並通過輸出軸輸出機械能。

a、b腔繼續排氣，b、c腔吸氣至下止點（空間最大處）c、a腔膨脹。

a、b腔排氣至上止點，進排氣重選，b、c腔開始壓縮，c、a腔繼續膨脹。

a、b腔吸氣，b、c腔繼續壓縮，c、a腔膨脹至下止點，同時開始排氣，如此循環下去。

以上是三角旋轉式發動機的基本工作原理中的一個工作循環。從以上工作循環可以看出，三角旋轉式發動機，在培養學生創新思維能力方面具有很強的指導作用，三角旋轉式發動機在結構創新方面具有獨到之處，但它仍然具備一般活塞式發動機的許多基本特點，如：吸氣、壓縮、作功、排氣這幾個衝程，只不過是用另一種方式來完成而已。

轉子發動機的特點和發展

1、轉子發動機工作效率高

旋轉活塞式發動機的轉子每轉一圈，完成三個工作循環，產生三次動力，作三次功；而往復式四衝程發動機的曲軸需要旋轉兩圈才完成一個工作循環，產生一個動力，作一次功。顯而易見，轉子發動機的工作效率是比較高的。

2、轉子發動機的結構簡單

轉子發動機轉子的轉動是靠轉子偏心軸直接帶動的，充氣循環是由轉子本身和外殼上的簡單氣口來控制的，沒有進、排氣閥裝置。轉子發動機與往復式發動機相比較，減少了曲柄—連桿機構和配氣結構，沒有笨重的曲柄連桿和平衡重，沒有凸輪軸、搖臂、氣門、氣門導桿和氣門座等零部件，結構簡單（這也是提高轉速，降低內耗，減輕震動的主要條件），造價低廉。輸出功率相同的RC2—60— U5轉子發動機（美國）與V8往復式發動機（美國）相比，前者的零部件數量為80餘件，後者的零部件數量則達400多件，除此之外，前者的體積和重量也遠比後者要小得多。

3、轉子發動機工作平穩性好

發動機轉子支持在轉子偏心軸（輸出軸）上，用一對內部齒輪裝置來保證轉子作正確的運動，三角轉子繞其自身中心轉動的同時還繞轉子偏心軸旋轉，速比為1∶3，當轉子轉一圈時，轉子軸轉動三圈，而轉子軸每轉一圈都有一次做功過程，功率輸出比較連續。另外，轉子發動機的工作循環僅需要一次推動扭矩，所以扭矩曲線要比往復式發動機均勻得多，工作平穩性好，功率損失相應較少。由於轉子均做等角速旋轉，沒有往復運動的質量影響，減少了慣性力的衝擊和震動，減輕了軸承的負荷，延長了軸承的壽命，如果採用多個轉子組合時，可達到完全的機械平衡，運轉的平穩程度還可進一步提高。

4、轉子發動機的轉速高

往復式四衝程發動機的進氣、壓縮、燃燒、排氣基本上是在活塞運動的四個行程中完成的，這種充氣循環的間斷性，也是約束往復式發動機提高轉速的原因之一，轉子發動機的空氣燃料混合氣是在近似於橢圓形的行程上流動，並不對實際燃燒過程甚至發動機的轉速有任何限制，所以可獲得很高的氣體速度和發動機的轉速頻率。

綜上所述，轉子發動機具有體積小、重量輕、結構簡單、運轉平穩和機器壽命長等優點。隨著現代高科技（像燃料噴射、電子點火等技術）的開發與套用，轉子發動機的設計越來越趨於完善，發展前景越來越樂觀。

缺點

三角轉子發動機也有它本身的弱點。由於其氣缸密封線比往復機長，因此發動機在低速運轉時的氣體泄漏就高於往復機；加之，旋轉活塞式發動機的燃燒室狹長，面容比大，相應旋轉活塞式發動機的低速動力性能和燃料經濟性也低於往復機（旋轉活塞式發動機的高速動力性優於往復機）。隨著轉子發動機的結構設計、工藝、材料的不斷改進和提高，特別是採用了分層燃燒技術以後，其差距正在逐步縮小，目前其燃料經濟性已可以與先進的汽油往復機相媲美。另外，隨著不斷地強化試驗和改進，其使用壽命正在日益接近往復機的水平。

轉子發動機的缺點是不容忽視的，人們正在以不斷的努力加以改進和克服。然而，旋轉活塞式發動機的優點則更為突出，試以雙缸汽油轉子發動機為例，與一般同功率指標先進的6-8缸汽油往復機相比，它的自重僅為往復機的50-70%，體積約小30-50%，發動機零件總數約少20-40%，運動件數少40-60%，在生產批量相等的情況下，旋轉活塞式發動機的生產成本約為同功率往復機的80%。在實際使用中表明，轉子發動機還以運轉平穩、振動小、噪音小、高速性能好、易於系列化等技術特點優於往復活塞式發動機。這就是為什麼旋轉活塞式發動機能夠得到不斷發展的根本原因。