03.05 汽車的轉子發動機與往復式發動機區別在哪?為什麼?

南京萬通李澤峰


汽車的發動機基本上都是往復運動式發動機,做功的時候活塞在氣缸裡邊做往復直線運動,再利用曲柄連桿機構將直線運動轉化為旋轉運動。而比較特殊的轉子發動機工作方式則有所不同,它直接將燃油燃燒產生的膨脹力轉化為旋轉力矩。省去了直線往復運動機構。

相比往復式發動機,轉子發動機的結構簡單,體積小,而且震動和噪音更小。輸出功率更是驚人,據資料記載,1.5L左右的轉子發動機輸出功率等同於2.0T往復式渦輪增壓發動機輸出功率。但是轉子發動機並不是完美無缺的,它也有致命的缺陷。

首先,由於轉子發動機技術比較尖端,製作工藝要求比較高,成本比較貴。其獨特的三角形轉子結構也使得其維修困難。目前,也僅僅只有馬自達汽車使用過這項技術,並沒有廣泛普及到汽車行業中。

另外,轉子發動機的耗油相當高。主要因為轉子發動機不像往復式活塞發動機那樣,利用直線往復運動產生高壓縮比,所以燃燒不充分。而且由於轉子發動機內三角轉子的相鄰容腔間只有一個密封條,時間一久密封條就會磨損造成漏氣問題,所以會大大增加油耗與環境汙染。我想這也是馬自達轉子發動機被禁止參加勒芒賽的真正原因,並非網上傳說的因為轉子發動機的黑科技而禁賽。

最後,轉子發動機的輸出軸位置比較高,整車佈置困難,而且由於轉子發動機市場上使用很少,所以維護費用昂貴。要想轉子發動機普及,還需要攻克不少的問題,尤其是比較知名的幾個缺陷。


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一般發動機是往復運動式發動機,工作時活塞在氣缸裡做往復直線運動,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。轉子發動機則不同,它直接將可燃氣的燃燒膨脹力轉化為驅動扭矩。與往復式發動機相比,轉子發動機取消了無用的直線運動,因而同樣功率的轉子發動機尺寸較小,重量較輕,而且振動和噪聲較低,具有較大優勢。

轉子發動機的運動特點是: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齒圈與以輸出軸中心為中心的齒輪齧合,齒輪固定在缸體上不轉動,內齒圈與齒輪的齒數之比為3:2。上述運動關係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,三個空間各自先後完成進氣、壓縮、做功和排氣,三角轉子自轉一週,發動機點火做功三次。由於以上運動關係,輸出軸的轉速是轉子自轉速度的3倍,這與往復運動式發動機的活塞與曲軸1:1的運動關係完全不同。


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有以下不同幾點:運動零件更少,與四衝程活塞式發動機相比,轉子發動機的運動零件要少得多。 雙轉子發動機主要有三個運動零件: 兩個轉子和一個輸出軸。 即使最簡單的四缸活塞式發動機也至少有40個運動零件,包括活塞、連桿、凸輪軸、氣門、氣門彈簧、搖臂、正時皮帶、正時齒輪和曲軸等。運動零件的減少意味著轉子發動機的可靠性更高。 這就是為什麼某些飛機制造商(包括空中客車在內)傾向於使用轉子發動機而非活塞式發動機的原因。

轉子發動機殼體的內部空間(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,這明顯區別於往復式發動機。而往復式發動機的四個過程都是在一個汽缸內進行的。

轉子發動機中所有零件均沿一個方向持續旋轉,不需要像傳統發動機中的活塞那樣劇烈地變換方向。通過利用定向旋轉配重物來消除震動,轉子發動機實現了內部平衡。由於轉子的旋轉速度是輸出軸的三分之一,因而發動機的主要運動零件的運動速度比活塞式發動機要慢得多。 這也有利於提高可靠性。

轉子發動機的排氣量通常用單位工作室容積和轉子的數量來表示。例如,對於型號為13B的雙轉子發動機,排量為“654cc &TImes; 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。往復式發動機上也使用同樣的定義。





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首先,往復式發動機和轉子發動機都依靠空燃混合氣燃燒產生的膨脹壓力以獲得轉動力。兩種發動機的機構差異在於使用膨脹壓力的方式。在往復式發動機中,產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。

體積小重量輕:轉子發動機有幾個優點,其中最重要的一點是減小了體積和減輕了重量。在保證相同的輸出功率水平前提下,轉子式發動機的設計重量是往復式的三分之二,這個優點對於汽車工程師們有著無比的吸引力。

精簡結構:由於轉子發動機將空燃混合氣燃燒產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,而這在往復式發動機中是必不可少的一部分。綜上所述,轉子發動機組成所需要的部件大幅度減少。

均勻的扭矩特性:根據研究結果,轉子發動機在整個速度範圍內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動機具有相同的水平,三轉子的佈置則要小於V型八缸往復式發動機。

運行更安靜,噪音更小:對於往復式發動機,活塞運動本身就是一個振動源,同時氣門機構也會產生令人討厭的機械噪音。轉子發動機平穩的轉動運動產生的振動相當小,而且沒有氣門機構,因此能夠更平穩和更安靜的運行。

可靠性和耐久性:轉子的轉速是發動機轉速的三分之一。另外,由於轉子發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。


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與四衝程活塞式發動機相比,轉子發動機的運動零件要少得多。 雙轉子發動機主要有三個運動零件: 兩個轉子和一個輸出軸。 即使最簡單的四缸活塞式發動機也至少有40個運動零件,包括活塞、連桿、凸輪軸、氣門、氣門彈簧、搖臂、正時皮帶、正時齒輪和曲軸等。 轉子發動機中所有零件均沿一個方向持續旋轉,不需要像傳統發動機中的活塞那樣劇烈地變換方向。通過利用定向旋轉配重物來消除震動,轉子發動機實現了內部平衡。 轉子發動機中的動力輸出也非常順暢。 因為每次燃燒可使轉子旋轉90度,並且轉子每旋轉一週,輸出軸將旋轉三週,所以每次燃燒可使輸出軸旋轉270度。 這意味著單轉子發動機的一次燃燒可為每個輸出軸四分之三的旋轉提供動力。而單缸活塞式發動機完成一次燃燒需要曲軸(活塞式發動機的輸出軸)旋轉兩週,且燃燒使曲軸旋轉180度;也就是說,曲軸每次旋轉只有四分之一能獲得動力。 由於轉子的旋轉速度是輸出軸的三分之一,因而發動機的主要運動零件的運動速度比活塞式發動機要慢得多。 這也有利於提高可靠性。


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一般發動機是往復運動式發動機,工作時活塞在氣缸裡做往復直線運動,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。轉子發動機則不同,它直接將可燃氣的燃燒膨脹力轉化為驅動扭矩。與往復式發動機相比,轉子發動機取消了無用的直線運動,因而同樣功率的轉子發動機尺寸較小,重量較輕,而且振動和噪聲較低,具有較大優勢。

轉子發動機的運動特點是:

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齒圈與以輸出軸中心為中心的齒輪齧合,齒輪固定在缸體上不轉動,內齒圈與齒輪的齒數之比為3:2。上述運動關係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,三個空間各自先後完成進氣、壓縮、做功和排氣,三角轉子自轉一週,發動機點火做功三次。由於以上運動關係,輸出軸的轉速是轉子自轉速度的3倍,這與往復運動式發動機的活塞與曲軸1:1的運動關係完全不同

轉子發動機的優點:

轉子引擎的轉子每旋轉一圈就作功三次,與一般的四衝程發動機每旋轉兩圈才作功一次相比,具有高馬力容積比(引擎容積較小就能輸出較多動力)的優點。

另外,由於轉子引擎的軸向運轉特性,它不需要精密的曲軸平衡就能達到較高的運轉轉速。整個發動機只有兩個轉動部件,與一般的四衝程發動機具有進、排氣活門等二十多個活動部件相比結構大大簡化,發生故障的可能性也大大減小。除了以上的優點外,轉子引擎的優點亦包括體積較小、重量輕、低重心、震動小等。

轉子發動機的缺點:

油耗高,汙染重。

由於沒有往復式發動機的高壓縮比,使得燃燒不能夠很充分。雖然馬自達公司曾經給轉子發動機增加了單渦輪增壓和雙渦輪增壓等東西,但只是提高了輸出馬力,並適度的減少了尾氣排放,但還是與往復式發動機有著很大的差距。

磨損嚴重,零部件壽命短。

由於三角轉子引擎的相鄰容腔間只有一個徑向密封片,徑向密封片與缸體始終是線接觸,並且徑向密封片上與缸體接觸的位置始終在變化,因此三個燃燒室非完全隔離(密封),徑向密封片磨損快。引擎使用一段時間之後容易因為油封材料磨損而造成漏氣問題,大幅增加油耗與汙染。其獨特的機械結構也造成這類引擎較難維修

轉子發動機與傳統往復式發動機的比較

往復式發動機和轉子發動機都依靠空燃混合氣燃燒產生的膨脹壓力以獲得轉動力。兩種發動機的機構差異在於使用膨脹壓力的方式。在往復式發動機中,產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。

對於轉子發動機,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(見圖中力PG)。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(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,這明顯區別於往復式發動機。往復式發動機的四個過程都是在一個汽缸內進行的。

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

轉子發動機與活塞式發動機的區別與傳統的活塞式發動機相比,轉子發動機有以下幾個突出優點。

運動零件更少

與四衝程活塞式發動機相比,轉子發動機的運動零件要少得多。 雙轉子發動機主要有三個運動零件: 兩個轉子和一個輸出軸。 即使最簡單的四缸活塞式發動機也至少有40個運動零件,包括活塞、連桿、凸輪軸、氣門、氣門彈簧、搖臂、正時皮帶、正時齒輪和曲軸等。

運動零件的減少意味著轉子發動機的可靠性更高。 這就是為什麼某些飛機制造商(包括空中客車在內)傾向於使用轉子發動機而非活塞式發動機的原因。

更順暢

轉子發動機中所有零件均沿一個方向持續旋轉,不需要像傳統發動機中的活塞那樣劇烈地變換方向。通過利用定向旋轉配重物來消除震動,轉子發動機實現了內部平衡。

轉子發動機中的動力輸出也非常順暢。 因為每次燃燒可使轉子旋轉90度,並且轉子每旋轉一週,輸出軸將旋轉三週,所以每次燃燒可使輸出軸旋轉270度。這意味著單轉子發動機的一次燃燒可為每個輸出軸四分之三的旋轉提供動力。而單缸活塞式發動機完成一次燃燒需要曲軸(活塞式發動機的輸出軸)旋轉兩週,且燃燒使曲軸旋轉180度;也就是說,曲軸每次旋轉只有四分之一能獲得動力。

更緩慢

由於轉子的旋轉速度是輸出軸的三分之一,因而發動機的主要運動零件的運動速度比活塞式發動機要慢得多。 這也有利於提高可靠性。


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一般發動機是往復運動式發動機,工作時活塞在氣缸裡做往復直線運動,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。轉子發動機則不同,它直接將可燃氣的燃燒膨脹力轉化為驅動扭矩。與往復式發動機相比,轉子發動機取消了無用的直線運動,因而同樣功率的轉子發動機尺寸較小,重量較輕,而且振動和噪聲較低,具有較大優勢。

轉子發動機的運動特點是:

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齒圈與以輸出軸中心為中心的齒輪齧合,齒輪固定在缸體上不轉動,內齒圈與齒輪的齒數之比為3:2。上述運動關係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,三個空間各自先後完成進氣、壓縮、做功和排氣,三角轉子自轉一週,發動機點火做功三次。由於以上運動關係,輸出軸的轉速是轉子自轉速度的3倍,這與往復運動式發動機的活塞與曲軸1:1的運動關係完全不同

轉子發動機的優點:

轉子引擎的轉子每旋轉一圈就作功三次,與一般的四衝程發動機每旋轉兩圈才作功一次相比,具有高馬力容積比(引擎容積較小就能輸出較多動力)的優點。

另外,由於轉子引擎的軸向運轉特性,它不需要精密的曲軸平衡就能達到較高的運轉轉速。整個發動機只有兩個轉動部件,與一般的四衝程發動機具有進、排氣活門等二十多個活動部件相比結構大大簡化,發生故障的可能性也大大減小。除了以上的優點外,轉子引擎的優點亦包括體積較小、重量輕、低重心、震動小等。

轉子發動機的缺點:

油耗高,汙染重。

由於沒有往復式發動機的高壓縮比,使得燃燒不能夠很充分。雖然馬自達公司曾經給轉子發動機增加了單渦輪增壓和雙渦輪增壓等東西,但只是提高了輸出馬力,並適度的減少了尾氣排放,但還是與往復式發動機有著很大的差距。

磨損嚴重,零部件壽命短。

由於三角轉子引擎的相鄰容腔間只有一個徑向密封片,徑向密封片與缸體始終是線接觸,並且徑向密封片上與缸體接觸的位置始終在變化,因此三個燃燒室非完全隔離(密封),徑向密封片磨損快。引擎使用一段時間之後容易因為油封材料磨損而造成漏氣問題,大幅增加油耗與汙染。其獨特的機械結構也造成這類引擎較難維修

轉子發動機與傳統往復式發動機的比較

往復式發動機和轉子發動機都依靠空燃混合氣燃燒產生的膨脹壓力以獲得轉動力。兩種發動機的機構差異在於使用膨脹壓力的方式。在往復式發動機中,產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。

對於轉子發動機,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(見圖中力PG)。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(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,這明顯區別於往復式發動機。往復式發動機的四個過程都是在一個汽缸內進行的。

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

轉子發動機與活塞式發動機的區別與傳統的活塞式發動機相比,轉子發動機有以下幾個突出優點。

運動零件更少

與四衝程活塞式發動機相比,轉子發動機的運動零件要少得多。 雙轉子發動機主要有三個運動零件: 兩個轉子和一個輸出軸。 即使最簡單的四缸活塞式發動機也至少有40個運動零件,包括活塞、連桿、凸輪軸、氣門、氣門彈簧、搖臂、正時皮帶、正時齒輪和曲軸等。

運動零件的減少意味著轉子發動機的可靠性更高。 這就是為什麼某些飛機制造商(包括空中客車在內)傾向於使用轉子發動機而非活塞式發動機的原因。

更順暢

轉子發動機中所有零件均沿一個方向持續旋轉,不需要像傳統發動機中的活塞那樣劇烈地變換方向。通過利用定向旋轉配重物來消除震動,轉子發動機實現了內部平衡。

轉子發動機中的動力輸出也非常順暢。 因為每次燃燒可使轉子旋轉90度,並且轉子每旋轉一週,輸出軸將旋轉三週,所以每次燃燒可使輸出軸旋轉270度。這意味著單轉子發動機的一次燃燒可為每個輸出軸四分之三的旋轉提供動力。而單缸活塞式發動機完成一次燃燒需要曲軸(活塞式發動機的輸出軸)旋轉兩週,且燃燒使曲軸旋轉180度;也就是說,曲軸每次旋轉只有四分之一能獲得動力。

更緩慢

由於轉子的旋轉速度是輸出軸的三分之一,因而發動機的主要運動零件的運動速度比活塞式發動機要慢得多。 這也有利於提高可靠性。


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