發(fā)動機是汽車最為關(guān)鍵的部分,是決定車子性能的最重要的因素,猶如人的心臟。大部分人都知道我們?nèi)粘S玫氖腔钊鶑?fù)式發(fā)動機,又分為兩沖程發(fā)動機和四沖程發(fā)動機(以下以四沖程發(fā)動機為例),但是還有一種不為大部分人所熟知的發(fā)動機,那就是轉(zhuǎn)子發(fā)動機,又叫汪克爾發(fā)動機。
轉(zhuǎn)子發(fā)動機又稱為米勒循環(huán)發(fā)動機。它采用三角轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)運動來控制壓縮和排放,與傳統(tǒng)的活塞往復(fù)式發(fā)動機的直線運動迥然不同。
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(jìn)行轉(zhuǎn)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(shù)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(zhuǎn)子發(fā)動機的小跑車。當(dāng)時業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為這種發(fā)動機的結(jié)構(gòu)緊湊輕巧,運轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)子發(fā)動機裝在馬自達(dá)轎車上開始成批生產(chǎn)。
一向?qū)π录夹g(shù)情有獨鐘的馬自達(dá)公司投巨資從汪克爾公司買下了這項技術(shù)。由于這是一項高新技術(shù),懂得這項技術(shù)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(yīng)付各方面的困難而無暇顧及發(fā)展轉(zhuǎn)子發(fā)動機,唯有馬自達(dá)公司仍然深信轉(zhuǎn)子發(fā)動機的潛力,獨自研究和生產(chǎn)轉(zhuǎn)子發(fā)動機,并為此付出了相當(dāng)大的代價。他們逐步克服了轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(dāng)年馬自達(dá)堅持下來的轉(zhuǎn)子發(fā)動機從結(jié)構(gòu)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(dá)公司改制了RX-7型跑車的轉(zhuǎn)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(dá)HR一X汽車上,1立方米的燃料箱吸儲了相當(dāng)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(guān)注。由于從生產(chǎn)裝配到維護(hù)修理,轉(zhuǎn)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(fù)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(zhuǎn)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(dá)一家苦苦支撐。
一般發(fā)動機是往復(fù)運動式發(fā)動機,工作時活塞在氣缸里做往復(fù)直線運動,為了把活塞的直線運動轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)運動,必須使用曲柄連桿機構(gòu)。轉(zhuǎn)子發(fā)動機則不同,它直接將可燃?xì)獾娜紵蛎浟D(zhuǎn)化為驅(qū)動扭矩。與往復(fù)式發(fā)動機相比,轉(zhuǎn)子發(fā)動機取消了無用的直線運動,因而同樣功率的轉(zhuǎn)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。
我們?nèi)粘=?jīng)??吹降臑榛钊鶑?fù)運動形式的發(fā)動機,即活塞在汽缸內(nèi)作往復(fù)的直線運動,通過曲軸把活塞的直線運動轉(zhuǎn)化為曲軸的旋轉(zhuǎn),而轉(zhuǎn)子發(fā)動機沒有這個轉(zhuǎn)化過程,它是通過活塞在汽缸內(nèi)的旋轉(zhuǎn)來帶動發(fā)動機主軸(即普通發(fā)動機的曲軸,因為不是彎曲的故不再叫曲軸)旋轉(zhuǎn)的,故兩者有著很大的區(qū)別。
發(fā)動機通過燃燒油氣混合氣來推動活塞作往復(fù)運動帶動曲軸旋轉(zhuǎn),活塞頂面距曲軸中心線最遠(yuǎn)的位置稱為上止點(TDC---Top Dead Center),活塞頂面距曲軸中心線最近的位置稱為下止點(BDC---Bottom Dead Center).以四沖程汽油發(fā)動機為例,如下圖
a進(jìn)氣沖程:活塞從上止點運動到下止點的過程叫進(jìn)氣沖程(曲軸旋轉(zhuǎn)角度0~180°),該沖程進(jìn)氣門打開,排氣門關(guān)閉,氣室與大氣相通,通過大氣壓力使油氣混合氣進(jìn)入,進(jìn)氣終了汽缸內(nèi)壓力約為0.075~0.09MPa。
b壓縮沖程:活塞從下止點運動到上止點的過程叫壓縮沖程(曲軸旋轉(zhuǎn)角度180°~360°),該沖程進(jìn)排氣門全關(guān)閉,氣室內(nèi)的油氣混合氣壓力逐漸升高,壓縮沖程終了氣室內(nèi)壓力約為0.6~1.2MPa。
c作功沖程:活塞從上止點運動到下止點的過程叫作功沖程(曲軸旋轉(zhuǎn)角度360°~540°),該沖程進(jìn)排氣門全關(guān)閉,活塞在上止點位置時火花塞跳火點燃油氣混合氣使氣缸內(nèi)的壓力急劇升高(可達(dá)到3~5MPa),推動活塞作向曲軸的運動,壓力逐漸下降,作功沖程終了氣室內(nèi)壓力約為0.3~0.5MPa。
d排氣沖程:活塞從下止點運動到上止點的過程叫排氣沖程(曲軸旋轉(zhuǎn)角度540°~720°),該沖程進(jìn)氣門關(guān)閉,排氣門打開,活塞向上運動推動燃燒后的廢氣排出氣室,該沖程終了氣室內(nèi)的氣壓約為0.105~0.115MPa。該沖程的結(jié)束也標(biāo)志這發(fā)動機一個工作循環(huán)的結(jié)束。
『轉(zhuǎn)子發(fā)動機』
下圖為轉(zhuǎn)子發(fā)動機與往復(fù)式發(fā)動機各沖程的比較(圖中兩個氣孔左側(cè)為進(jìn)氣,右側(cè)為排氣),該轉(zhuǎn)子發(fā)動機與往復(fù)式四沖程發(fā)動機工循環(huán)相同,即由進(jìn)氣、壓縮、作功、排氣四個沖程構(gòu)成,圖中由三角轉(zhuǎn)子的一個弧面BC與氣缸型面之間形成的工作腔(BC工作腔)為例,說明轉(zhuǎn)子發(fā)動機的四沖程工作原理。
a b c d a
進(jìn)氣沖程:當(dāng)三角轉(zhuǎn)子的角頂C轉(zhuǎn)到進(jìn)氣孔右邊的邊緣時,BC工作腔開始進(jìn)氣,在位置a,進(jìn)排氣孔相通,進(jìn)排氣重疊。這是BC工作腔的容積最小,相當(dāng)于往復(fù)式發(fā)動機的上止點位置。隨著轉(zhuǎn)子繼續(xù)轉(zhuǎn)動,BC工作腔的容積逐漸增大,可燃混合氣不斷被吸入氣缸。當(dāng)轉(zhuǎn)子自轉(zhuǎn)90°(主軸轉(zhuǎn)270°,轉(zhuǎn)子發(fā)動機中轉(zhuǎn)子與主軸轉(zhuǎn)速比為1:3,通過相互嚙合齒輪確定)到達(dá)位置b時,BC工作腔的容積達(dá)到最大,相當(dāng)于往復(fù)式發(fā)動機的下止點位置,進(jìn)氣沖程結(jié)束。
壓縮沖程:隨著三角轉(zhuǎn)子的繼續(xù)轉(zhuǎn)動,角頂B越過進(jìn)氣孔的左側(cè)邊緣,壓縮沖程開始,BC工作腔的容積逐漸縮小,壓力越來越大,到達(dá)位置c時,轉(zhuǎn)子自轉(zhuǎn)180°(主軸旋轉(zhuǎn)540°),BC工作腔容積達(dá)到最小,相當(dāng)于往復(fù)式發(fā)動機的上止點位置,壓縮沖程結(jié)束。
作功沖程:在壓縮沖程終了,火花塞跳火,高溫高壓的氣體推動三角活塞繼續(xù)轉(zhuǎn)動,BC工作腔的容積逐漸增大,當(dāng)角頂C達(dá)到排氣孔右側(cè)邊緣,在位置d,轉(zhuǎn)子自轉(zhuǎn)270°(主軸旋轉(zhuǎn)810°),BC工作腔的容積達(dá)到最大,相當(dāng)于往復(fù)式發(fā)動機的下止點位置,作功沖程結(jié)束。
排氣沖程:三角轉(zhuǎn)子角頂C轉(zhuǎn)過排氣孔右側(cè)位置時,排氣沖程開始,最終三角轉(zhuǎn)子回到位置a,排氣沖程結(jié)束,轉(zhuǎn)子自轉(zhuǎn)360°(主軸轉(zhuǎn)三周),一個工作循環(huán)結(jié)束。同時,CA工作腔、AB工作腔也分別完成一個工作循環(huán)。
● 發(fā)動機構(gòu)成比較:
轉(zhuǎn)子發(fā)動機:機體組、配氣機構(gòu)、供給系統(tǒng)、點火系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、啟動系統(tǒng)
往復(fù)式活塞發(fā)動機: 機體組、曲柄連桿機構(gòu)、配氣機構(gòu)、供給系統(tǒng)、點火系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、啟動系統(tǒng)
● 兩種發(fā)動機的優(yōu)缺點:
◆ 往復(fù)式發(fā)動機:
優(yōu)點:
1. 制造技術(shù)成熟,誕生已經(jīng)有120多年,各種技術(shù)不斷完善,是世界上應(yīng)用最廣的內(nèi)燃機,保養(yǎng)維修成本低。
2. 工作可靠,良好的氣密性和功率傳遞可靠性。
3. 良好的燃油經(jīng)濟性。
缺點:
1. 結(jié)構(gòu)復(fù)雜,體積大、重量大。
2. 曲柄連桿機構(gòu)中活塞的往復(fù)運動引起的往復(fù)慣性力和慣性力矩不能得到完全平衡,這個慣性力大小與轉(zhuǎn)速平方成正比,使發(fā)動機運轉(zhuǎn)平順性下降,限制發(fā)展高轉(zhuǎn)速發(fā)動機。
3. 由于四沖程往復(fù)式活塞發(fā)動機的工作方式為四個沖程中有三個沖程完全依靠飛輪慣性旋轉(zhuǎn),導(dǎo)致發(fā)動機的功率、扭矩輸出非常的不均勻,盡管現(xiàn)代發(fā)動機采用了多缸和V型排列來減小這個缺點,但是不可能完全消除。
◆ 轉(zhuǎn)子發(fā)動機:
優(yōu)點:
1. 體積小、重量輕,便于降低車輛重心。由于轉(zhuǎn)子發(fā)動機沒有曲柄連桿機構(gòu),所以大大減小了發(fā)動機高度,同時降低了車輛重心。
2. 結(jié)構(gòu)簡單。相比較于往復(fù)式活塞發(fā)動機,轉(zhuǎn)子發(fā)動機減少了曲柄連桿機構(gòu),導(dǎo)致了發(fā)動機機構(gòu)大為簡化,零件減少。
3. 均勻的扭矩特性。由于轉(zhuǎn)子發(fā)動機一個氣缸同時有三個工作腔處于工作狀態(tài),所以扭矩輸出比較于往復(fù)式活塞發(fā)動機更加均勻。
4. 利于發(fā)展高速發(fā)動機,由于活塞轉(zhuǎn)子與主軸轉(zhuǎn)速比為1:3,故不需很高的活塞轉(zhuǎn)速即可實現(xiàn)發(fā)動機的高轉(zhuǎn)速。
缺點:
1. 油耗高,尾氣排放難達(dá)標(biāo)。因其每個氣缸有三個工作腔,活塞轉(zhuǎn)子每旋轉(zhuǎn)一周相當(dāng)于有三個作功沖程,以3000rpm和往復(fù)式活塞發(fā)動機作對比,往復(fù)式活塞發(fā)動機噴油750次/分,轉(zhuǎn)子發(fā)動機相當(dāng)于轉(zhuǎn)速為1000rpm,但是需要噴油3000次/分,可見轉(zhuǎn)子發(fā)動機油耗明顯高于往復(fù)式活塞發(fā)動機,同時轉(zhuǎn)子發(fā)動機的燃燒室形狀不利于可燃混合氣的充分燃燒,火焰?zhèn)鞑ヂ窂介L,燃油機油消耗量大,同時導(dǎo)致廢氣中污染物含量較高。
2. 發(fā)動機的結(jié)構(gòu)導(dǎo)致只能采取點燃式而不能采用壓燃式,即只能用汽油作為燃料而不能用柴油。
3. 由于轉(zhuǎn)子發(fā)動機采用偏心軸,導(dǎo)致發(fā)動機振動較大。
4. 功率輸出軸(主軸)位置高,不利于整車布置。
5. 轉(zhuǎn)子發(fā)動機的加工制造技術(shù)高,成本比較高。