谁发明了转子发动机?

安装在马自达RX-8上的RENESIS转子发动机象征着马自达的技术核心。转子发动机的发展历史和马自达的成长交织在一起,密不可分。今天,马自达是世界上唯一一家生产和销售转子发动机模型的公司。

1961年,被转子发动机的潜在优势深深吸引,马自达工程师决定积极进行转子发动机的持续开发。6年后,经过无数个小时的努力,工程师们自豪地在1967年Cosmo Sports上安装了世界上第一台双转子发动机。当然,改进这种独特发动机的持续努力从未停止。迄今为止,马自达已经生产了近200万辆由转子发动机驱动的汽车。

巴黎勒芒24小时耐力赛是检验车辆性能和耐力极限的汽车比赛。1991年,由转子发动机驱动的马自达787B成为第一辆赢得比赛的日系车。这场史无前例的胜利为马自达在汽车史上写下了辉煌的一页。更重要的是,这一胜利证明了该公司在转子发动机方面的成熟技术。旋转式发动机通常被描述为“时尚”、“创新”和“充满活力”。这三个词也可以用来定义马自达的品牌形象及其独特的技术。

四十年的追求

自马自达开始研发转子发动机以来,该公司成功利用了这种发动机重量轻、结构紧凑、动力性能高的固有优势,逐步克服了其油耗高、尾气排放大的缺点。在为马自达RX-7开发的13BREW涡轮增压转子发动机上,马自达在转子发动机的开发上达到了最大功率的技术高峰。

然而,推动马自达转子发动机发展的激情和梦想是无穷的。工程师们开始使这个动力装置更加紧凑,并提高其进气和燃烧效率。这些努力在MSP-RE上得到了充分的体现,这款发动机被安装在1995年东京车展推出的RX-01概念车上。自然吸气MSP-RE随后作为马自达RX-8的动力系统量产,并更名为RENESIS,代表“RE(转子发动机)的起源”(意为“转子发动机的起源”)。

RENESIS转子发动机是一款自然吸气转子发动机,在8500转/分时可产生184 kW (250 PS)的最大功率(适用于日本的大功率车辆)。紧凑和轻质的车身使马自达RX-8能够采用先进的前中置动力系统配置。与之前的RX-7S相比,发动机位置更低,更靠后。由于其平稳的性能、紧凑的尺寸和独特的驾驶特性,RENESIS在2003年6月,即全新的马自达RX-8上市后不久,被评为年度国际发动机。

作为世界上唯一的转子发动机制造商,作为深受全世界车手好评的跑车制造商,马自达不断努力将公司的梦想变为现实。正是这个梦想和我们对跑车开发的热情,使得马自达的客户对创新的RENESIS发动机抱有很高的期望。

新一代转子发动机

汪克尔型转子发动机的结构和工作原理。

在过去的400年里,许多发明家和工程师一直想开发一种连续运转的内燃机。希望有一天往复活塞式内燃机能被优雅的质数发动机取代,其运行轨迹应该非常接近人类的伟大发明之一:轮子。

事实上,在16世纪末,“连续运转的内燃机”一词首次出现在出版物中。连杆曲柄机构的发明者詹姆斯·瓦特(1736-1819)也研究过旋转式内燃机。特别是在过去的150年里,发明者们对转子发动机的结构提出了许多建议。1846年,人们画出了今天的转子发动机工作室的几何结构,利用外摆线设计出了第一台概念发动机。然而,这些概念直到菲利克斯?6?菲力·汪克尔博士于1957年开发了汪克尔转子发动机。

通过研究和分析各种类型的转子发动机的可行性,汪克尔博士找到了摆线外壳的最佳形状。他对飞机发动机使用的转阀和增压器的气密密封机理有着深刻的理解。在其设计中使用这些机构使得汪克尔转子发动机变得实用。

现代旋转发动机由一个茧形外壳组成,外壳内放置一个三角形转子。转子与壳壁之间的空间作为内部燃烧室,气体膨胀的压力驱动转子旋转。转子发动机和普通内燃机一样,必须先后完成进气、压缩、燃烧、排气四个工作过程。如果把三角形的转子放在圆形壳体的中心,工作室的体积不会随着转子在壳体内部的转动而变化。即使空气和燃料形成的混合气在那里被点燃,燃烧气体的膨胀压力也只作用在转子的中部,不会旋转。这就是为什么壳体的内圆周被设计成次摆线形状,并与安装在偏心轴上的转子组装在一起。因此,每转一周,工作室的容积变化两次,从而实现内燃机的四个工作过程。

在汪克尔型转子发动机上,转子的顶点在发动机壳体的内圆周上与椭圆形壳体一起运动,同时在围绕发动机壳体中心的偏心轨道上保持与输出轴齿轮的接触。三角形转子的轨道由相位齿轮机构确定。相位齿轮包括安装在转子内部的内齿圈和安装在偏心轴上的外齿轮。如果转子齿轮的内侧有30个齿,则轴齿轮的外圆周上有20个齿,因此齿数比为3:2。由于这个传动比,转子和轴之间的转速比被限制在1:3。与偏心轴相比,转子的转动周期更长。转子旋转一周,偏心轴旋转三周。当发动机转速为3000 rpm时,转子转速仅为1000 rpm。

与传统的往复式发动机相比

往复式发动机和旋转式发动机都是依靠空气燃料混合物燃烧产生的膨胀压力来获得旋转力。两种发动机的机理区别在于利用膨胀压力的方式。在往复式发动机中,活塞顶面产生的膨胀压力向下推动活塞,机械力传递给连杆,带动曲轴旋转。

对于转子发动机,膨胀压力作用在转子一侧。以便将三角形转子的三个面中的一个推向偏心轴的中心。(见图中PG)。这种运动是由两种不同的力引起的。一个是指向输出轴中心的向心力(见图中Pb),一个是使输出轴旋转的切向力(ft)。

壳的内部空间(或纺线室)总是分为三个工作间。在转子运动过程中,这三个工作腔的容积不断变化,在摆缸中先后完成进气、压缩、燃烧、排气四个过程。每一个过程都是在摆缸的不同位置进行的,与往复式发动机明显不同。往复式发动机的四个过程都是在一个气缸内进行的。

新一代转子发动机

转子发动机的排量通常用单位工作室容积和转子数量来表示。比如型号为13B的双转子发动机,排量为“654cc × 2”。

单位工作室容积是指工作室的最大容积和最小容积之差;压缩比是最大体积与最小体积的比值。同样的定义也适用于往复式发动机。

如前页图所示,转子发动机工作容积的变化及其与四冲程往复式发动机的比较。虽然在这两种发动机中,工作腔容积呈波浪形平稳变化,但两者有明显的区别。首先是每个过程的旋转角度:往复式发动机旋转180度,而旋转式发动机旋转270度,是往复式发动机的1.5倍。换句话说,在往复式发动机中,曲轴(输出轴)在四个工作过程中旋转两次(720度);然而,在旋转式发动机中,偏心轴转动三圈(1080度),转子转动一圈。这样,转子发动机可以获得较长的处理时间,形成较小的扭矩波动,从而使运转平稳顺畅。

此外,即使在高速运转时,转子的转速也相当缓慢,使进排气时间更加宽松,这为能够获得更高动力性能的系统的运转提供了便利。

汪克尔转子发动机的特点

●体积小,重量轻

转子发动机有几个优点,其中最重要的是减少体积和重量。在运行安静性和稳定性方面,双转子RE相当于一台直列六缸往复式发动机。在保证相同输出功率水平的前提下,转子发动机的设计重量是往复式发动机的三分之二,对汽车工程师极具吸引力。特别是近年来,对耐撞性(碰撞安全性)、空气动力学、重量分布和空间利用的要求越来越严格。

●精简结构

由于转子发动机直接将空燃混合气燃烧产生的膨胀压力转化为三角转子和偏心轴的旋转力,所以不需要设置连杆,进气口和出气口是靠转子本身的运动来开闭的;不需要配气机构,包括正时皮带、凸轮轴、摇臂、气门和气门弹簧,这是往复式发动机中必不可少的部件。综上所述,转子发动机组成所需的部件大大减少。

●一致的扭矩特性

根据研究结果,转子发动机在整个转速范围内具有相当均匀的扭矩曲线。即使是两个转子的设计,运行中的扭矩波动也和直列六缸往复式发动机一样,三个转子的布置也比V型八缸往复式发动机小。

●运行更安静,噪音更小。

对于往复式发动机,活塞运动本身就是振动源,气门机构也会产生恼人的机械噪音。转子发动机平稳旋转产生的震动相当小,没有气门机构,所以运行起来更加平稳安静。

●可靠性和耐用性

如前所述,转子的速度是发动机速度的三分之一。因此,当旋转发动机以9000 rpm运行时,转子的转速大约是该转速的三分之一。另外,由于转子发动机没有那些高速运动的部件,比如摇臂和连杆,所以在高负荷运动中更加可靠耐用。勒芒汽车赛1991的大胜充分证明了这一点。