汪克尔发动机：转子设计与机油泵型圆盘

2023-06-28 理论教育版权反馈

【摘要】：转子发动机是由德国的菲力斯·汪克尔与NSU公司共同开发，也称为汪克尔发动机。转子内的机油量始终保持一定的量，否则会发生振动，因此内置有为排出过剩机油的泵型圆盘。配备两个转子的转子发动机主轴每旋转1周进行两次做功，与4气缸四冲程循环往复式发动机相同。目前，汪克尔发动机研发了2个转子配置6个进气端口的6端口进气系统。

转子发动机是由德国的菲力斯·汪克尔与NSU公司共同开发，也称为汪克尔发动机。其后，日本的东洋工业（现马自达）引入了转子发动机，它克服了侧密封和径向密封问题，并于1967年开始量产，到目前还将汽车用发动机出口到世界各国。

汪克尔发动机虽然采用旋转方式，但燃烧原理与往复式发动机相同，在一定的容积内进入燃料空气混合气并进行压缩，通过电火花点火燃烧，并膨胀做功后排放燃烧气体的4个过程构成1个循环，以此分类为往复型发动机。但是，因为汪克尔发动机没有活塞往复运动产生的惯性力，所以运行安静平稳。

1.结构

汪克尔发动机的结构如图1-9所示，由转子壳、转子、偏心轴、转子侧盖组成。

①转子壳：又称为中央壳，相当于往复式发动机的气缸盖，配置有水套（冷却通道）。在长圆形的一侧外周面设置有进气口和排气口，另一侧安装有火花塞。内部由基圆和转动圆的直径比为2：1的双节外摆线曲面构成，在壳内插入转子会形成3个工作室。3个工作室的容积大小随转子的旋转连续变化，对工作室内的混合气进行压缩、点火燃烧、膨胀做功过程。

②转子：相当于活塞式发动机中的活塞，其形状为三角形，进行行星运动。在转子的3个角部安装有与活塞环的作用相同的防止压缩气体泄漏和燃烧气体窜气的径向密封，始终紧贴在转子壳体内表面上，以此保持密封。转子的转子轴承与偏心轴的转子轴颈结合，在偏心轴的旋转中心之间以偏心量进行偏心旋转运动。

③偏心轴：相当于活塞式发动机中的曲轴，是传递输出功率的旋转轴，偏心轴的轴颈插入转子内面，以此支撑转子。转子内侧的内啮合齿轮与固定在侧面盖上的外啮合齿轮（固定正时齿轮）以齿轮比3：2互相啮合，转子在主轴周围公转并自转。转子的内部设置有机油通道，并用机油进行冷却。转子内的机油量始终保持一定的量，否则会发生振动，因此内置有为排出过剩机油的泵型圆盘。

④转子侧盖：相当于气缸体，起着密封转子壳侧面的作用。另外，安装有固定外啮合齿轮，与转子的内啮合齿轮相互啮合引导转子的旋转运动。在固定齿轮的内侧安装有主轴轴承，以此支撑偏心轴。

图1-9 汪克尔发动机的结构

2.工作原理

汪克尔发动机的工作原理如图1-10所示。在对各个工作过程进行说明前，首先对转子的AB面与壳体内面所包围的工作室容积V_AB的工作过程进行分析。

①进气行程：转子旋转时，进气口开启，按照图1-10a→b→c→d的顺序，V_AB逐渐增加，这就是混合气的吸入过程。当到达图1-10d所示的位置时，其容积达到最大，相当于往复式发动机的活塞到达下止点时的状态。进气行程中，转子从图1-10a的状态到图1-10d的状态转动了90°。当主轴旋转90°时，下一步图1-10d中V_AB工作过程与图1-10a中V_CA工作过程相同，因此下一步以图1-10a中V_CA的工作行程进行说明。

②压缩行程：V_CA在图中以1-10a→1-10b的顺序容积减小，并到图1-10c位置达到最小容积，至此压缩行程结束。此状态相当于往复式发动机的压缩上止点状态。

③爆发、做功行程：V_CA达到最小容积状态时，通过火花塞的火花点火进行静态燃烧。图1-10d开始做功冲程，⑧领域的燃烧气体压力在转子的CA面上均匀分布，此时因主轴为偏心轴，向转子旋转的方向产生分力，因此会产生主轴圆周方向的旋转功。随着旋转的持续，V_CA如图1-10a、b的⑨、⑩领域增加，这相当于图1-10a中V_BC工作过程，因此下一步以图1-10a中V_BC的工作过程进行说明。

④排气过程：图1-10a中V_BC在转子的B角部，如图1-10b通过排气口时，开始燃烧气体的排放行程，以图1-10c→1-10d表示排气过程，再回到图1-10a完成1个工作循环。

综上所述，转子旋转1周时，1个工作循环结束，此时主轴（输出轴）以相同方向旋转3周，在此期间其他两个工作室也同时进行另外的循环，因此转子旋转1周时，会有3次做功行程。因此，汪克尔发动机的主轴（输出轴）每旋转1周，进行1次做功（爆发），因此主轴旋转与功之间的关系与二冲程循环发动机相同。配备两个转子的转子发动机主轴每旋转1周进行两次做功，与4气缸四冲程循环往复式发动机相同。

图1-10 汪克尔发动机的工作原理

3.特征

汪克尔发动机的润滑除了主轴外还需要对壳体内面摩擦面进行润滑。润滑方式采用机油喷雾方式，但不是采用与燃料混合的供油方式，而是采用分离供油方式。另外，通过机油进行转子内部的冷却，因此还需要机油冷却器。

燃烧室是平坦结构，（表面积/容积）比与往复式发动机相比大，另外具有燃烧室与转子的旋转方向同时移动的特征。因此，混合气也以相同方向移动，使前半部分（引领部分）的火焰传播速度快，后半部分的火焰传播速度低，导致后半部分会发生不完全燃烧，因此会增加未燃烧碳氢化合物（HC）的排放量。但是，因燃烧速度相对低，氮氧化物（NO_x）的生成量较少。为了解决燃烧延迟，在实用的汪克尔发动机上设置有两个火花塞。另外，进气口在传统两个端口（主端口和副端口）的基础上，在副端口侧增设根据负荷开闭的辅助端口，因此在1个转子上配置有3个进气端口。目前，汪克尔发动机研发了2个转子配置6个进气端口的6端口进气系统。

辅助端口的作用是仅在高速区域供给更多的混合气，在低速区域把主端口的开闭时期向延迟方向设置，以消除重叠量，从而改善燃烧和提高输出功率。这样的方法与传统发动机相比，能在稀薄混合气状态运行，大大改善燃料消耗率。

汪克尔发动机单位容积或单位重量的输出功率大，因而不需要动态气门机构和曲柄机构，因此部件数量相当少，并且因没有活塞-曲柄机构，具有容易掌握平衡、振动小、燃烧温度低、氮氧化物（NO_x）的排放量低等很多优点，但存在燃料消耗率过大的缺点。

汪克尔发动机：转子设计与机油泵型圆盘

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