新型内燃机的开发

新型内燃机的开发

动力机械是近代人类社会进行生产活动的基本装备之一。发动机为机械提供原动力。

动力机械中的燃气机按其工作方式分为内燃机和外燃机两大类。自19世纪60年代第一台实用的内燃机诞生以来，它已发展了多种形式，在国民经济各部门和国防工业中得到广泛的应用。

本案例就新型内燃机开发中的一些创新思路作简单分析。

一、往复式内燃机的技术矛盾

目前应用最广泛的往复式内燃机由气缸、活塞、连杆、曲轴等主要机件和其它辅助设备组成。

图1-1 活塞式发动机

1-活塞 2-连杆 3-气缸 4-曲柄 5-进气阀 6-排气阀

活塞式发动机的主体是曲柄滑块机构（图1-1），它利用气体燃爆使活塞1在气缸3内往复移动，经连杆2推动曲轴4作旋转运动，输出转矩。进气阀5和排气阀6的开启由专门的凸轮机构控制。

活塞式发动机工作时具有吸引、压缩、作功、排气四个冲程，如图1-2所示。其中只有作功冲程输出转矩，对外做功。

这种往复式活塞发动机存在明显的缺点：

1）工作机构及气阀控制机构组成复杂，零件多。曲轴等零件结构复杂，工艺性差。

2）活塞往复运动造成曲柄连杆机构较大的往复惯性力，此惯性力随转速的平方增大，使轴承上惯性载荷增大，系统由于惯性力不平衡而产生强烈振动。往复运动限制了输出轴转速的提高。

3）曲轴回转两圈才有一次动力输出，效率低。

现存的问题，引起人们改变现状的愿望，社会的需要，促进产品的改造和创新。多年来，在原有发动机的基础上不断开发了一些新型的发动机。

图1-2 活塞式发动机的四个冲程

a）吸气冲程 b）压缩冲程 c）作功冲程 d）排气冲程

二、旋转式内燃机发动机

在改进往复式发动机的过程中，人们发现，如能直接将燃料的动力转化为回转运动将是更合理的途径。类比往复式蒸气机到蒸气机轮机的发展，许多人都在探索旋转式内燃发动机的建造。

1910年以前，人们曾提出过2000多个旋转式发动机的方案，但大多因结构复杂或无法解决气缸密封问题而不能实现。直到1945年德国工程师汪克尔经长期研究，突破了气缸密封这一关键技术，才使旋转式发动机首次运转成功。

1.旋转式发动机的工作原理

汪克尔所设计的旋转式发动机简图如图2-1所示，它由椭圆形的缸体1、三角形转子2（转子的孔上有内齿轮）、外齿轮3、吸气口4、排气口5和火花塞6

等组成。

图2-1旋转式发动机简图

1-缸体 2-三角形转子 3-外齿轮

4-吸气口 5-排气口 6-火花塞

旋转式发动机运转时同样有吸气、压缩、燃爆（作功）和排气四个动作，如图所示。当转子转一周时，以三角形转子上的AB弧进行分析：

（1）吸气转子处于图2-2a位置时，AB弧所对内腔容积由小变大，产生负压效应，由吸气口将燃料与空气的混合气体吸入腔内。

（2）压缩转子处于图2-2b位置时，内腔由大变小，混合气体被压缩。

（3）作功高压状态下，火花塞点火，使混合气体燃爆并迅速膨胀，产生强大的压力驱动转子，并带动曲轴输出运动和转矩，对外作功。

（4）排气转子由图2-2c位置至图2-2d位置，内腔容积由大变小，挤压废气由排气口排出。

由于三角形转子有三个弧面，因此每转一周有三个动力冲程。

图2-2 旋转式发动机运行过程图

a）吸气 b）压缩 c）作功 d）排气

2.旋转发动机的设计特点

（1）功能设计内燃机的功能是将燃气的能量转化为回转的输出动力，通过内部容积变化，完成燃气的吸气、压缩、燃爆、排气四个动作达到目的。旋转式发动机抓住容积变化这个主要特征，以三角形转子在椭圆形气缸中偏心回转的方法达到功能要求。而且三角形转子的每一个表面与缸体的作用相当于往复式的一个活塞和气缸依次平稳边疆地工作。转子各表面还兼有开闭进排气阀门的功能，设计可谓巧妙。

（2）运动设计偏心的三角形转子如何将运动和动力输出？在旋转式发动

机中采用了内啮合行星齿轮机构，如图2-3所示。三角形转子相当于行星内齿轮2，它一面绕自身轴线自转，一面绕中心外齿轮1在缸体3内公转。系杆H 则是发动机的输出曲轴。

2-3 行星齿轮机构

转子内齿轮与中心外齿轮的齿数比是1.5:1，这样转子转一周，使曲轴转3周（z 2/z 1=1.5，则n h /n 2=3），输出转速较高。

根据三角形转子的结构可知，曲轴每转一周即产生一个动力冲程。相对四冲程往复发动机曲轴每转两周才产生一个动力冲程，推知旋转式发动机功率 是四冲程往复发动机的两倍。

（3）结构设计 旋转式发动机结构简单，只有三角形转子和输出轴两个运动构件。它需要一个化油器和若干个火花塞，但无须连杆、活塞以及复杂的阀门控制装置。零件数量比往复式发动机少40%，体积减少50%，重量下降1/2到2/3。

3．旋转式发动机的实用化

旋转式发动机与传统的往复式发动机相比，在输出功率相同具有体积小、重量轻、噪声小、旋转速度范围大以及结构简单等优点，很快得到了实用化生产。

日本东泽公司从联邦德国纳苏公司购得汪克尔旋转式发动机的专利后，进行实用化生产。他们还与多个厂家合作，相继开发了特殊密封件310号、火花塞、化油器、O 型环、消音器等多种零部件，并采用了高级润滑油，使旋转式发动机在全世界首先达到实用化。20世纪80年代该公司生产了120万台旋转式发动机用于汽车，市场效益很好。

随着生产科学技术的发展，必然会出现更多新型的内燃机和动力机械。人们总是在发现了矛盾和解决矛盾的过程中不断取得进步。而在开发设计过程中敢于突破，善于运用类比、组合、代用等创造技法，认真进行科学分析，将使我们得到更多创新产品。