【瘋狂機械控第459期】生活中我們經(jīng)常接觸兩種發(fā)動(dòng)機，渦輪增壓發(fā)動(dòng)機和自然吸氣發(fā)動(dòng)機。但還有一種知名度很高，應用卻很少的三角活塞旋轉式發(fā)動(dòng)機，它就是轉子發(fā)動(dòng)機。
▲轉子發(fā)動(dòng)機
01
轉子發(fā)動(dòng)機是由德國人菲加士·汪克爾發(fā)明的，他總結歸納了前人的研究成果，解決了一些關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，成功研制了第一臺轉子發(fā)動(dòng)機。轉子發(fā)動(dòng)機采用三角轉子旋轉運動(dòng)控制壓縮和排放，與往復式活塞發(fā)動(dòng)機的直線(xiàn)運動(dòng)完全不同。
▲轉子發(fā)動(dòng)機發(fā)明人菲加士·汪克爾
上世紀五十年代初期，德國工程師菲加士·汪克爾投身NSU車(chē)廠(chǎng)領(lǐng)導新型發(fā)動(dòng)機的開(kāi)發(fā)工作，早期開(kāi)發(fā)成果是轉子閥門(mén)與轉子發(fā)動(dòng)機的機械增壓器，被NSU車(chē)廠(chǎng)搭載在一輛50cc摩托車(chē)上，可產(chǎn)生45PSI的氣壓使得馬力達到13.5bhp，當時(shí)該輛摩托車(chē)跑出同級車(chē)極速120mph的世界紀錄。
▲轉子發(fā)動(dòng)機
1957年2月汪克爾成功做出第一個(gè)轉子發(fā)動(dòng)機的原型機DKM54，該發(fā)動(dòng)機動(dòng)力輸出達21bhp，排氣量125cc。與傳統往復式活塞發(fā)動(dòng)機不同的是，轉子發(fā)動(dòng)機沒(méi)有活塞，其運轉件稱(chēng)為轉子，斷面造型是被稱(chēng)為勒洛三角形的定寬形狀。
▲DKM 54型轉子發(fā)動(dòng)機
1960年1月汪克爾在德國工程師學(xué)會(huì )上首次公開(kāi)討論無(wú)活塞回轉式發(fā)動(dòng)機（也叫汪克爾發(fā)動(dòng)機），同年NSU車(chē)廠(chǎng)將KKM250型轉子發(fā)動(dòng)機試裝在Prinz車(chē)型上，最大馬力為30hp / 5,000rpm。后來(lái)NSU車(chē)廠(chǎng)計劃將KKM500型轉子發(fā)動(dòng)機搭載在NSU Spider車(chē)型上。
德國戴姆勒奔馳汽車(chē)公司向NSU車(chē)廠(chǎng)購買(mǎi)專(zhuān)利權，開(kāi)發(fā)出燃油直噴三轉子M950F型發(fā)動(dòng)機，1969年搭載在C111概念車(chē)上；1970年制造出四轉子的發(fā)動(dòng)機，最大馬力370hp，極速可達290km/h。
▲奔馳C111概念車(chē)
日本東洋工業(yè)（馬自達前身）自1961年取得制造轉子發(fā)動(dòng)機許可后，比任何車(chē)企投入更大的精力進(jìn)行轉子發(fā)動(dòng)機研究改良，終于在1967年推出Cosmo Sports。
▲馬自達 Cosmo Sports
1991年搭載馬自達轉子發(fā)動(dòng)機的787B賽車(chē)，以領(lǐng)先第二名兩圈的巨大優(yōu)勢獲得了勒芒冠軍，但是在第二年，這輛賽車(chē)因為轉子發(fā)動(dòng)機卻被禁賽了，那一年賽會(huì )對車(chē)輛的油耗做了要求，因此失去了比賽資格。
▲馬自達787B賽車(chē)
搭載轉子發(fā)動(dòng)機奪得勒芒冠軍讓馬自達成為日本的驕傲，但它為了研究轉子發(fā)動(dòng)機，幾乎兩次瀕臨破產(chǎn)，都是靠著(zhù)福特的接濟才度過(guò)難關(guān)。都到了這地步了，馬自達只要有些閑錢(qián)，還是立馬開(kāi)始研究轉子發(fā)動(dòng)機。
▲馬自達787B賽車(chē)
最近，網(wǎng)上流傳的馬自達官方新聞稿件明確說(shuō)，馬自達沒(méi)有終止研發(fā)轉子發(fā)動(dòng)機，而且還將其運用到新一代的創(chuàng )馳藍天技術(shù)中，以解決油耗問(wèn)題。
02
轉子發(fā)動(dòng)機基本結構是在一個(gè)橢圓形的空間中，置入一個(gè)勒洛三角形的轉子，轉子的三個(gè)面將橢圓形空間劃分為三個(gè)獨立的燃燒室。
由于轉子采用偏心運轉，這些被分隔的獨立燃燒室在運轉過(guò)程中，容積會(huì )不斷地改變，轉子發(fā)動(dòng)機就是利用密閉空間變化的特點(diǎn)，實(shí)現四行程運轉所需要的進(jìn)氣、壓縮、點(diǎn)火與排氣過(guò)程。
▲轉子發(fā)動(dòng)機工作原理
傳統四沖程往復式活塞發(fā)動(dòng)機轉兩圈，各氣缸才完成一次進(jìn)氣、壓縮、點(diǎn)火與排氣的過(guò)程。而在轉子發(fā)動(dòng)機中，轉子三個(gè)面同步進(jìn)行不同的四沖程周期，第一個(gè)面回到原點(diǎn)（也就是轉子轉一圈）就完成了三次四沖程周期。
轉子發(fā)動(dòng)機基本結構如下圖所示：①進(jìn)氣口（導入混合油氣）、②排氣口（排出廢氣）、③轉子外殼、④燃燒室、⑤中心齒輪（與轉子內圈齒輪嚙合）、⑥轉子（相當于往復式活塞發(fā)動(dòng)機的活塞和連桿）、⑦轉子內圈齒輪（與中心齒輪嚙合）、⑧偏心軸（相當于往復式活塞發(fā)動(dòng)機的曲軸）、⑨火花塞。
▲轉子發(fā)動(dòng)機基本結構
轉子外殼通常是由鋁合金制造，它相當于傳統發(fā)動(dòng)機的缸體，內部呈“8”字形，內表面有特殊的電鍍涂層以增強其耐磨性，通常在外殼的一側設計有進(jìn)氣口和排氣口，在另一側裝有火花塞。
轉子被設計成弧形邊緣的三角形，它相當于傳統發(fā)動(dòng)機中的活塞，在外殼內做偏心旋轉運動(dòng)。轉子的內表面上有內圈齒輪，而在轉子的三個(gè)面上則設計有凹槽，它的大小也直接影響轉子發(fā)動(dòng)機的壓縮比。
偏心軸類(lèi)似于傳統發(fā)動(dòng)機中的曲軸，它將動(dòng)力直接輸出給傳動(dòng)系統，轉子在8字氣缸內轉動(dòng)，產(chǎn)生偏心旋轉運動(dòng)，推動(dòng)偏心軸旋轉。在轉子的三個(gè)頂點(diǎn)上布置有氣封，它將氣缸分成三個(gè)獨立的腔室，氣封底部彈簧可以使其始終與轉子外殼的內壁緊密接觸。
發(fā)動(dòng)機的轉子采用勒洛三角形的形狀，是除了圓形以外的最簡(jiǎn)單多邊形，也是一個(gè)定寬曲線(xiàn)。當旋轉一定角度后，它的寬度是不會(huì )發(fā)生變化。應用到轉子發(fā)動(dòng)機上，能保證轉子始終緊貼方形內壁運動(dòng)，不會(huì )出現漏氣的問(wèn)題。
雖然重心不穩的問(wèn)題制約了勒洛三角形的普及，但波動(dòng)的重心好像搖動(dòng)的手柄一樣，可以將轉子在平面旋轉運動(dòng)的能量直接傳遞到輸出軸上。
轉子發(fā)動(dòng)機優(yōu)點(diǎn)包括動(dòng)力強大、體積較小、重量輕、震動(dòng)小等。缺點(diǎn)由于燃燒不充分，導致耗油量很大；轉子尖角長(cháng)時(shí)間與內壁接觸，磨損現象比較嚴重，密封性受到了極大的考驗。
▲轉子發(fā)動(dòng)機
轉子發(fā)動(dòng)機的高油耗馬自達也在潛心研究，試圖找到解決問(wèn)題的方案，最后期待越來(lái)越多的黑科技可以改變我們的生活。
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