转子发动机的结构原理

摘要

目前在商品汽车上普遍使用往复式活塞发动机。还有一种知名度很高，但应用很少的发动机，这就是三角活塞旋转式发动机。转子发动机又称为米勒循环发动机。它采用三角转子旋转运动来控制压缩和排放，与传统的活塞往复式发动机的直线运动迥然不同。这种发动机由德国人菲加士·汪克尔发明，在总结前人的研究成果的基础上，解决了一些关键技术问题，研制成功第一台转子发动机。

本文将简要介绍转子发动机的发展历史、结构、工作原理、以及其特点和发展方向。

目录

第一章转子发动机的发展历程

第一节转子发动机的发明

第二节转子发动机的应用

第二章转子发动机的主要结构

第一节转子发动机总成

第二节转子发动机的主要零件

第三章转子发动机的工作原理

第一节转子发动机的工作过程

第二节转子发动机与传统发动机的比较

第四章转子发动机的特点及发展方向第五章结论

第一章转子发动机的发展历程

发动机是汽车最为关键的部分，是决定车子性能的最重要的因素，犹如人的心脏。大部分人都知道我们日常用的是活塞往复式发动机，又分为两冲程发动机和四冲程发动机，但是还有一种不为大部分人所熟知应用很少的发动机，那就是转子发动机，又叫汪克尔发动机。这种发动机的结构紧凑轻巧，运转宁静畅顺，也许会取替传统的活塞式发动机。

第一节转子发动机的发明

1959年，世界上第一台转子发动机才由德国工程师菲利克斯·汪克尔发明出来，第一台转子发动机名为KKM400型转子发动机。

汪克尔于1902年出生在德国，1921年到1926年受雇于海德堡一家科技出版社的销售部。在1924年，汪克尔在海德堡建立了自己的公司，他花了大量的时间在那里进行转子发动机的研制，在1927年，诸如气密性和润滑等的一系列技术问题的攻克终于有了眉目。60年初在德国生产出第一辆装配了转子发动机的小跑车。

实际上在过去的400年中，许多发明家和工程师一直都想开发一种连续运转的内燃机。人们希望有朝一日往复活塞式内燃机将被优雅的原动力引擎所取代，它的运动轨迹应该非常接近人类伟大的发明之一：轮子。

在十六世纪末期，在出版物中首次出现"连续运转内燃机"的说法。连杆和曲柄机构的发明人詹姆斯.沃特(James Watt, 1736-1819)，也曾研究转子式内燃机。特别是在过去的150年里，发明者提出了许多关于转子发动机结构的提案。直到1959年汪克尔博士通过研究和分析各种转子发动机类型的可行性，找到了旋轮线壳体的最佳形状。他对飞机发动机上所用的回转阀以及增压器的气密性密封机构具有深刻的了解，这些机构在其设计中的使用，使汪克尔型转子发动机得以实用化。

第二节转子发动机的应用

当实用的转子发动机被发明出来，世界上包括32家汽车公司在内的100多家企业与汪克尔签定了技术转让协议。1961年，一向对新技术情有独钟的马自达公司投巨资从汪克尔公司买下了这项技术。由于这是一项高新技术，懂得这项技术的人寥寥无几，发动机坏了无人会修，而且耗油大，汽车界有人对这种发动机的市场前景产生了怀疑。70年代石油危机爆发，各国忙于应付各方面的困难而无暇顾及发展转子发动机，唯有马自达公司仍然深信转子发动机的潜力，独自研究和生产转子发动机，并为此付出了相当大的代价。他们逐步克服了转子发动机的缺陷，成功地由试验性生产过渡到商业性生产，并将安装了转子发动机的RX－7型跑车打入了美国市场，令人刮目相看。

马自达与汪克尔签署了技术合作协议之后，于1963年成立了专门的转子发动机研究部，同年生产出了单转子发动机试验第一号。经过6年的研究，1967年，马自达率先出售搭载双转子发动机的轿车Cosmo Sport（110S），之后，马自达的转子发动机被运用到越来越多的车型上。1978年，马自达汽车公司推出了第一款装备了转子发动机的跑车RX-7（如图1-1），迅速在汽车大国

图1-1

美国市场引起轰动。随后又于1985年和1991年，先后推出了第二代和第三代RX-7跑车，转子发动机技术不断完善。1991年，在法国勒芒24小时耐力赛上，马自达787B转子发动机赛车为日

本车首次夺得了第一名。2003年4月，马自达开发出了最新一代的名为RENESIS的转子发动机，并运用在RX-8跑车上。

近40年来，马自达总共产销了191万多辆搭载转子发动机的跑车和轿车。市场业绩已经证明，转子发动机是一种具有独特优势、可靠耐久的动力装置，各方面的性能指标和实际表现都相当或者超过传统的往复式发动机。转子发动机的好处就是结构更加紧凑，因为它不需要传统往复式发动机的曲轴和气门，惟一的运动部件就是转子活塞。紧凑的结构让它在质量和尺寸上都能受益。单转子以上的转子发动机在工作的时候会非常平滑和稳定。双转子发动机若布置成180°夹角，可获得几乎完美的质量平衡，比传统6缸发动机更加平滑，几乎感觉不到振动。

在马自达的跑车家族中，1978年投放市场的RX-7和1989年问世的MX-5，是两款最为辉煌的跑车。据介绍，截止2007年年底，RX-7已累计销售了81万多辆，MX-5的累计销售量近72万辆。已经开始在中国市场上销售的纯进口RX-8，装载的是新一代名为RENESIS的转子发动机。比起前辈来，RENESIS更强劲、更干净、更节能。RX-8于2003年开始发售，到去年年底已累计售出11万多辆。目前，除日本之外，美国、英国和德国是RX-8较大的海外市场。作为当今汽车业发展最快的中国汽车市场，也于今年引进了RX-8欧洲版的改进款车型，为适应中国的油况和路况做了个别小调整。它装配的是双转子的发动机，每组转子的排量0.645 L，加起来是1.3 L，但它发出的功率却相当于2.5 L的传统发动机发出的功率

第二章转子发动机的主要结构

比起活塞式发动机宏大的曲柄连杆机构，庞杂的配气机构，转子发动机的结构可以说简略了很多背，活动部件也只有转子和输出轴，没有气门，没有凸轮轴，没有正时链条。

第一节转子发动机总成

如图2-1现代的转子发动机由茧形壳体（一个三角形转子被安置在其中）组成。转子和壳体壁之间的空间作为内部燃烧室，通过气体膨胀的压力驱动转子旋转。和普通内燃机一样，转子发动机必须在其工作室中相继完成进气、压缩、燃烧和排气四个工作过程。壳体的内侧圆周被设计成旋轮线外形并和安装在偏心轴上的转子组装在一起。因此，每转一圈工作室的体积变化两次，从而实现内燃机的四个工作过程。

图2-1

如图2-2双转子发动机主要包含五层，它们由一圈长栓压在一起。并且包含两个转自和一根输出轴。冷却液从围绕该分层部件的管道中流过。

两端的分层部件包含密封件和输出轴轴承。它们还将包含转子的两个壳体部分密封在内。这些分层部件的内表面非常光滑，从而使转子上的密封件能很好地发挥作用。进气口分别位于两端分层部件上。转子发动机是分层装配的。

图2-2

第二节转子发动机的主要零件

转子发动机具有与活塞式发动机类似的点火系统和燃油供给系统。如果您从未见过转子发动机的内部结构，那么您将会感到很惊讶，因为很多零件您都不认识

1、转自的构造：

转子有三个弧形表面，每个表面就像是一个活塞。每个表面上都有一个空腔，用来增大排量，更大程度的混合汽油和空气。在每两个表面的连接处都有一金属长条片来保证燃烧室间的密封，同样，在转子的每边都有金属环来保证侧面的密封。在转子的中间有一副齿牙，齿牙和固定在缸体中间的齿轮紧密啮合。这个齿轮决定了转子的运动轨迹和方向。（如图2-3）

图2-3

2、缸体的构造

进气和排气口是直接铸于缸体上，上面没有阀门，直接和外面相连。缸体内部有供冷却液循环的管路。火花塞也安装在其上（见图2-4）

图2-4

最外的两端包含着密封

圈和输出轴轴承，和装着转子

的缸体间也是保持密封的。这

些部件的内表非常光滑，以保

证密封工作良好。每块上有一

个进气口。如图2-5双转子汪

克尔发动机的一个端部分层

部件。

图2-5

椭圆形的转子壳体。这

是包含转子的壳体部分。

表面非常光滑。包含转

子的转子壳体部分注意

排气口的位置。（如图

2-6）

图2-6

如图2-7中间一层部

用于两个转子。它还用

于将两个转子分开，因此

其外表面非常光滑。中间

层部件包含每个转子的

另一个进气口。

图2-7

3输出轴的构造：

输出轴有一些离心式圆形凸轴，也就是说，它们偏离了轴的

中心线。（见图2-8）一个转子与一个凸轴相合。这些凸轴的

作用类似于活塞式发动机中的曲轴。当转子沿其路径在壳体内转动时，会推动这些凸轴。由于凸轴是以离心方式安装在输出轴上的，因此转子施加给凸轴的力在输出轴中产生力矩，从而使输出轴旋转。

图2-8

第三章转子发动机的工作原理

转子发动机结构与传统发动机不同，其工作过程是怎样的呢？是否也有四个冲程呢?本章将详细介绍转子发动机的工作过程以及与传统和发动机工作过程的区别。

第一节转子发动机的工作过程

与传统发动机一样，转子发动机也有进气、压缩、做功、排气、四个冲程。如图3-1

图3-1

现代的转子发动机缸体内部空间总是被分成三个工作室，转子转动这些工作室也在运动。依次在摆线型缸体内的不同位置完成进气、压缩、作功（燃烧）和排气四个过程。

进气：

循环进气阶段从转子顶点经过进气口时开始。在进气口接通

缸室的那一刻，缸室的体积接近其最小值。当转子转过进气口时，缸室的体积将增大，从而将空气、燃油混合气吸入缸室。

当缸室的顶点经过进气口时，该缸室即被密封，然后并开始压缩。

压缩：

当转子继续在壳体内运动时，缸室的体积会变得更小，进而压缩空气、燃油混合气。当转子的面转到火花塞处时，缸室的体积再次接近最小。这是燃烧的起点。

燃烧（做功）：

多数转子发动机有两个火花塞，燃烧室比较狭长。如果只有一个火花塞，火焰的蔓延速度会很慢。当火花塞点燃空气、燃油混合气时，会迅速产生压力，驱动转子运动。

燃烧的压力会驱动转子沿着缸室体积增大的方向移动。燃烧气体继续膨胀，推动转子并产生动力，直至转子的顶点再次经过排气口。

排气：

当转子的顶点经过排气口时，高压燃烧气体会释放到排气装置中。当转子继续运动时，缸室开始压缩，迫使剩余废气排出。当缸室体积接近最小时，转子的顶点将经过进气口，整个循环再次开始。

转子发动机的一个亮点是，转子的三个面始终作用于循环的某部分——在转子转满一周时，将有三个燃烧冲程。但是请注意，转子每转一周时，输出轴将旋转三周，这意味着针对输出轴的每次旋转都有一个燃烧冲程。

转子发动机的核心是转子。它相当于活塞式发动机中的活塞。转子安装在输出轴上的大圆凸轴上。此凸轴偏离轴中心线，

其作用相当于绞盘上的曲轴，为转子提供驱动输出轴所需的杠杆。当转子在壳体内转动时，会推动凸轴旋转。

在汪克尔型转子发动机上，转子的顶点随着发动机壳体内圆周的椭圆形壳体而运动，同时保持与围绕在发动机壳体中心的一个偏心轨道上的输出轴齿轮的接触。三角形转子的轨道是用一个相位齿轮机构来规定的。相位齿轮包括安装在转子内侧的一个内齿圈和安装在偏心轴上的一个外齿轮。如果转子齿轮在其内侧有30个齿，轴齿轮将在其外原周上有20个齿，由此得到其齿数比为3:2。由于这一齿数比，转子和轴之间的转速比被限定为1:3。和偏心轴相比，转子有较长的转动周期。转子转动一圈，偏心轴转动三圈。当发动机转速为3000 转/分时，转子的速度只有1000 转/分。

第二节转子发动机与传统发动机的比较

往复式发动机和转子发动机都依靠空燃混合气燃烧产生的膨胀压力以获得转动力。两种发动机的机构差异在于使用膨胀压力的方式。在往复式发动机中，产生在活塞顶部表面的膨胀压力向下推动活塞，机械力被传给连杆，带动曲轴转动。

图3-2

对于转子发动机，膨胀压力作用在转子的侧面。从而将三角形转子的三个面之一推向偏心轴的中心（见图3-2中力PG）。这一运动在两个分力的力作用下进行。一个是指向输出轴中心（见图3-2中的Pb）的向心力，另一个是使输出轴转动的切线力（Ft）。

壳体的内部空间（或旋轮线室）总是被分成三个工作室。在转子的运动过程中，这三个工作室的容积不停地变动，在摆线形缸体内相继完成进气、压缩、燃烧和排气四个过程。每个过程都是在摆线形缸体中的不同位置进行，这明显区别于往复式发动机。往复式发动机的四个过程都是在一个汽缸内进行的。

转子发动机的排气量通常用单位工作室容积和转子的数量来表示。例如，对于型号为13B的双转子发动机，排量为"654cc × 2"。

单位工作室容积指工作室最大容积和最小容积之间的差值；而压缩比是最大容积和最小容积的比值。往复式发动机上也使用同样的定义。

图3-3

如图3-3中所示，转子发动机工作容积的变化，以及与四循环往复式发动机的比较。尽管在这两种发动机中，工作室容积都成波浪形稳定变化，但二者之间存在着明显的不同。首先是每个过程的转动角度：往复式发动机转动180度，而转子发动机转动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）在四个工作过程中转两圈（720度）；而在转子发动机中，偏心轴转三圈（1080度），转子转一圈。这样，转子发动机就能获得较长的过程时间，而且形成较小的扭矩波动，从而使运转平稳流畅。

此外，即使在高速运转中，转子的转速也相当缓慢，从而有更宽松的进气和排气时间，为那些能够获得较高的动力性能的系统的运行提供了便利。

第四章转子发动机的特点及

发展方向

1、汪克尔型转子发动机的特点:

体积小重量轻：转子发动机有几个优点，其中最重要的一点是减小了体积和减轻了重量。在运行安静性和平稳性两方面，双转子RE相当于直列六缸往复式发动机。在保证相同的输出功率水平前提下，转子式发动机的设计重量是往复式的三分之二，这个优点对于汽车工程师们有着无比的吸引力。特别是近年来，在防撞性（碰撞安全）、空气动力学、重量分布和空间利用等方面的要求越来越严格的情况下。

精简结构：由于转子发动机将空燃混合气燃烧产生的膨胀压力直接转化为三角形转子和偏心轴的转动力，所以不需要设置连杆，进气口和排气口依靠转子本身的运动来打开和关闭；不再需要配气机构，包括正时齿带、凸轮轴、摇臂、气门、气门弹簧等，而这在往复式发动机中是必不可少的一部分。综上所述，转子发动机组成所需要的部件大幅度减少。

均匀的扭矩特性：根据研究结果，转子发动机在整个速度范围内有相当均匀的扭矩曲线，即使是在两转子的设计中，运行中的扭矩波动也与直列六缸往复式发动机具有相同的水平，三转子的布置则要小于Ｖ型八缸往复式发动机。

运行更安静，噪音更小：对于往复式发动机，活塞运动本身就是一个振动源，同时气门机构也会产生令人讨厌的机械噪音。转子发动机平稳的转动运动产生的振动相当小，而且没有气门机构，因此能够更平稳和更安静的运行。

可靠性和耐久性：如前所述，转子的转速是发动机转速的三分之一。因此，在转子发动机以9000 rpm的转速运转时，转子的转速约为该转速的三分之一。另外，由于转子发动机没有那些高转速运动部件，如摇臂和连杆，所以在高负荷运动中，更可靠和更耐久。在1991的勒芒汽车赛中的大获全胜就充分证明了这一点。

2、转子发动机的发展方向

新型试验发动机RENESIS是马自达为新千年设计的一款转子发动机，它在第33届东京汽车展上为RX—EVOLV概念车提供动力，充分体现了其可挖掘的巨大潜力。实践证明它在性能、燃油经济性和排放三个领域具有显著的优越性。同时也代表着转子发动机的发展方向。

（1）RENESIS发动机在性能方面的特点：

新的气口形状

RENESIS采用侧置排气口，取消了气口开启重叠角，并能够优化气口形状，进气口提前开启，在接近上死点时开启。

扩大气口面积

当进气口开始打开时，气口面积增加了30％，排气口面积几乎增加了两倍，改善了气体流动特性。

采用重量轻的转子

RENESIS使用的转子轻了14％，转速达到了10000rpm。

具有较高的压缩比

（2）RENESIS发动机在燃油经济性方面的特点：

取消气口开启重叠角

改善后的排气口形状取消了气口重叠角，而且排气口开启延迟，增加了动力行程：同时由于没有废气混入新鲜充气中，改善了发动机的热效率。

良好的燃油喷射

RENESIS上装有小巧的燃油喷射器以改善燃油喷射。

高速状态下有稀薄的混合气

转子发动机独特的燃烧特性要求在高速范围内比往复式发动机有较稀的混合气。

（3）RENESIS发动机在排放方面的特点：

减少了HC的排放

RENESIS采用了排气口侧向布置，HC不再从排气口排出，而是在接下来的循环中被燃烧掉。

改善了催化系统

RENESIS采用双层排气歧管使排气保持高温以改善催化活性。

第五章结论

一般发动机是往复运动式发动机，工作时活塞在气缸里做往复直线运动，为了把活塞的直线运动转化为旋转运动，必须使用曲柄连杆机构。转子发动机则不同，它直接将可燃气的燃烧膨胀力转化为驱动扭矩。与往复式发动机相比，转子发动机取消了无用的直线运动，因而同样功率的转子发动机尺寸较小，重量较轻，而且振动和噪声较低，具有较大优势。

因此转子发动机是具有较大发展空间的一种发动机，相信随着科技的进步，工艺的发展转子发动机的种种不足都将会得以完善。相信早晚有一天转子发动机将会取代现在的往复式发动机！

致谢

毕业论文暂告收尾，这也意味着我在吉林交通职业技术学院的三年的学习生活既将结束。回首既往，自己一生最宝贵的时光能于这样的校园之中，能在众多学富五车、才华横溢的老师们的熏陶下度过，实是荣幸之极。在这三年的时间里，我在学习上和思想上都受益非浅。这除了自身努力外，与各位老师、同学和朋友的关心、支持和鼓励是分不开的

论文的写作是枯燥艰辛而又富有挑战的。转向系统是理论界一直探讨的热门话题，老师的谆谆诱导、同学的出谋划策及家长的支持鼓励，是我坚持完成论文的动力源泉。在此，我特别要感谢我的导师高寒老师。从论文的选题、文献的采集、框架的设计、结构的布局到最终的论文定稿，从内容到格式，从标题到标点，他都费尽心血。没有娄老师的辛勤栽培、孜孜教诲，就没有我论文的顺利完成。

感谢汽车系的各位同学，与他们的交流使我受益颇多。最后要感谢我的家人以及我的朋友们对我的理解、支持、鼓励和帮助，正是因为有了他们，我所做的一切才更有意义；也正是因为有了他们，我才有了追求进步的勇气和信心。

时间的仓促及自身专业水平的不足，整篇论文肯定存在尚未发现的缺点和错误。恳请阅读此篇论文的老师、同学，多予指正，不胜感激！