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論旋轉式內燃機

我想到了轉子發動機。

馬自達有壹款跑車采用了這項技術。

轉子發動機簡介

目前,往復活塞式發動機廣泛應用於商用車。還有壹種眾所周知但很少使用的發動機,就是三角活塞轉子發動機。轉子發動機也稱為米勒循環發動機。它利用三角形轉子的旋轉運動來控制壓縮和排放,與傳統活塞往復式發動機的直線運動有很大不同。這種發動機是德國人菲加斯·萬克爾發明的。在總結前人研究成果的基礎上,解決了壹些關鍵技術問題,研制成功了第壹臺轉子發動機。壹般的發動機是往復式發動機。工作時,活塞在氣缸內做往復直線運動。為了將活塞的直線運動轉化為旋轉運動,必須使用曲柄連桿機構。而轉子發動機則不同,它直接將可燃氣體的燃燒膨脹力轉化為驅動扭矩。與往復式發動機相比,轉子發動機消除了無用的直線運動,所以同樣功率的轉子發動機體積更小,重量更輕,振動和噪音更低,具有很大的優勢。轉子發動機的運動特點是,當三角形轉子的中心繞輸出軸的中心旋轉時,三角形轉子本身也繞其中心旋轉。當三角轉子轉動時,以三角轉子為中心的內齒圈與以輸出軸為中心的齒輪嚙合,齒輪固定在缸體上不轉動,內齒圈的齒數與齒輪的齒數比為3比2。上述運動關系使得三角轉子頂點(即筒壁形狀)的運動軌跡看起來像壹個“8”。三角形轉子將氣缸分成三個獨立的空間,三個空間中的每壹個依次完成進氣、壓縮、做功和排氣。三角轉子旋轉壹周,發動機點火做功三次。由於上述運動關系,輸出軸的轉速是轉子轉速的三倍,與往復式發動機的活塞和曲軸的運動關系1: 1完全不同。

[編輯此段]轉子發動機的發展歷史

轉子發動機(汪克爾發動機)也稱為米勒循環發動機。它利用三角形轉子的旋轉運動來控制壓縮和排放,與傳統活塞往復式發動機的直線運動有很大不同。這種發動機是德國人菲力·汪克爾(1902-1988)發明的。在前人研究成果的基礎上,解決了壹些關鍵技術問題,研制成功了第壹臺轉子發動機。

汪克爾1902年出生於德國,1921至1926受雇於海德堡某科技出版社銷售部。1924年,汪克爾在海德堡成立了自己的公司,在那裏他花了大量的時間開發轉子發動機。從65438到0927,最終攻克了氣密性、潤滑等壹系列技術難題。二戰期間,汪克爾在德國空軍服役。

1951年,Figas Wankel與德國NSU公司簽約,共同開發轉子發動機。1954年4月3日,NSU公司研制成功第壹臺轉子發動機,並於5438+0958年6月對這臺發動機進行了壹系列試驗。1960年,汪克爾轉子發動機在德國工程師學會的壹次研討會上首次公開討論。三年後,NSU在法蘭克福車展上展出了配備Wankel轉子發動機的新車型。1964年,NSU和雪鐵龍在日內瓦成立合資公司COMOBIL,轉子發動機第壹次裝上汽車成為正式產品。1967年,日本東洋工業株式會社也在馬自達汽車上安裝了轉子發動機,並開始批量生產。當時業內人士認為這種發動機結構緊湊輕巧,運行安靜平穩,有可能取代傳統的活塞式發動機。

壹直對新技術情有獨鐘的馬自達,斥巨資從Wankel購買了這項技術。因為這是壹項高科技技術,很少有人知道這項技術,發動機壞了也沒人能修,而且耗油量很大。壹些汽車行業人士對這款發動機的市場前景表示懷疑。20世紀70年代石油危機爆發時,各國忙於應對各種困難,無法開發轉子發動機。只有馬自達公司仍然相信轉子發動機的潛力,並獨立研究和生產轉子發動機,並為此付出了相當大的代價。他們逐漸克服了轉子發動機的缺陷,成功地從實驗生產轉入商業生產,並以裝有轉子發動機的RX-7跑車打入美國市場,令人印象深刻。

隨著全球環保意識的增強和石油資源的枯竭,氫作為能源的研究已經成為壹個重大課題。馬自達當時堅持的轉子發動機,在結構上是最適合燃燒氫氣的,也是最“幹凈”的,因為氫氣燃燒後排出的是水蒸氣,不會汙染環境。馬自達公司對RX-7跑車的轉子發動機進行了改造,使其可以使用氫氣作為燃料。這種發動機裝配在馬自達HR-X上,1立方米的油箱儲存了相當於43立方米的壓縮氫氣,以60公裏的時速行駛230公裏,受到了各界人士的關註。因為從生產裝配到維護維修,轉子發動機與傳統發動機有很大不同,開發成本高。另外,往復活塞式發動機的功率、重量、排放、能耗都比過去有了明顯的提高,轉子發動機並沒有表現出明顯的優勢。因此,各大汽車企業都沒有熱情去開發利用它,只有馬自達在苦苦支撐。

壹般的發動機是往復式發動機。工作時,活塞在氣缸內做往復直線運動。為了將活塞的直線運動轉化為旋轉運動,必須使用曲柄連桿機構。而轉子發動機則不同,它直接將可燃氣體的燃燒膨脹力轉化為驅動扭矩。與往復式發動機相比,轉子發動機消除了無用的直線運動,所以同樣功率的轉子發動機體積更小,重量更輕,振動和噪音更低,具有很大的優勢。

轉子發動機的運動特點是三角形轉子的中心繞輸出軸的中心旋轉,而三角形轉子本身繞其中心旋轉。當三角轉子轉動時,以三角轉子為中心的內齒圈與以輸出軸為中心的齒輪嚙合,齒輪固定在缸體上不轉動。內齒圈的齒數與齒輪的齒數比為3:2。上述運動關系使得三角轉子頂點(即筒壁形狀)的運動軌跡看起來像壹個“8”。三角形轉子將氣缸分成三個獨立的空間,三個空間中的每壹個依次完成進氣、壓縮、做功和排氣。三角轉子旋轉壹周,發動機點火做功三次。由於上述運動關系,輸出軸的轉速是轉子轉速的三倍,與往復式發動機的活塞和曲軸的運動關系1:1完全不同。

[編輯本段]轉子發動機的工作原理

壹般的發動機是往復式發動機。工作時,活塞在氣缸內做往復直線運動。為了將活塞的直線運動轉化為旋轉運動,必須使用曲柄連桿機構。而轉子發動機則不同,它直接將可燃氣體的燃燒膨脹力轉化為驅動扭矩。與往復式發動機相比,轉子發動機消除了無用的直線運動,所以同樣功率的轉子發動機體積更小,重量更輕,振動和噪音更低,具有很大的優勢。

轉子發動機的運動特點是三角形轉子的中心繞輸出軸的中心旋轉,而三角形轉子本身繞其中心旋轉。當三角轉子轉動時,以三角轉子為中心的內齒圈與以輸出軸為中心的齒輪嚙合,齒輪固定在缸體上不轉動。內齒圈的齒數與齒輪的齒數比為3: 2。上述運動關系使得三角轉子頂點(即筒壁形狀)的運動軌跡看起來像壹個“8”。三角形轉子將氣缸分成三個獨立的空間,三個空間中的每壹個依次完成進氣、壓縮、做功和排氣。三角轉子旋轉壹周,發動機點火做功三次。由於上述運動關系,輸出軸的轉速是轉子轉速的三倍,與往復式發動機的活塞和曲軸的運動關系1: 1完全不同

旋轉式發動機與傳統往復式發動機的比較往復式發動機和旋轉式發動機都是依靠空氣燃料混合物燃燒產生的膨脹壓力來獲得旋轉力。兩種發動機的機理區別在於利用膨脹壓力的方式。在往復式發動機中,活塞頂面產生的膨脹壓力向下推動活塞,機械力傳遞給連桿,帶動曲軸旋轉。

對於轉子發動機,膨脹壓力作用在轉子壹側。以便將三角形轉子的三個面中的壹個推向偏心軸的中心(參見圖中的力PG)。這種運動是在兩個分力的作用下進行的。壹個是指向輸出軸中心的向心力(見圖中Pb),壹個是使輸出軸旋轉的切向力(ft)。

殼的內部空間(或紡線室)總是分為三個工作間。在轉子運動過程中,這三個工作腔的容積不斷變化,在擺缸中先後完成進氣、壓縮、燃燒、排氣四個過程。每壹個過程都是在擺缸的不同位置進行的,與往復式發動機明顯不同。往復式發動機的四個過程都是在壹個氣缸內進行的。

轉子發動機的排量通常用單位工作室容積和轉子數量來表示。比如型號為13B的雙轉子發動機,排量為“654cc × 2”。

單位工作室容積是指工作室的最大容積和最小容積之差;壓縮比是最大體積與最小體積的比值。同樣的定義也適用於往復式發動機。

如下圖,轉子發動機工作容積的變化及其與四沖程往復式發動機的對比。雖然在這兩種發動機中,工作腔容積呈波浪形平穩變化,但兩者有明顯的區別。首先是每個過程的旋轉角度:往復式發動機旋轉180度,而旋轉式發動機旋轉270度,是往復式發動機的1.5倍。換句話說,在往復式發動機中,曲軸(輸出軸)在四個工作過程中旋轉兩次(720度);然而,在旋轉式發動機中,偏心軸轉動三圈(1080度),轉子轉動壹圈。這樣,轉子發動機可以獲得較長的處理時間,形成較小的扭矩波動,從而使運轉平穩順暢。

此外,即使在高速運轉時,轉子的轉速也相當緩慢,使進排氣時間更加寬松,這為能夠獲得更高動力性能的系統的運轉提供了便利。

[編輯本段]轉子發動機的應用

現在馬自達的旋轉引擎已經傳到了RX-8上,這次RENESIS有什麽進展?首先,進氣孔面積增加30%,使發動機進氣量足以滿足10000轉的需求。但是,眾所周知,這種低轉速會變得非常糟糕,所以馬自達將原來的三進氣兩級設計演變成了三進氣三級設計,以盡可能避免低轉速的弱點。為了高轉速,第壹次把轉子挖空,大大減輕了轉子的重量,讓自然吸氣RX-8通過拉轉速就能達到250馬力的水平。不過RENESIS發動機最創新的地方還是排氣口。以前轉子發動機的排氣口是做在氣室壁上的,經常會有壹些未燃燒的油氣和壹些潤滑油刮到這裏的排氣管裏,造成汙染問題。

而在RENESIS中,排氣口和進氣口壹樣位於前後側壁,就地解決了過去的HC汙染問題,並且順便進排氣完全不重疊,這樣就不會出現進氣口漏到排氣管的問題。也可以在前後側壁各開壹個排氣孔,使發動機排氣孔變為兩個,提高排氣效率,達到高速的目的。(聽說已經在280ps RX-7上了。)這也是為什麽RX-8能在1.3L的排量下產生250馬力,而且還處於自然進氣的狀態。馬自達的轉子發動機成就不是壹蹴而就的,而是通過壹點壹滴的不斷修改,才能造就現在的RX-8!

[編輯本段]優點和缺點

轉子發動機的轉子每轉壹周做功壹次,與壹般的每轉兩圈做功壹次的四沖程發動機相比,具有馬力容積比高的優點(較小的發動機容積可以輸出更多的功率)。此外,由於轉子發動機的軸向運行特性,它可以在沒有精確曲軸平衡的情況下實現更高的運行速度。整個發動機只有兩個轉動部件。與壹般的四沖程發動機有進排氣門等20多個運動部件相比,結構大大簡化,出現故障的可能性大大降低。除上述優點外,轉子發動機的優點還包括體積小、重量輕、重心低。

相反,由於轉子發動機的三個燃燒室並不是完全隔離的,所以在發動機使用壹段時間後,很容易因為油封材料的磨損而導致漏氣,大大增加油耗和汙染。其獨特的機械結構也使得這種發動機很難維護。

雖然轉子發動機具有以小排氣量、高轉速產生高輸出的特點,但由於與往復式發動機的運行特性不同,世界各國在制定與發動機排氣量相關的稅種時,都以轉子發動機的實際排氣量乘以二作為與往復式發動機的比較基準。比如日本馬自達擁有的搭載轉子發動機的RX-8跑車,實際排氣量只有1.308立方厘米,但在日本,卻以261.6立方厘米的排氣量作為納稅分類計算的基準。

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