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                          轉子發動機:馬自達汽車公司的核心

轉子發動機:馬自達汽車公司的核心(圖)

轉子發動機

  在2004北京汽車展中首次展出的RX-8動力總成:RENESIS轉子發動機,象征著馬自達汽車公司的核心。轉子發動機發展史和馬自達的成長纏繞在一起,密不可分。今天,馬自達是世界上唯一生產和銷售轉子發動機汽車的公司。

  1961年,被轉子發動機的潛在優勢深深吸引,馬自達的工程師決定積極大力地進行轉子發動機的不斷開發。六年過去了,經過無數個小時的努力奮斗,終于在1967年,工程師們自豪地在Cosmo Sports上安裝了世界上第一臺雙轉子發動機。當然,不斷努力完善這種獨特發動機的工作從來沒有停止過。迄今為止,馬自達已經生產了將近兩百萬輛以轉子發動機為動力的汽車,其中一輛曾在1991年的法國創造了歷史。

  在巴黎的勒芒24小時汽車賽是一個考驗車輛性能和耐力極限的汽車大賽。1991年,以轉子發動機為動力的Mazda 787B,成為第一輛在此賽事上大獲全勝的日本汽車。這種前所未有的勝利為馬自達在汽車歷史上寫下輝煌的一頁。更重要的是,這次勝利證明了公司在轉子發動機上的成熟技術。轉子發動機經常被描述為“時尚”、“創意”和“活力”。這三個詞語同樣可以用來定義馬自達品牌形象和其獨特技術。

  四十年的追求

  自從馬自達開始從事完善轉子發動機的研發工作,公司就成功利用這種發動機本身所固有的輕量化、結構緊湊和高動力性能的優點,同時逐步克服其耗油和廢氣排放量大的缺點。在為RX-7開發的13BREW渦輪增壓轉子發動機上,馬自達在轉子發動機的發展中,就最大功率而言,達到了它的一個技術高峰。

  然而推動馬自達轉子發動機開發的激情和夢想永無止境。工程師開始努力讓這種動力裝置更緊湊,并提高它的進氣和燃燒效率。這些努力在MSP-RE上達到充分體現,并在1995年東京汽車展中推出的RX-01概念車上安裝了這種發動機。自然吸氣式MSP-RE 隨后作為RX-8的動力總成進行批量生產,并更名為RENESIS,它代表著“The RE (rotary engine)’s GENESIS”( 轉子發動機的起源)。

  RENESIS轉子式發動機,這種自然吸氣式轉子發動機在8,500 rpm下能夠產生184 kW (250 PS)的最大功率(針對日本的高功率車型),結構緊湊的輕量化車身使RX-8得以采用先進的前中置動力總成布置,和以前的RX-7相比,發動機位置更低更靠后。由于RENESIS具有平穩的性能、緊湊的尺寸和獨特的行駛特點,在全新的RX-8推出不久,即在2003年6月被命名為International Engine of the Year(國際年度最佳發動機)。

  作為世界上唯一的轉子發動機制造商,同時作為被全世界駕駛員高度評價的跑車生產商,馬自達不斷地努力把公司的夢想變為現實。正是這種夢想和我們在跑車開發中投入的熱情,使馬自達的客戶對創新性的RENESIS發動機擁有很高的期望度。

  汪克爾型轉子發動機的結構和工作原理

  在過去的400年中,許多發明家和工程師一直都想開發一種連續運轉的內燃機。人們希望有朝一日往復活塞式內燃機將被優雅的原動力引擎所取代,它的運動軌跡應該非常接近人類偉大的發明之一:輪子。

  實際上,在十六世紀末期,在出版物中首次出現“連續運轉內燃機”的說法。連桿和曲柄機構的發明人沃特詹姆斯 (1736-1819),也曾研究轉子式內燃機。特別是在過去的150年里,發明者提出了許多關于轉子發動機結構的提案。在1846年,人們畫出了當今轉子發動機工作室的幾何結構,設計了使用外旋輪線的第一輛概念發動機。但是,這些概念都沒有實用化,直到汪克爾菲加士博士在1957年研制出汪克爾轉子發動機。

  汪克爾博士通過研究和分析各種轉子發動機類型的可行性,找到了旋輪線殼體的最佳形狀。他對飛機發動機上所用的回轉閥以及增壓器的氣密性密封機構具有深刻的了解,這些機構在其設計中的使用,使汪克爾型轉子發動機得以實用化。

  現代的轉子發動機由繭形殼體(一個三角形轉子被安置在其中)組成。轉子和殼體壁之間的空間作為內部燃燒室,通過氣體膨脹的壓力驅動轉子旋轉。和普通內燃機一樣,轉子發動機必須在其工作室中相繼形成進氣、壓縮、燃燒和排氣四個工作過程。如果將三角形的轉子放置在圓形殼體的中心部,工作室將不會隨著殼體內部轉子的旋轉而在體積上發生變化。即使空燃混合氣在那里點燃,燃燒氣體的膨脹壓力也僅作用在轉子的中部,不會產生旋轉。這就是為什么殼體的內側圓周被設計成旋輪線外形并和安裝在偏心軸上的轉子組裝在一起的原因。因此,每轉一圈,工作室的體積變化兩次,從而實現內燃機的四個工作過程。

  在汪克爾型轉子發動機上,轉子的頂點隨著發動機殼體內圓周的橢圓形殼體而運動,同時保持與圍繞在發動機殼體中心的一個偏心軌道上的輸出軸齒輪的接觸。三角形轉子的軌道是用一個相位齒輪機構來規定的。相位齒輪包括安裝在轉子內側的一個內齒圈和安裝在偏心軸上的一個外齒輪。如果轉子齒輪在其內側有30個齒,軸齒輪將在其外原周上有20個齒,由此得到其齒數比為3:2。由于這一齒數比,轉子和軸之間的轉速比被限定為1:3。

  和偏心軸相比,轉子有較長的轉動周期。轉子轉動一圈,偏心軸轉動三圈。當發動機轉速為3000 rpm時,轉子的速度只有1000 rpm。

  與傳統往復式發動機的比較

  往復式發動機和轉子發動機都依靠空燃混合氣燃燒產生的膨脹壓力以獲得轉動力。兩種發動機的機構差異在于使用膨脹壓力的方式。在往復式發動機中,產生在活塞頂部表面的膨脹壓力向下推動活塞,機械力被傳給連桿,帶動曲軸轉動。

  對于轉子發動機,膨脹壓力作用在轉子的側面。 從而將三角形轉子的三個面之一推向偏心軸的中心。(見圖中PG)。這一運動由兩個分開的力作用而成。一個是指向輸出軸中心(見圖中的Pb)的向心力,另一個是使輸出軸轉動的切線力(Ft)。 

  殼體的內部空間(或旋輪線室)總是被分成三個工作室。 在轉子的運動過程中,這三個工作室的容積不停地變動,在擺線形缸體內相繼完成進氣、壓縮、燃燒和排氣四個過程。每個過程都是在擺線形缸體中的不同位置進行,這明顯區別于往復式發動機。往復式發動機的四個過程都是在一個汽缸內進行的。

  轉子發動機的排氣量通常用單位工作室容積和轉子的數量來表示。例如,對于型號為13B的雙轉子發動機,排量為“654cc ×2”。

  單位工作室容積指工作室最大容積和最小容積之間的差值;而壓縮比是最大容積和最小容積的比值。往復式發動機上也使用同樣的定義。

  如上一頁圖中所示,可看到轉子發動機工作容積的變化,以及與四循環往復式發動機的差別。盡管在這兩種發動機中,工作室容積都成波浪形穩定變化,但二者之間存在著明顯的不同。首先是每個過程的轉動角度:往復式發動機轉動180度,而轉子發動機轉動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)在四個工作過程中轉兩圈(720度); 而在轉子發動機中,偏心軸轉三圈(1080度),轉子轉一圈。這樣,轉子發動機就能獲得較長的過程時間,而且形成較小的扭矩波動,從而使運轉平穩流暢。

  此外,即使在高速運轉中,轉子的轉速也相當緩慢,從而有更寬松的進氣和排氣時間,為那些能夠獲得較高的動力性能的系統的運行提供了便利。

  汪克爾型轉子發動機的特點

  體積小重量輕: 轉子發動機有幾個優點,其中最重要的一點是減小了體積和減輕了重量。在運行安靜性和平穩性兩方面,雙轉子RE相當于直列六缸往復式發動機。在保證相同的輸出功率水平前提下,轉子式發動機的設計重量是往復式的三分之二,這個優點對于汽車工程師們有著無比的吸引力。特別是近年來,在防撞性(碰撞安全)、空氣動力學、重量分布和空間利用等方面的要求越來越嚴格。

  精簡結構: 由于轉子發動機將空燃混合氣燃燒產生的膨脹壓力直接轉化為三角形轉子和偏心軸的轉動力,所以不需要設置連桿,進氣口和排氣口依靠轉子本身的運動來打開和關閉;不再需要配氣機構,包括正時齒帶、凸輪軸、搖臂、氣門、氣門彈簧等,而這在往復式發動機中是必不可少的一部分。綜上所述,轉子發動機組成所需要的部件大幅度減少。

  均勻的扭矩特性: 根據研究結果,轉子發動機在整個速度范圍內有相當均勻的扭矩曲線,即使是在兩轉子的設計中,運行中的扭矩波動也與直列六缸往復式發動機具有相同的水平,三轉子的布置則要小于V型八缸往復式發動機。

  運行更安靜,噪音更小: 對于往復式發動機,活塞運動本身就是一個振動源,同時氣門機構也會產生令人討厭的機械噪音。轉子發動機平穩的轉動運動產生的振動相當小,而且沒有氣門機構,因此能夠更平穩和更安靜的運行。

  可靠性和耐久性: 如前所述,轉子的轉速是發動機轉速的三分之一。因此,在轉子發動機以9000 rpm的轉速運轉時,轉子的轉速約為該轉速的三分之一。另外,由于轉子發動機沒有那些高轉速運動部件,如搖臂和連桿,所以在高負荷運動中,更可靠和更耐久。在1991的勒芒汽車賽中的大獲全勝就充分證明了這一點。

 

 

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