新型内燃机的研发及应用

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。

（1）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汽缸、活塞、连杆、曲轴等主要机件和其他辅助设备组成。

活塞式发动机的主体是曲柄滑块机构（见图11.14）。它利用气体燃爆使活塞1在汽缸3内往复移动，经连杆2推动曲轴4做旋转运动，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。

图11.14　活塞式发动机

活塞式发动机工作时具有吸气、压缩、做功（燃爆）、排气4个冲程，如图11.15所示，其中只有做功冲程输出转矩，对外做功。

这种往复式活塞发动机存在以下明显的缺点：

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长，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。

图11.15　活塞式发动机的4个冲程

③曲轴回转两圈才有一次动力输出，效率低。

现在的问题，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。

（2）无曲轴式活塞发动机

无曲轴式活塞发动机用凸轮机构代替发动机原有的曲柄滑块机构。取消原有的关键件曲轴，使零件数量减少，结构简单，成本降低。

日本名古屋机电工程公司生产的二冲程单缸发动机采用无曲轴式活塞发动机，如图11.16所示，其关键部分是圆柱凸轮动力传输装置。

图11.16　单缸无曲轴式活塞发动机

一般圆柱凸轮机构是将凸轮的回转运动变为从动杆的往复运动，而此处利用反动作，即活塞往复运动时，通过连杆端部的滑块在凸轮槽中滑动而推动凸轮转动，经输出轴输出转矩。活塞往复两次，凸轮旋转360°。系统中设有飞轮，控制回转运动平稳。

这种无曲轴式活塞发动机若将圆柱凸轮安装在发动机中心部位，可在其周围设置多个汽缸，制成多缸发动机。通过改变圆柱凸轮的凸轮轮廓形状可以改变输出轴转速，达到减速增矩的目的。这种凸轮式无曲轴发动机已用于船舶、重型机械、建筑机械等行业。

（3）旋转式内燃发动机

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。类比往复式蒸汽机到蒸汽轮机的发展，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2 000多个旋转式发动机的方案，但大多因结构复杂或无法解决汽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，突破了汽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(www.xing528.com)

汪克尔所设计的旋转式发动机简图如图11.17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11.17　旋转式发动机简图

旋转式发动机运转时同样有吸气、压缩、燃爆（做功）和排气4个动作，如图11.18所示。当转子转一周时，以三角形转于上AB弧进行分析：

吸气：转子处于图11.18（a）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。

压缩：转子处于图11.18（b）位置时，内腔由大变小，混合气体被压缩。

燃爆：高压状态下，火花塞点火，使混合气体燃爆并迅速膨胀，产生强大压力驱动转子，并带动曲轴输出运动和转矩，对外做功。

排气：转子由图11.18（c）位置至图11.18（d）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3个弧面，因此每转一周有3个动力冲程。

图11.18　旋转式发动机运行过程

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4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汽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汽缸，依次平稳连续地工作。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

图11.19　行星齿轮机构

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11.19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。

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（z2/z1=1.5→nH/n2=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容量比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火花塞，但无需连杆、活塞以及复杂的阀门控制装置。零件数量比往复发动机少40%，体积减少50%，质量下降1/2～2/3，在大气污染方面也有所改善。该发动机具有体积小、质量轻、噪声小、旋转速度范围大以及结构简单等优点，在大气污染方面也有所改善。

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，在输出功率相同时，具有体积小、质量轻、噪声小、旋转范围大以及结构简单等优点，但在实用化生产的过程中还有许多问题需要解决。

日本东泽公司从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。经过样机运行和大量试验，发现汽缸上产生振纹是最主要的问题。而形成振纹的原因，不仅在于摩擦体本身的材料，同时与密封片的形状和材料有关，密封片的振动特性，对振纹影响极大。该公司抓住这个关键问题开发出极坚硬的浸渍炭精材料做密封片，较成功地解决了振纹问题。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形环、消声器等多种零部件，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。

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，将使我们得到更多的创新产品。