《工程概論》研究報(bào)告：轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)能耗和磨損問題淺析

1、工程概論研究報(bào)告轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)能耗及磨損問題淺析專業(yè)：班級(jí)：姓名：學(xué)號(hào)：日期：2015.5.28轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)能耗及磨損問題淺析【摘要】：一次偶然的機(jī)會(huì)，我在圖書館里的一本書上看到了轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的介紹，書中介紹了轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的工作原理和它與普通的往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)的區(qū)別，這種特別的發(fā)動(dòng)機(jī)瞬間吸引了我的目光。發(fā)動(dòng)機(jī)是汽車最為關(guān)鍵的部分，是決定車子性能的最重要的因素，猶如人的心臟。大部分人都知道我們?nèi)粘Ｓ玫氖腔钊鶑?fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)，又分為兩沖程發(fā)動(dòng)機(jī)和四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)，但是還有一種不為大部分人所熟知的發(fā)動(dòng)機(jī)，那就是轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)，又叫汪克爾發(fā)動(dòng)機(jī)。我們?nèi)粘＝?jīng)?？吹降臑榛钊鶑?fù)運(yùn)動(dòng)形式的發(fā)動(dòng)機(jī)，即活塞在汽缸內(nèi)作往復(fù)的直線運(yùn)動(dòng)，通過

2、曲軸把活塞的直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為曲軸的旋轉(zhuǎn)，而轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)沒有這個(gè)轉(zhuǎn)化過程，它是通過活塞在汽缸內(nèi)的旋轉(zhuǎn)來帶動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)主軸（即普通發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸,因?yàn)椴皇菑澢墓什辉俳星S）旋轉(zhuǎn)的，故兩者有著很大的區(qū)別。轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的工作原理是什么？與傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)相比，轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)分別有哪些？怎樣改進(jìn)它的缺點(diǎn)以實(shí)現(xiàn)它的廣泛利用？針對(duì)其高油耗，高排放的特點(diǎn)，以及發(fā)動(dòng)機(jī)的磨損問題，我進(jìn)行了一些探究。轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的高能耗問題，可以采用分層燃燒的方法，這種方法在轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)上可以廣泛應(yīng)用。而轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的磨損問題，則要分析其原因并且提出可行的解決方案。在工程概論課上，我初略了解了關(guān)于機(jī)械，車輛乃至發(fā)動(dòng)機(jī)等的基礎(chǔ)知識(shí)，同時(shí)我在課外利

3、用網(wǎng)絡(luò)和圖書館的資源收集資料，完成了這份研究報(bào)告。3【目 錄】第一節(jié) 緒論第二節(jié) 轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的工作原理第三節(jié) 關(guān)于轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的能耗和排放問題第四節(jié) 關(guān)于轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)“鬼爪”問題的思考第五節(jié) 轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的應(yīng)用前景第一節(jié) 緒論目前在商品汽車上普遍使用往復(fù)式活塞發(fā)動(dòng)機(jī)。還有一種知名度很高，但應(yīng)用很少的發(fā)動(dòng)機(jī)，這就是三角活塞旋轉(zhuǎn)式發(fā)動(dòng)機(jī)。轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)又稱為米勒循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)。它采用三角轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)來控制壓縮和排放，與傳統(tǒng)的活塞往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)的直線運(yùn)動(dòng)迥然不同。這種發(fā)動(dòng)機(jī)由德國人菲加士·汪克爾發(fā)明，在總結(jié)前人的研究成果的基礎(chǔ)上，解決了一些關(guān)鍵技術(shù)問題，研制成功第一臺(tái)轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)。1964年，日內(nèi)瓦的德法合

4、資企業(yè)COMOBIL公司，首次把轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)裝在轎車上成為正式產(chǎn)品。1967年，日本人也將轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)裝在馬自達(dá)轎車上開始成批生產(chǎn)。一向?qū)π录夹g(shù)情有獨(dú)鐘的馬自達(dá)公司投巨資從汪克爾公司買下了這項(xiàng)技術(shù)。于這是一項(xiàng)高新技術(shù)，懂得這項(xiàng)技術(shù)的人寥寥無幾，發(fā)動(dòng)機(jī)壞了無人會(huì)修，而且耗油大，汽車界有人對(duì)這種發(fā)動(dòng)機(jī)的市場前景產(chǎn)生了懷疑。70年代石油危機(jī)爆發(fā)，各國忙于應(yīng)付各方面的困難而無暇顧及發(fā)展轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)，唯有馬自達(dá)公司仍然深信轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的潛力，獨(dú)自研究和生產(chǎn)轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)，并為此付出了相當(dāng)大的代價(jià)。他們逐步克服了轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的缺陷，成功地由試驗(yàn)性生產(chǎn)過渡到商業(yè)性生產(chǎn)，并將安裝了轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的RX7型跑車打入了美國市場，令

5、人刮目相看。與傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)相比，轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)有許多特別的優(yōu)點(diǎn)，比如噪聲小，體積小，重量輕，結(jié)構(gòu)簡單，輸出的扭矩均勻，利于發(fā)展高速發(fā)動(dòng)機(jī)。但其缺點(diǎn)也很多，高排放，高能耗是其最大的問題，缸體易磨損（鬼爪），生產(chǎn)和維修成本很高，只能采用點(diǎn)燃式，不能用柴油做燃料等等。第二節(jié) 轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的工作原理轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)和傳統(tǒng)的往復(fù)式活塞發(fā)動(dòng)機(jī)究竟有什么區(qū)別？其特點(diǎn)是什么？首先，我們來了解一下轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的工作原理。與傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)一樣，轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)也有進(jìn)氣、壓縮、做功、排氣、四個(gè)沖程。現(xiàn)代的轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)缸體內(nèi)部空間總是被分成三個(gè)工作室，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)這些工作室也在運(yùn)動(dòng)。依次在擺線型缸體內(nèi)的不同位置完成進(jìn)氣、壓縮、做功（燃燒）和排氣四

6、個(gè)過程。1.進(jìn)氣：循環(huán)進(jìn)氣階段從轉(zhuǎn)子頂點(diǎn)經(jīng)過進(jìn)氣口時(shí)開始。在進(jìn)氣口接通缸室的那一刻，缸室的體積接近其最小值。當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過進(jìn)氣口時(shí)，缸室的體積將增大，從而將空氣、燃油混合氣吸入缸室。當(dāng)缸室的頂點(diǎn)經(jīng)過進(jìn)氣口時(shí)，該缸室即被密封，然后并開始?jí)嚎s。 2.壓縮：當(dāng)轉(zhuǎn)子繼續(xù)在殼體內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)，缸室的體積會(huì)變得更小，進(jìn)而壓縮空氣、燃油混合氣。 當(dāng)轉(zhuǎn)子的面轉(zhuǎn)到火花塞處時(shí)，缸室的體積再次接近最小。這是燃燒的起點(diǎn)。 3.燃燒（做功）：多數(shù)轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)有兩個(gè)火花塞， 燃燒室比較狹長。如果只有一個(gè)火花塞，火焰的蔓延速度會(huì)很慢。 當(dāng)火花塞點(diǎn)燃空氣、燃油混合氣時(shí)，會(huì)迅速產(chǎn)生壓力，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)。 4.排氣：燃燒的壓力會(huì)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子沿著缸

7、室體積增大的方向移動(dòng)。 燃燒氣體繼續(xù)膨脹，推動(dòng)轉(zhuǎn)子并產(chǎn)生動(dòng)力，直至轉(zhuǎn)子的頂點(diǎn)再次經(jīng)過排氣口。當(dāng)轉(zhuǎn)子的頂點(diǎn)經(jīng)過排氣口時(shí)，高壓燃燒氣體會(huì)釋放到排氣裝置中。 當(dāng)轉(zhuǎn)子繼續(xù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，缸室開始?jí)嚎s，迫使剩余廢氣排出。 當(dāng)缸室體積接近最小時(shí)，轉(zhuǎn)子的頂點(diǎn)將經(jīng)過進(jìn)氣口，整個(gè)循環(huán)再次開始。 轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的一個(gè)亮點(diǎn)是轉(zhuǎn)子的三個(gè)面始終作用于循環(huán)的某部分在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)滿一周時(shí)，將有三個(gè)燃燒沖程。 但是請(qǐng)注意，轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)一周時(shí)，輸出軸將旋轉(zhuǎn)三周，這意味著針對(duì)輸出軸的每次旋轉(zhuǎn)都有一個(gè)燃燒沖程。轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的核心是轉(zhuǎn)子，它相當(dāng)于活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)中的活塞。轉(zhuǎn)子安裝在輸出軸上的大圓凸軸上。此凸軸偏離軸中心線，其作用相當(dāng)于絞盤上的曲軸，為轉(zhuǎn)子提供驅(qū)

8、動(dòng)輸出軸所需的杠桿。當(dāng)轉(zhuǎn)子在殼體內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，會(huì)推動(dòng)凸軸旋轉(zhuǎn)。在汪克爾型轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)上，轉(zhuǎn)子的頂點(diǎn)隨著發(fā)動(dòng)機(jī)殼體內(nèi)圓周的橢圓形殼體而運(yùn)動(dòng)，同時(shí)保持與圍繞在發(fā)動(dòng)機(jī)殼體中心的一個(gè)偏心軌道上的輸出軸齒輪的接觸。三角形轉(zhuǎn)子的軌道是用一個(gè)相位齒輪機(jī)構(gòu)來規(guī)定的。相位齒輪包括安裝在轉(zhuǎn)子內(nèi)側(cè)的一個(gè)內(nèi)齒圈和安裝在偏心軸上的一個(gè)外齒輪。如果轉(zhuǎn)子齒輪在其內(nèi)側(cè)有30個(gè)齒，軸齒輪將在其外原周上有20個(gè)齒，由此得到其齒數(shù)比為3:2。由于這一齒數(shù)比，轉(zhuǎn)子和軸之間的轉(zhuǎn)速比被限定為1:3。和偏心軸相比，轉(zhuǎn)子有較長的轉(zhuǎn)動(dòng)周期。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，偏心軸轉(zhuǎn)動(dòng)三圈。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為3000 轉(zhuǎn)/分時(shí)，轉(zhuǎn)子的速度只有1000 轉(zhuǎn)/分。即使在高速運(yùn)轉(zhuǎn)

9、中，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速也相當(dāng)緩慢，從而有更寬松的進(jìn)氣和排氣時(shí)間，為那些能夠獲得較高的動(dòng)力性能的系統(tǒng)的運(yùn)行提供了便利。第三節(jié) 關(guān)于轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的能耗和排放問題 轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)決定了如果使用傳統(tǒng)的燃燒方法和燃料，那么其排放會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通的往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)。如今，轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的排放控制技術(shù)發(fā)展極快，取得了很大的進(jìn)展，但由于其運(yùn)轉(zhuǎn)特性與往復(fù)式引擎的不同，世界各國在制訂與引擎排氣量相關(guān)的稅則時(shí)，皆是以轉(zhuǎn)子引擎的實(shí)際排氣量乘以二來作為與往復(fù)式引擎之間的比較基準(zhǔn)。舉例來說，日本馬自達(dá)（Mazda）旗下搭載了轉(zhuǎn)子引擎的RX-8跑車，其實(shí)際排氣量雖然只有1308立方厘米，但在日本國內(nèi)卻是以2616立方厘米的排氣量來作為稅級(jí)計(jì)

10、算的基準(zhǔn)。因此，要想使轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)得到更廣泛的應(yīng)用，必須要設(shè)法改進(jìn)其能耗和排放性能。對(duì)轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)，由于其燃燒室形狀與燃燒室內(nèi)氣體遷移速度有特殊的分布規(guī)律，可以實(shí)現(xiàn)提高壓縮比以及總稀混合氣的分層燃燒。若轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)想要實(shí)現(xiàn)分層燃燒，在結(jié)構(gòu)上不需另設(shè)輔助燃燒室，可以僅用一個(gè)普通車用汽化器供油。由于可充分利用復(fù)合進(jìn)氣系統(tǒng)，在進(jìn)氣過程中，將稀混合氣分布于進(jìn)氣室后方的空間，并將未氣化的燃料合理地分布于進(jìn)氣室前方的空間與轉(zhuǎn)子凹坑保熱層表面，以形成較濃的混合氣，在進(jìn)氣和壓縮的過程中，進(jìn)氣室和燃燒室內(nèi)的氣體基本都是單向流動(dòng)，這可以使前后稀薄程度不同的氣體更好的混合，從而實(shí)現(xiàn)燃用總稀混合氣。同時(shí)，由于燃燒室前方的混

11、合氣較濃并且擾動(dòng)強(qiáng)烈，燃燒速度高，不易產(chǎn)生爆燃，這可以大大提高壓縮比。燃用總稀混合氣，在上止點(diǎn)前燃燒室前部的濃混合氣燃燒迅速，在上止點(diǎn)后燃燒室后方的很稀的混合氣以很高的速度沖向前部，與前部已燃燒但不完全的濃混合氣充分混合再一起燃燒，這樣，兩者都能燃燒完全，且燃燒速度較大，排放物中CO等污染物較少。因此，利用分層燃燒技術(shù)，能夠大大提高轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料消耗率并且降低污染。在世界環(huán)保意識(shí)日益強(qiáng)化，石油資源日漸沽竭的今天，以氫氣做動(dòng)力源的研究已成為一大課題。轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)從結(jié)構(gòu)上講是最適合燃燒氫氣，而且最“干凈”，因?yàn)闅錃馊紵旰笈懦龅氖撬魵?，?duì)環(huán)境沒有任何污染。所以我認(rèn)為可以根據(jù)轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)得天獨(dú)厚的結(jié)

12、構(gòu)條件，考慮改進(jìn)燃料，以得到更好的環(huán)保效益。第四節(jié) 關(guān)于轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)“鬼爪”問題的思考由于三角轉(zhuǎn)子引擎的相鄰容腔間只有一個(gè)徑向密封片，徑向密封片與缸體始終是線接觸，并且徑向密封片上與缸體接觸的位置始終在變化，因此三個(gè)燃燒室非完全隔離（密封），徑向密封片磨損快。引擎使用一段時(shí)間之后容易因?yàn)橛头獠牧夏p而造成漏氣問題，大幅增加油耗與污染，而其獨(dú)特的機(jī)械結(jié)構(gòu)也造成這類引擎較難維修，而且成本很大。轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)一段時(shí)間后，徑向密封片頂部的圓弧就會(huì)有磨損。若密封片頂部圓弧前方磨損大于后方，稱為前偏磨，后防磨損大于前方，則成為后偏磨。這種磨損與接觸表面的材料性質(zhì)、單位壓力（包括密封片的彈簧力，慣性力和氣體壓

13、力）、溫度、滑動(dòng)速度、表面粗糙度和介質(zhì)材料均有關(guān)系。若密封片所選用的材料，耐熱磨損的性能較差加上缸體面溫度過高，有可能會(huì)產(chǎn)生后偏磨現(xiàn)象。我覺得密封片可以使用一些耐熱磨損性能較好的材料（如氮化硅，碳化鈦等），并且要將缸體熱區(qū)型面控制在一定的溫度范圍里。同時(shí)，密封片的厚度和高度都可以減小，減小側(cè)壓力，但是不能太小以致斷裂。而解決磨損的“鬼爪”問題，應(yīng)該使密封片與槽壁的摩擦系數(shù)竟可能的小，根據(jù)機(jī)械制造方面的知識(shí)，這就要求接觸面的加工精度和表面粗糙度要嚴(yán)格，且密封片與氣缸型面的材料配對(duì)要合適，這是對(duì)機(jī)械加工工藝的要求。同時(shí)，在材料的使用上，近幾年納米材料等特種材料發(fā)展迅速，這些材料很多具有非常優(yōu)秀的性

14、能。在轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)制作過程中，可以根據(jù)成本，使用一些減小摩擦，增大承受力，耐熱性好的材料。只有有效的解決轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的磨損問題，才能夠使轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)得到更加廣泛的應(yīng)用。第五節(jié) 轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的應(yīng)用前景轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)作為發(fā)動(dòng)機(jī)中的“非主流”產(chǎn)品，雖然沒有往復(fù)活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)這樣廣為人知，但是也正因?yàn)樗^小的受眾使它更加具有一種雍容華貴的氣質(zhì)和風(fēng)度。而制造轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)所需要的技術(shù)也使他成為技術(shù)實(shí)力的代表。在當(dāng)今汽車界中，比起頗具王者之氣的往復(fù)活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)，轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)更像是一個(gè)醉心與技術(shù)的科學(xué)家，一直在攀登技術(shù)的高峰。轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的研究催生了很多新興技術(shù)，而轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)在航空航天上得到了比往復(fù)活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)更廣泛的應(yīng)用也證明

15、了轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā)潛力。當(dāng)今世界的汽車廠商中，堅(jiān)持轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)研究和量產(chǎn)的只有日本的馬自達(dá)公司。作為世界上唯一的轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)制造商，同時(shí)作為被全世界駕駛員高度評(píng)價(jià)的跑車生產(chǎn)商，馬自達(dá)不斷地努力把公司的夢想變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。這種堅(jiān)持精神是難能可貴的。汪克爾發(fā)明了轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)，但是馬自達(dá)成就了它。歷史上，馬自達(dá)是唯一奪得過勒芒24小時(shí)耐力賽總冠軍的亞洲汽車制造商。縱觀勒芒大賽歷史，前58屆的冠軍均被歐美車手壟斷。1991年的第59屆比賽中，搭載馬自達(dá)R26B 2.6L（0.654L*4）四轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的787B賽車，以領(lǐng)先第二名兩圈的巨大優(yōu)勢奪得冠軍。雖然787B不是當(dāng)時(shí)實(shí)力最強(qiáng)的勒芒賽車，但在對(duì)手的賽車紛紛出現(xiàn)

16、故障時(shí)，它卻以穩(wěn)定的可靠性堅(jiān)持到最后，而勒芒24小時(shí)耐力賽最考驗(yàn)的正是賽車的可靠性。通過此項(xiàng)賽事足以奠定馬自達(dá)787B在日本賽車史上的傳奇地位。馬自達(dá)轉(zhuǎn)子之父山本健一如今已經(jīng)白發(fā)蒼蒼，在傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)以及新能源車型的強(qiáng)大攻勢面前，馬自達(dá)與轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)看上去是如此形單影只，未來，也許轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)不會(huì)再作為車輛的心臟，但是它還有許多其他潛力，近期，如奧迪公司將其應(yīng)用在自家的A1 e-tron增程式電動(dòng)車上，作用是為電池組充電。同時(shí)，轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)在航空，航海以及一些工業(yè)領(lǐng)域均可以發(fā)揮巨大作用。近幾年來，節(jié)能環(huán)保的新型汽車顯示出巨大的發(fā)展?jié)摿ΓD(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)具有許多的優(yōu)點(diǎn)，如果能夠進(jìn)行更多的改進(jìn)，揚(yáng)長避短，相信隨著技術(shù)的進(jìn)步和材料的革新，轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)得到更加廣泛的應(yīng)用。完成這篇研究報(bào)告，短暫的工程概論課程就算結(jié)束了。在寫作這篇