旋轉活塞式發動機

從18世紀70年代以來，各國的設計師和發明家研究設計出了各種各樣的旋轉活塞式機械，但多使用於鼓風機、壓氣機、蒸汽機等機器，直到1954年初，根據德國科學家費·汪克爾（Felix Wankel）的設計，經過三年的試驗，終於在1957年2月1日，由德國AUDI-NCU0公司生產出了第一台單純旋轉型三角活塞旋轉式發動機，命名為KKM125型，其排量為125毫升，在10000轉/分時發出功率21kw（合28.6馬力）。60年代初又研製出了行星旋轉式發動機，命名為KKM512型，在6000轉/分時發出功率80.85kw（合110馬力）。NCU公司將這些發動機分別安裝在士波德（SPIDER）轎車和“RO-80”型的各式轎車上，這種新型汽車發動機的產生在世界汽車製造業中引起了巨大的震動。隨後，美國的萊諾汽車公司，日本的五十鈴公司，德國的戴姆勒—奔馳公司、英國的波金斯公司、法國的西託安公司等汽車生產廠家相繼投入了巨大的人力和物力，對旋轉活塞發動機進行了進一步的研製和開發。 ^[1] 

圖2為旋轉活塞式發動機的基本組成。缸體內壁有 "8"字形的特定氣缸型面，兩側用端蓋封閉，缸體和端蓋均為固定件。在氣缸內裝有弧邊三角形旋轉活塞。發動機主軸（輸出軸）由軸承支承在缸體上。外齒小齒輪與主軸同心，固定在端蓋上。在主軸的偏心軸頸上通過軸承套裝着旋轉活塞。旋轉活塞的另端固定有同心的內齒大齒輪。

發動機運轉時，外齒的小齒輪不動，活塞上的內齒大齒輪繞外齒小齒輪齧合旋轉作行星運動。旋轉活塞繞偏心軸頸的軸線自轉，偏心軸頸又繞主軸軸線公轉。內齒大齒輪與外齒小齒輪的齒數比為3：2，故活塞的自轉速 度與公轉速度之比為1：3，即主軸的轉速為活塞繞偏心軸頸的轉速的3倍。 ^[1] 

三角旋轉式發動機的工作原理如下：

當三角形活塞按順時針方向轉動時，a、b腔排氣，b、c腔吸氣，c、a腔壓縮吸進的空氣和油的混合物到上止點（空間最小處），並由前火花塞點火使被壓縮的可燃氣體燃燒，隨後由後火花塞繼續點火，使可燃氣體繼續充分燃燒，高温高壓氣體推動三角活塞旋轉，並通過輸出軸輸出機械能。

a、b腔繼續排氣，b、c腔吸氣至下止點（空間最大處）c、a腔膨脹。

a、b腔排氣至上止點，進排氣重選，b、c腔開始壓縮，c、a腔繼續膨脹。

a、b腔吸氣，b、c腔繼續壓縮，c、a腔膨脹至下止點，同時開始排氣，如此循環下去。

以上是三角旋轉式發動機的基本工作原理中的一個工作循環。從以上工作循環可以看出，三角旋轉式發動機，在培養學生創新思維能力方面具有很強的指導作用，三角旋轉式發動機在結構創新方面具有獨到之處，但它仍然具備一般活塞式發動機的許多基本特點，如：吸氣、壓縮、做功、排氣這幾個衝程，只不過是用另一種方式來完成而已。 ^[2] 

1、轉子發動機工作效率高

旋轉活塞式發動機的轉子每轉一圈，完成三個工作循環，產生三次動力，作三次功；而往復式四衝程發動機的曲軸需要旋轉兩圈才完成一個工作循環，產生一個動力，作一次功。顯而易見，轉子發動機的工作效率是比較高的。

2、轉子發動機的結構簡單

轉子發動機轉子的轉動是靠轉子偏心軸直接帶動的，充氣循環是由轉子本身和外殼上的簡單氣口來控制的，沒有進、排氣閥裝置。轉子發動機與往復式發動機相比較，減少了曲柄—連桿機構和配氣結構，沒有笨重的曲柄連桿和平衡重，沒有凸輪軸、搖臂、氣門、氣門導杆和氣門座等零部件，結構簡單（這也是提高轉速，降低內耗，減輕震動的主要條件），造價低廉。輸出功率相同的RC2—60— U5轉子發動機（美國）與V8往復式發動機（美國）相比，前者的零部件數量為80餘件，後者的零部件數量則達400多件，除此之外，前者的體積和重量也遠比後者要小得多。

3、轉子發動機工作平穩性好

發動機轉子支持在轉子偏心軸（輸出軸）上，用一對內部齒輪裝置來保證轉子作正確的運動，三角轉子繞其自身中心轉動的同時還繞轉子偏心軸旋轉，速比為1∶3，當轉子轉一圈時，轉子軸轉動三圈，而轉子軸每轉一圈都有一次做功過程，功率輸出比較連續。另外，轉子發動機的工作循環僅需要一次推動扭矩，所以扭矩曲線要比往復式發動機均勻得多，工作平穩性好，功率損失相應較少。由於轉子均做等角速旋轉，沒有往復運動的質量影響，減少了慣性力的衝擊和震動，減輕了軸承的負荷，延長了軸承的壽命，如果採用多個轉子組合時，可達到完全的機械平衡，運轉的平穩程度還可進一步提高。

4、轉子發動機的轉速高

往復式四衝程發動機的進氣、壓縮、燃燒、排氣基本上是在活塞運動的四個行程中完成的，這種充氣循環的間斷性，也是約束往復式發動機提高轉速的原因之一，轉子發動機的空氣燃料混合氣是在近似於橢圓形的行程上流動，並不對實際燃燒過程甚至發動機的轉速有任何限制，所以可獲得很高的氣體速度和發動機的轉速頻率。

綜上所述，轉子發動機具有體積小、重量輕、結構簡單、運轉平穩和機器壽命長等優點。隨着現代高科技（像燃料噴射、電子點火等技術）的開發與應用，轉子發動機的設計越來越趨於完善，發展前景越來越樂觀。 ^[1] 

三角轉子發動機也有它本身的弱點。由於其氣缸密封線比往復機長，因此發動機在低速運轉時的氣體泄漏就高於往復機；加之，旋轉活塞式發動機的燃燒室狹長，面容比大，相應旋轉活塞式發動機的低速動力性能和燃料經濟性也低於往復機（旋轉活塞式發動機的高速動力性優於往復機）。隨着轉子發動機的結構設計、工藝、材料的不斷改進和提高，特別是採用了分層燃燒技術以後，其差距正在逐步縮小，其燃料經濟性已可以與先進的汽油往復機相媲美。另外，隨着不斷地強化試驗和改進，其使用壽命正在日益接近往復機的水平。

轉子發動機的缺點是不容忽視的，人們正在以不斷的努力加以改進和克服。然而，旋轉活塞式發動機的優點則更為突出，試以雙缸汽油轉子發動機為例，與一般同功率指標先進的6-8缸汽油往復機相比，它的自重僅為往復機的50-70%，體積約小30-50%，發動機零件總數約少20-40%，運動件數少40-60%，在生產批量相等的情況下，旋轉活塞式發動機的生產成本約為同功率往復機的80%。在實際使用中表明，轉子發動機還以運轉平穩、振動小、噪音小、高速性能好、易於系列化等技術特點優於往復活塞式發動機。這就是為什麼旋轉活塞式發動機能夠得到不斷髮展的根本原因。 ^[1]