榄心转子发动机的核心结构及特性

摘要：榄心转子发动机，具有燃油使用效率高、有效动力输出大、功重比高、工作密度高等特点。

关键词：榄心转子发动机;发动机的椭圆结构;一次转矩动能;活塞发动机;汪克尔发动机;发动机的特性及优势

中图分类号：U464.9                                      文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2021）07-0064-03

1  榄心转子发动机缸体曲线

①榄心转子发动机的径向曲线是发动机的核心结构，在形成的原理上，曲线可以多种多样，但从机构运动顺畅和机器零部件加工简易的角度来看，以选用四象对称的近似于椭圆的异园体的曲线较为适宜。

在实际的机构设置上，榄心两端与缸体密封接触，由于尖角设置方案不可采用，而采用两圆柱取代作为密封条，无论缸体曲线如何设置，都无法保证滚柱与缸体曲线的接触始终是在榄心旋转中心线上，这个中心线与缸体曲线的切角不会总是90度，它是在旋转运动中不停改变的。所以两个密封滚轴与榄心必须有相对移动的微小空间，才不会在旋转时产生机构咬合现象。这样一来，缸体曲线就没有必要完全按形成的原理设置，只要接近即可，其间的尺寸误差可由密封滚柱的微动弥补，形成密闭的工作缸体。

将榄心转子发动机的缸体曲线设置成椭圆，不但可行，同时发动机的设计研发及关键部件的加工制造会变得十分便捷。

②滑块轴的偏心取值。

榄心转子发动机是利用滑块轴偏离椭圆缸体中心，与转子配合获取气压偏心的变动压力力矩，最终通过滑块轴输出。滑块轴的偏心度直接影响了发动机转矩大小、燃油效率、最大旋转速度及发动机平面有关的零件尺寸。滑块轴在工作中将承受较大的压力，数量相当于排量相同活塞发动机曲轴一倍以上。综合考虑，偏心度以榄心转子最大旋转直径的10%较为适宜，这样不但可以保证滑块轴的轴径尺寸，同时兼顾转子侧面有一定的空间如汪克尔发动机一样，设置三四道密封环，也使得滑块有足够的长度尺寸，减少与转子间的转矩应力，延长发动机的使用寿命。

以上简述了榄心转子发动机的核心结构，与之相关的凸轮进排气机构及点火机构，原理与活塞发动机相似，不是本文重点，故这里不做论述说明。

榄心转子发动机结构如图1所示。

2  从发动机的每次燃爆做功角度入手

①那么这样的转子发动机有什么特性，或是说有什么优势呢？我们知道内燃机获取的转动能量都是由燃料燃爆所产生的高压气体通过一定的机构转换而成。活塞发动机是通过活塞连杆和曲轴的配合将燃爆气体产生的压力能量转换成转矩动能，而转子发动机则是通过自身的偏心机构把气体压力能量转换成转矩动能。这两种发动机所能够产生动力都是燃料多次连续燃爆产生高压气体组成的能量转换集合，那么对发动机每次爆压做功所能够获取的转矩动能进行研讨，就能从一个关键的角度，了解和解释各个发动机自身的重要特性。

②三种发动机的数学模型建立的基础。

这里建立了三个数学模型，分别是活塞发动机、榄心转子发动机和汪克尔发动机，分别分析计算各个发动机一次爆压所能够获取的转矩动能，以图形数据的形式列出，然后进行对比论述。数学模型是建立在如下前提上的，一是发动机的排量相同，都是单缸或单转子，排量0.5L;二是燃爆产生的最大压强相同，取值8Mp;三是发动机的关键结构尺寸经过了优化，接近实际，绝非刻意提取。

图2是0.5L活塞发动机一个爆压的转矩动能图，曲轴偏心50mm，横向坐标是曲轴转动的工作角度，竖向坐标是转矩，单位：Nm。

图3是0.5L榄心转子发动机一个爆压的转矩动能图，榄心转子最大直径180mm，转子宽度75mm，横向坐标是榄心转子转动的工作角度，竖向坐标是转矩，单位：Nm。

图4是0.5L汪克尔发动机一个爆压的转矩动能图，转子最大直径200mm，转子宽度57.8mm，横向坐标是转子转动的工作角度，竖向坐标是转矩，单位：Nm。

图2-图4中的S是转矩和工作角度构成的面积，表示发动机机构在一次最大爆压8Mp时能够获取的转矩动能。但它不是最终有效的输出的动能，必须依据一定的工作转速，减除去各自发动机机构的损耗，剩下的才是有效输出动能。它代表发动机能够在一个爆压下获得转矩动能总量的能力，这里给它定义一个名词，叫一次转矩动能。

还有一点要说明的是，8Mp的爆压数值，在本数学模型计算过程中只是起到一个系数值的作用，在相互对比求得比值后，这一数值会被约分除掉。所以无论取值如何，只要是不为零值，都不影响比值的结果。

③活塞发动机与汪克尔。

首先将比较活塞发动机和汪克尔发动机，图2和图4 中，在一次转矩动能上，活塞发动机比汪克尔发动机要强3.28倍，这一比值非常巨大，其中的差别是发动机在内的机构原理造成的。活塞发动机的工作转角是180度，汪克尔发动机为90度。汪克尔在转子工作90度后，缸体的体积到达最大点，如果此刻还不排气，爆压的气体就会做负功，这是一个影响因素。另外，由于受到机构原理的限制，汪克尔发动机能够设置的曲轴偏心度较小，直径为200mm的转子，曲轴的偏心只有不到15mm，导致其能够获取有效转矩的徑向尺寸过小，只有20mm左右，最大的有效受压面积不到活塞发动机的1/4，虽然它的转子工作转距半径比活塞发动机大上一倍，也改变不了最大转矩峰值只有活塞发动机一半的状况，对比值达到上述3.28比1就不奇怪了。

不过从发动机最终有效功量输出的角度来看，其中的差距就没有那么巨大。汪克尔是转子发动机，没有活塞机构往复直线运动这项功耗，有效输出率高达70%，而活塞发动机有效输出率一般在35%左右，在理想的状态下，有效输出的比值只有1.64倍的差距。

以上的对比可以看到，汪克尔发动机之所以淡出普通汽车市场，最主要的原因是它能够获取的一次转矩动能的能力过于底下。现实中，由于汪克尔发动还没有达到活塞发动机具有的压缩比数值，汽油燃爆速度慢，上述比值的差距更大，估计在5比1左右。平心而论，日本马自达公司已经将汪克儿发动机做得相当优秀，但在追求以燃油效率为主要指标的普通汽车市场中，汪克尔发动机总是那么的不适宜。

④重油活塞发动机。

这里提及一下重油活塞发动机，其实这款发动机的原理和汪克尔发动机基本原理相同，它变了个形状，缸体油8字形变为3瓣的梅花形，转子由三角变为8字形椭圆体，较为有效的解决了径向密封问题，缸体内的气体压缩比提高到13以上，配合其它重油雾化技术，达到能够使重油点燃燃爆的程度，燃爆气体的压强提高了许多，相当于汪克尔柴油机。这等于提高了汪克尔发动机的最大爆压值，那么他的一次转矩动能也会随之增大，所以它比汪克尔发动机有更大的研发价值。

重油活塞发动机的结构比汪克尔更加复杂，机构部件的加工难度加大，对材料性能的要求更高，其压缩比远没有达到重油压缩燃爆的程度，密封是否能长期有效还是个问题。它的优势和汪克尔一样，单转子每圈燃爆工作三次，做功密度高，功重比优势较为突出。

3  榄心转子发动机与活塞发动机的比较

3.1 下面将图3和图2比较

也就是榄心转子发动机比较活塞发动机。在获取一次转矩动能的能力上，两种发动机差别不大，比较功量数值，榄心转子发动机只多了5%。图3中的最大转矩峰值小于图2，但功量面积却大于图2，究其原因，主要是活塞在与曲轴工作转动到90度附近时，活塞下降速度最大，缸体气压下降较快，致使转矩也降低较大，故图2中，转矩值从高到低的变化中出现向内凹陷较多的现象，最终的功量面积略小。

转子发动机在低速工作时，一次转矩动能的有效输出率与活塞发动机没有多大的差别，但在中速尤其是高速时的差距就很大了，有近一倍以上的优势。原因很简单，转子发动机没有或少有活塞机构往返直线运动的机构功耗，这项功耗幾乎等同和大于活塞发动机的有效输出功率。可以说转子发动机的优势就是能够赚取活塞发动机这一功耗，使之转变为有效的输出动能。

3.2 活塞机构的功耗

那么活塞机构往复直线运动的功耗究竟有多大呢？当然这不是一个定数，它的大小与活塞机构的质量与最高运动速度有关，进而与曲轴的曲率半径和发动机曲轴工作的转速有关。

中国北方发动机研究所（天津）的一项实验结果表明：往复式发动机机械损失比例，其中活塞连杆组件的机械损失，所占比例最大，活塞平均速度为11.7m/s时，所占损失比例大65.5%。这是实验的结论，但比较笼统，它把摩擦损失也一并计算，而没有将其有效分离。

3.3 活塞机构功耗公式的推断

这里换一个方式来说明。

试想一个有一定质量的固体在太空中往复直线运动所需的能量。任何物体要增加一个速度，需要对它作用或说消耗W=1/2mV2的能量，而要将它停下来，同样要消耗相等的能量，然后再将它相反的方向增加到相同的速度，再要其停止，这样一个来回就需要消耗4倍于上述W的能量。这等同于活塞机构随曲轴转动一圈的状况。故活塞机构在曲轴旋转一圈的功耗W=2mV2，这个功耗乘以发动机的转速就是需要消耗的功率了。

曲轴从上始点转动到90度和270度时，曲轴旋转运动方向与活塞的方向相同，活塞运动速度达到最大且等于曲轴的旋转速度。由此可推算出活塞机构的耗能功率公式N=2m（2π*r*n）2*n。公式中，N的单位：瓦;m是活塞机构的质量，单位：kg;r是曲轴的曲率半径，单位：米;n是曲轴转速，单位：转/秒。由公式可知，功耗与活塞机构的质量大小成正比、与曲轴的曲率半径的平方成正比、与曲轴的转动速度的立方正比。

假设曲轴曲率半径是0.05米、转速50转/秒（3000rmp），这时候每1kg的活塞机构能耗就达到24.674千瓦。活塞机构的质量包括活塞、密封圈、连杆销、连杆销固定环、连杆小头及部分连杆的质量总和。所以排量较大的活塞发动机的一般做法是通过增加缸体数量来增大排量，以减少活塞机构质量因素的影响。由此可以理解柴油机不能高速运转的机理，活塞发动机这项固有的能耗制约了它燃油效率的提高，45%的燃油效率几乎就是活塞发动机的极限。

活塞机构的耗能是活塞发动机固有的特性，时至今日，经过百年的研发改进，这项功耗已经被优化接近最低点，活塞发动机的各项工技术十分成熟，西方许多著名的公司停止对活塞发动机的研发投入就很正常了。

4  两种机构的特性缺陷

活塞发动机中活塞机构耗能的特性和汪克尔发动机一次转矩动能效益的底下，都是发动机机构原理所造成的，缺陷与生俱来，各种相关的研发可以对其改进，但是却无法克服。

5  榄心转子发动机的优势

5.1 两方面的优势

榄心转子发动机相兼活塞发动机一次转矩动能获取较高的优势，也相兼了汪克尔一次转矩动能有效输出效率较高的优势，而相对消除两种发动机关键的不足，因而具有超高的燃油效率，这也就是其自有的特性和优势。

5.2 双面燃爆工作

作为一种新型的内燃机，可以做到转子的双面燃爆工作，也就是单转子连续两次压缩，两次连续燃爆做功，进一步的提高发动机工作效能，相对于活塞发动机可以做到一升的排量、两升的油耗、四升的输出动力。

5.3 结论

从燃油效率和功重比的角度来看，榄心转子发动机都有更大的机构优势和更广大的研发空间，它使用氢燃料、工业酒精、液化汽等较低的燃爆压力的环保燃料做动力源，同样能够有较高的动力输出，而且其制造工艺并不复杂，故具有更高的实用价值。

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