转子发动机工作原理

转子发动机和您汽车中的发动机一样，是一种内燃发动机，但其工作方式却与传统的活塞式发动机完全不同。

在活塞式发动机中，同一空间内（气缸）要交替完成四项不同的作业——进气、压缩、燃烧和排气。 转子发动机同样也要完成这四项作业，但是每项作业是在各自的壳体中完成的。 这就好像每项作业有一个专用气缸，活塞连续地从一个气缸移至下一个气缸。

转子发动机是由费利克斯·汪克尔博士发明的，因此有时也称为汪克尔发动机或汪克尔转子发动机。

在本文中，我们将了解转子发动机的工作原理。 首先从其基本工作原理谈起。

与活塞式发动机一样，转子发动机也是利用空气、燃油混合气燃烧产生的压力。 在活塞式发动机中，该压力保存在气缸中，驱使活塞运动。 连杆和曲轴将活塞的来回运动转换为为汽车提供动力的旋转运动。

在转子发动机中，燃烧产生的压力保存在壳体和三角形转子（在该发动机中用来代替活塞）构成的密封室中。

马自达RX-7中的转子发动机的转子和壳体：这些零件取代了活塞式发动机中的活塞、气缸、气门、连杆和凸轮轴。

转子的行进路径与呼吸测量仪产生的轨迹类似。 转子的顶点与壳体接触，从而形成三个独立的气室。 转子不停地围绕燃烧室运动，三种体积的气体交替膨胀和收缩。 正是这种膨胀和收缩将空气和燃料吸入发动机，然后对此混合气体进行压缩，并在气体膨胀时生成有用的动力，最后排出废气。

下面我们将深入转子发动机内部，了解其各个零件。首先我们来看一种装备了新型转子发动机的新车型。

马自达RX-8
马自达一直是使用转子发动机的量产车研发先锋。 于1978年投放市场的RX-7大概是最成功的转子发动机动力汽车。 但在它之前已经出现了一系列转子发动机轿车、卡车甚至公共汽车，1967年的Cosmo Sport是最早的一款。RX-7于1995退出美国市场，但转子发动机在不久的将来必将重返市场。

马自达RX-8是马自达公司推出的一款新型轿车，它装配有RENESIS新型转子发动机。 该发动机曾获2003年国际最佳发动机奖。它是一种自然吸气式双转子发动机，可产生约250马力的强大动力。

零件
转子发动机具有与活塞式发动机类似的点火系统和燃油供给系统。 如果您从未见过转子发动机的内部结构，那么您将会感到很惊讶，因为很多零件您都不认识。

转子
转子有三个凸面，每个凸面相当于一个活塞。 转子的每个凸面都有一个凹陷，用于增加发动机的排气量，容纳更多空气、燃油混合气。

每个凸面的顶点是一个金属刀片，它形成对燃烧室的外部密封。 转子的每侧有金属环，用于密封燃烧室的两侧。

转子有一组内部轮齿，位于其中一个侧面的中心。 它们与固定到壳体的齿轮相啮合。 这种啮合决定了转子在壳体内运动的路径和方向。

壳体
壳体大致呈椭圆形（实际上是一个外旋轮线——请查看此Java演示，了解该形状是如何导出的）。 之所以设计成这样，目的在于使转子各顶点能够始终与室壁接触，从而形成三个独立的密封气室。

壳体的每一部分都专用于燃烧过程的一部分。 燃烧过程的四部分包括：

进、排气口位于壳体中。它们没有气门。 排气口直接连接到排气装置，进气口直接连接到节气门。

输出轴
输出轴有一些离心式圆形凸轴，也就是说，它们偏离了轴的中心线。 一个转子与一个凸轴相合。 这些凸轴的作用类似于活塞式发动机中的曲轴。 当转子沿其路径在壳体内转动时，会推动这些凸轴。 由于凸轴是以离心方式安装在输出轴上的，因此转子施加给凸轴的力在输出轴中产生力矩，从而使输出轴旋转。

输出轴（注意偏心凸轴。）

下面，我们来看看这些零件是如何装配在一起并产生动力的。

转子发动机是分层装配的。 双转子发动机主要包含五层，它们由一圈长螺栓压在一起。 冷却液从围绕该分层部件的管道中流过。

两端的分层部件包含密封件和输出轴轴承。 它们还将包含转子的两个壳体部分密封在内。 这些分层部件的内表面非常光滑，从而使转子上的密封件能很好地发挥作用。 进气口分别位于两端分层部件上。

双转子汪克尔发动机的一个端部分层部件

由外向内第二层是椭圆形的转子壳体，它包含排气口。 这是包含转子的壳体部分。

包含转子的转子壳体部分（注意排气口的位置）

中间一层部件包含两个进气口，分别用于两个转子。 它还用于将两个转子分开，因此其外表面非常光滑。

中间层部件包含每个转子的另一个进气口

转子的中心是一个较大的内部齿轮，它与一个固定在发动机壳体上的小齿轮相啮合。 这决定了转子的运行轨迹。 转子还与输出轴上的大圆凸轴相啮合。

接下来，我们来看看这种发动机是如何产生动力的。

转子发动机采用四冲程燃烧循环，这与活塞式发动机环相同。 但在转子发动机中，它是以一种完全不同的方式完成的。

转子发动机的核心是转子。 它相当于活塞式发动机中的活塞。 转子安装在输出轴上的大圆凸轴上。 此凸轴偏离轴中心线，其作用相当于绞盘上的曲轴，为转子提供驱动输出轴所需的杠杆。 当转子在壳体内转动时，会推动凸轴旋转；转子每转一周，凸轴会旋转三周。

当转子在壳体内运动时，由转子构成的三个缸室的体积将发生变化。 这种变化会产生一种泵作用。 让我们看看转子的一个面经历的四个发动机冲程。

进气
循环进气阶段从转子顶点经过进气口时开始。 在进气口接通缸室的那一刻，缸室的体积接近其最小值。 当转子转过进气口时，缸室的体积将增大，从而将空气、燃油混合气吸入缸室。

当缸室的顶点经过进气口时，该缸室即被密封，然后并开始压缩。

压缩
当转子继续在壳体内运动时，缸室的体积会变得更小，进而压缩空气、燃油混合气。 当转子的面转到火花塞处时，缸室的体积再次接近最小。 这是燃烧的起点。

燃烧
多数转子发动机有两个火花塞， 燃烧室比较狭长。如果只有一个火花塞，火焰的蔓延速度会很慢。 当火花塞点燃空气、燃油混合气时，会迅速产生压力，驱动转子运动。

燃烧的压力会驱动转子沿着缸室体积增大的方向移动。 燃烧气体继续膨胀，推动转子并产生动力，直至转子的顶点再次经过排气口。

排气
当转子的顶点经过排气口时，高压燃烧气体会释放到排气装置中。 当转子继续运动时，缸室开始压缩，迫使剩余废气排出。 当缸室体积接近最小时，转子的顶点将经过进气口，整个循环再次开始。

转子发动机的一个亮点是，转子的三个面始终作用于循环的某部分——在转子转满一周时，将有三个燃烧冲程。 但是请注意，转子每转一周时，输出轴将旋转三周，这意味着针对输出轴的每次旋转都有一个燃烧冲程。

与传统的活塞式发动机相比，转子发动机有以下几个突出优点。

运动零件更少
与四冲程活塞式发动机相比，转子发动机的运动零件要少得多。 双转子发动机主要有三个运动零件： 两个转子和一个输出轴。 即使最简单的四缸活塞式发动机也至少有40个运动零件，包括活塞、连杆、凸轮轴、气门、气门弹簧、摇臂、正时皮带、正时齿轮和曲轴等。

运动零件的减少意味着转子发动机的可靠性更高。 这就是为什么某些飞机制造商（包括空中客车在内）倾向于使用转子发动机而非活塞式发动机的原因。

更顺畅
转子发动机中所有零件均沿一个方向持续旋转，不需要像传统发动机中的活塞那样剧烈地变换方向。通过利用定向旋转配重物来消除震动，转子发动机实现了内部平衡。

转子发动机中的动力输出也非常顺畅。 因为每次燃烧可使转子旋转90度，并且转子每旋转一周，输出轴将旋转三周，所以每次燃烧可使输出轴旋转270度。 这意味着单转子发动机的一次燃烧可为每个输出轴四分之三的旋转提供动力。而单缸活塞式发动机完成一次燃烧需要曲轴（活塞式发动机的输出轴）旋转两周，且燃烧使曲轴旋转180度；也就是说，曲轴每次旋转只有四分之一能获得动力。

更缓慢
由于转子的旋转速度是输出轴的三分之一，因而发动机的主要运动零件的运动速度比活塞式发动机要慢得多。 这也有利于提高可靠性。

挑战
转子发动机的设计面临以下一些挑战：

• 通常，使转子发动机满足美国的排放标准要困难一些（但并非不可能）。
• 制造成本更高，主要是因为其生产数量不像活塞式发动机那么多。
• 通常比活塞式发动机更耗油，因为狭长的燃烧室和较低的压缩比会降低热动力效率。

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