什么!这就是马自达宁愿破产也要研发的转子发动机?|80说

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什么!这就是马自达宁愿破产也要研发的转子发动机?|80说

  • 天津视窗 来源:未知 2018-07-10
  •  马自达转子引擎作为汪克尔引擎(Wankel engine)的遗孤,被无数汽车迷津津乐道。有钱了研究转子,没钱了卖两年车又来研究转子,虽然这是调侃,但这般执着却真感染了不少人。

    相比以发明者名称命名的叫法,转子引擎(Rotary Engine)更能突显转子在这种引擎中起到的重要作用。常规发动机工作时活塞在气缸里做往复直线运动,为了把活塞的直线运动转化为旋转运动,必须使用曲柄滑块机构,这无疑增加了发动机的复杂性。

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    转子发动机则不同,连接在转子上的输出轴会随着转子本身的转动一起转动。取消了无用的直线运动带来的好处有很多,以双缸汽油转子发动机为例,相比同等功率的6缸汽油传统发动机,它的零件总数约少20%,体积约小30%,自重降低近一半。

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    既然转子如此重要,它的设计自然备受瞩目,那为什么莱洛三角形最终被选中呢?这一切还得从莱洛三角形的特性说起。

    一、什么是莱洛三角形

    莱洛三角形是除了圆形以外,最简单易懂的勒洛多边形,一个定宽曲线。定宽性用下图来解释最直接,我们会发现圆形旋转一定角度后,它依然能与上下两条线相切,也就是说它的宽度不会发生变化。

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    与圆形一样,莱洛三角形也能达到这个效果。

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    关于莱洛三角形的奥妙,有这么一个段子:

    青年问禅师:“大师,在单位,他们总嫌我棱角太突出,不合群!”禅师掏出数根圆柱铺在地上,在上面搁了一块木板,并推动它,说:“你看,轮子合作一致才能保持所承载木板的平稳前进,你能找到棱角突出的形状也让木板平稳前进吗?”青年略一沉吟,默默地掏出一把莱洛三角形。

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    关于定宽性的好处,最经典的例子就是窨井盖设计了。出于安全考虑,我们希望不论怎么放(任何方向、任何角度),井盖都不会掉入下水道中。如果想象力不够,我们用正方形举例,比如当我们把正方形的井盖立起来,它就很容易掉入下水道里,所以井盖不能是正方形。

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    但莱洛三角形则不会发生这种情况,因为不论怎么旋转,它的宽度是不会发生变化的。正因此,莱洛三角形可以被用来钻正方形孔,简直是突破想象力。

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    了解了定宽性的特点,它对应到转子发动机上就是,这能保证转子始终能紧贴正方形内壁运动,因此不会出现漏气的问题。

    误打误撞的不完美

    既然莱洛三角形也能起到和圆形类似的效果,那按理说它也能被用来设计窨井盖,但事实上我们很少能见到类似的实物。

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    其中一个原因是莱洛三角形在运动过程中重心不稳,比如下图这种,在运动过程中它的重心会像波浪一样起伏。

    一般窨井盖都会很重,而且时有开启井盖下井工作的需求,所以除了安全安装要求外,它还要方便移动,因此莱洛三角形重心不稳的问题被暴露出来。

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    ▲当然这也和莱洛三角形的制造工艺要比圆形复杂有关。

    虽然重心不稳的问题制约了莱洛三角形的普及,但波动的重心正好像摇动的手柄一样,可以将保证转子在平面旋转运动的能量直接传递到输出轴上。

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    也有完美的圆形做不了的事

    我们总喜欢用圆满来形容一件事很完美,虽然具体原因无从考证,但人类确实天生对圆形的东西充满了喜爱和认同,比如中秋十五月圆时要全家团圆,从唐朝开始要吃代表团圆的月饼。

    由于圆形天然的密闭性,而且并不存在像正方形拐角处那样,有容易堆积残渣的地方,因此将它用到发动机上是再合适不过的,所以我们会发现汽缸是圆的、活塞是圆的、气门也是圆的......

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    但这并不代表圆形能够在所有场合替代莱洛三角形,事实上正是因为圆形的完美阻碍了它与转子结缘。我们知道转子发动机与传统发动机一大不同在于转子是平面运动,而活塞则上下往复运动。

    在平面运动中,我们既要通过转子运动带动输出轴运动,又要保证有空间进行进气、压缩、作功和排气的过程。圆形由于太过圆满,一来气流很难产生推力使其旋转,再者它不能实现诸如莱洛三角形那样,既能时刻紧贴内部又能留足空间给燃气。

    但莱洛三角形就不一样了,正是巧妙地运用了平面上旋转时的“漏洞”,这一切才得以运转起来。下图介绍了转子发动机从吸气到排气的过程,可以看到燃气正是在“漏洞”处实现了燃烧、排气等过程。

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    ▲虽然形状比较特殊但转子发动机本质上依然是4冲程发动机,而且4个冲程的定义与活塞发动机是相同的。

    可以看到莱洛三角形转子把汽缸分成三个独立空间,三个空间各自先后完成进气、压缩、做功和排气,三角转子自转一周,发动机点火做功三次,要知道四冲程发动机的曲轴每转两周发动机才做一次功。

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    另外,输出轴的转速会是转子自转速度的3倍,这与往复运动式发动机的活塞与曲轴1:1的配比优势要明显得多。这也是为什么转子发动机很容易做到万转的原因之一,比如NSU试制的DKM原型机最高转速竟然达到了17000rpm。

    成也萧何败也萧何

    由于莱洛三角形转子的设定,发动机的进气、压缩、燃烧和排气四个过程会在摆线形缸体中的不同位置进行,这带来的好处是能够较好的控制各个过程的时机,但由于燃烧不充分,导致耗油量很大。

    另外,莱洛三角形转子尖角长时间与内壁接触,磨损现象比较严重,密封性受到了极大的考验,这也是影响其寿命的主要原因之一。

    为了解决这个问题,LiquidPiston发动机就采用了特殊设计的类椭圆转子,但这却大大增加了转子发动机的复杂性,无疑是自废武功。

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    事实上在1961年汪克尔本人所著“旋转活塞式机械”的技术手册里,列出了大量他本人计算或实验可行的转子系统。但在考量加工难度,旋转稳定性和效率之后,2-3方案正式成为早期汪克尔引擎的正式选型。

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    798小结:

    不得不说小而美的设计真的很容易打动到大家,莱洛三角形之于转子发动机就是这样的存在。虽然在机械工程领域,它的作用和使用率远不及圆形,但恰到好处的美妙真能让人心潮澎湃。

    当然由于转子尖角易磨损的问题,严重降低了使用寿命,但综合考量加工难度、旋转稳定性和效率之后,它又是最理想的一种设计。

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