三角活塞发动机

大洪

[摘要]本文主要介绍三角活塞旋转发动机的概念，发展简史和现状，并对其基本结构和基本工作原理作了简单介绍，并讨论了该种发动机气缸型线的创成方法，本文还将三角活塞发动机和传统往复活塞式发动机在一些简单方面作了简要比较，并评价优劣。

关键词：旋转发动机，气缸型线

[Abstract]In this text we mainly introduce the concept of the triangle piston rotary engine and its brief developing history and what about it now. Then we will have a brief introduction of its basic framework and its basic principal of work. We also have the cylinder type line of this kind of engine discussed. In the terms of the compare of the conventional piston engine and the rotary engine, we both show their bad points and good points.

Key words: Rotary engine; Cylinder type line

1840年工业革命给人类社会各方面带来了飞速发展，其中以蒸汽机为标志，开创了人类机械生产的先河，由机械力代替人力，促使生产力大大的提高，推动人类文明发展。蒸汽机又称为外燃机，而与之对应的称为内燃机。蒸汽机因其过低的热效率，在机械行业中使用有局限性，而内燃机的发明，弥补了蒸汽机的一些不足，最显著的优点就是：较高的热效率和工作稳定性及可靠性，内燃机早期应用较广。到了近代，内燃机主要应用于交通工具，但是随着对内燃机的应用越来越广，对其的研究越来越深入，传统的往复活塞式内燃机的许多缺点开始暴露出来，随着人们生活水平的提高和科学技术的发展，传统的往复活塞式内燃机已不能满足某些领域的要求，此时三角活塞式发动机应运而生，它的一些突出优点，使其在某些领域能代替传统往复活塞式发动机。下面就三角活塞式发动机的一些基本结构、基本原理以及和传统往复活塞式发动机的比较作简单介绍。

一、三角活塞发动机简介及其发展简史

1.         什么是三角活塞发动机

三角活塞发动机又称为米勒循环发动机，全称三角活塞转子发动机，由德国人非加尔.汪克尔发明 。其基本原理是由转子的旋转运动代替往复活塞式发动机连杆—曲柄的直线运动 ，由偏心轴直接输出动力。

2.三角活塞发动机发展简史

三角活塞发动机由德国人非加尔.汪克尔于20世纪60年代初发明 ，并首次运用于小跑车，其研发大致可分为四个阶段：第一阶段,1954年前，主要寻找一种简易、可靠的基本结构和密封装置；第二阶段，1954年~1962年，重点放在了对样机的试验，并通过试验对结构、密封装置的可靠性与一系列技术指标注入结构参数、密封性、燃烧、进排气、冷却与润滑进行评估;第三阶段，1962年~1965年，结构细节的对比试验和改进阶段，着重研究耐久性问题，特别是缸体与密封片的耐磨性；第四阶段,1965年后，火花塞点燃式三角活塞汽油机产品定型并开始正式投入使用。

3..旋转发动机分类

旋转式发动机按其运动方式可大致分为三类：

（1）均速型旋转发动机：

旋转活塞绕固定中心以恒定的速度旋转，其中较典型的是刮片式，如图1，由于刮片工作条件恶劣，且易变形，故其密封性能很难保证。

（2）.差速型旋转发动机

旋转活塞饶其轴心以变动的角速度旋转，两个活塞的“追追离离”运动状态形成了工作容积的变化，从而实现做功。如图2，而活塞的相对运动通常是由特定的连杆机构或凸轮机构来实现的。


（3）.行星型旋转发动机

   活塞于气缸内不但绕固定轴公转，还饶自身中心自传，因此活塞的行星运动造成工作容积的变化，从而实现工作循环。为使活塞运动不受缸体干扰并保持与缸体接触，以保证不间断的密封，需特殊的气缸型线、特殊的缸体型线和特定传动比的齿轮机构，目前主要的齿轮传动比有3：4和2：3两种，其中应用较广的和最常用的是2：3这种，最常用的气缸型线和活塞型线为内外旋轮线和内外包络线。

二、三角活塞发动机工作原理：

1.三角活塞发动机也是一种将燃料的内能转化为机械能的热机装置，其转化效率也受诸多因素影响，如：发动机结构，发动机制造工艺等。


2.工作过程（和往复活塞式发动机相对照）

和往复活塞式发动机工作过程一样，三角活塞发动机工作循环也分为：进气、压缩、膨胀做功及排气四个过程，以图3中AB弧段为例，说明其工作过程：

其中Ⅰ—进气行程；Ⅱ—压缩行程；Ⅲ­—做功行程；Ⅳ—排气行程。

由AB弧段看出：由于三角活塞的行星运动，使AB弧段与缸体之间的容积循环变化，从而实现吸气、压缩、做功、排气这四个过程。以三角活塞的其他两个弧段来分析，可得到相同的结论，所以，每当活塞自传一周，偏心轴即转了三周，三个工作腔各完成了一个四行程工作循环。每个行程对应的偏心轴转角为 。

三.三角活塞发动机和往复活塞式发动机的比较

1.热效率：往复活塞式发动机热效率较高。

2.耐久性、工作可靠性和加速性：往复活塞式发动机这三方面的性能都较优越。

3.往复活塞式发动机功率覆盖范围广，一般为1KW~40，000KW。

4.往复活塞式发动机结构复杂、零件数量、种类较多，且由曲柄连杆机构产生的往复惯性力难以平衡；三角活塞发动机结构简单，且不存在往复惯性力，其材料无需特殊贵重且制造工艺简便。

5.三角活塞发动机比重量小、体积小、升功率高，且对燃油质量不敏感，相同情况下可使用辛烷值较低的汽油。

6.三角活塞发动机工作冲程长，且扭矩均匀性好，运转平稳，两缸的三角活塞发动机与六缸往复式相当。

7.三角活塞发动机高速性能好，但低速性欠佳，且功率的提高主要靠转速提高来实现，故输出扭矩较低。

总的来说，三焦活塞发动机的最大优点在于消除了传统往复活塞式发动机所存在的往复惯性力，且运转平稳，但其在工作可靠性和耐久性方面欠佳，且大排量、大功率三角活塞发动机还在初始研发阶段，现阶段该种内燃机主要用于轻型机械及功率要求不高的轻型飞机和跑车上，有待进一步研发。

四.三角活塞发动机基本结构

1.缸体：由于三角活塞发动机三角活塞和缸体之间的特殊运动关系，要求气缸具有特殊的型线，其中最常用的一种型线为：双弧长短幅外旋轮线，下面介绍其创成法：

（1）理论型线：

A、固定圆与滚动圆内切创成的外旋轮线：
目前该种气缸型线的创成法最常用。具体方法是：由一个半径为r的动圆（R）沿着一个半径k(r>k)并与之内切的固定圆（K）滚动时，与动圆（R）一起滚动的某一点P所形成的轨迹，如图4

当固定圆和动圆半径之比满足关系 （其中m为整数）时。曲线封闭，通常取m=3。其中，动圆中心和P点的距离R称为气缸型线的创成半径。

记：α—偏心距与X轴之间的夹角，

β—创成半径与X轴之间的夹角。

由图4几何关系可以看出：eα=rβ,则 ，又因 ，故 ，即
则气缸型线方程在以固定圆（K）圆心为坐标原点的直角坐标系可表示为：


若令 ，K称为气缸型线的形状系数，则气缸型线方程可表示为：


当 时，气缸两端距离最大，称为长轴，记为：
当 时，气缸两端距离最小，称为端轴，记为：
由于曲率半径随α的变化而变化，在短轴方向上为使型线不出现内凹尖点而影响活塞运动，应满足： ，故当 时，才能作气缸型线

B、固定圆与滚动圆外切创成的外旋轮线

用该种方法创成的气缸型线由于传递动力的齿轮难以布置，并无作气缸型线的使用价值，但在气缸型线加工和检验过程中可提供参考。其具体方法是：

半径为r的动圆（R）与一半径为k的固定圆（K）外切滚动获得，当r<k时，与动圆一起滚动的某一点P所形成的运动轨迹也是外旋轮线，如图5：

若 ，m为整数时，P点轨迹封闭。

如图5，P点和动圆（R）圆心连心称为偏心距e，

记：α—动圆圆心和固定圆圆心连线与X轴的夹角

θ—P点与动圆圆心连线和动圆圆心与固定圆圆心连线之间的夹角。

由图5所示几何关系可得 ，即 。

则气缸型线方程可表示为：


若记： ,  m=2, Ψ=3α， 则该方程可改写为 ：




与内切创成的气缸型线方程相比，其形式完全一样。

（1） 实际气缸型线：

由于发动机活塞三个顶端都装有密封片，为保证良好的密封性和减少磨损，密封片前端有半径r=a的圆弧，因此，实际气缸型线应在理论型线基础上扩大和修正，以保证径向密封片无径向运动。同时实际型线应满足如下要求：

①实际气缸型线是理论气缸型线的等距线，且距离为a，即理论气缸型线上各点沿各点法线方向外移一段长为a的距离；

②实际的和理论的气缸型线各点应有对应公法线，且曲率半径相差为a；

③ 两种气缸型线长短轴均相差2a

修正后实际气缸型线方程为：


2.三角活塞：

三角活塞的周面和气缸型线共同构成了工作腔，在活塞周面部开有狭长的凹坑，根据燃烧理论和对火焰传播速度的分析，凹坑设计成狭长型是合理的 ，且对燃烧是有利的 ，但正因为有凹坑的存在 ，使得发动机实际压缩比与理论压缩比相比略小，略微影响发动机动力性和燃油经济性。由有关数学理论可知，活塞周面曲线应为理论气缸型线的包络线，其创成方法为：

（1）按理论气缸型线确定的活塞周面

将原来的动圆（R）固定，并与坐标系 -XY固联，让原来的固定圆（K）带着气缸型线和坐标系 -XY一起沿圆（R）滚动，如图6，当圆 绕圆 转动β角时，各几何元素的关系，其中 X轴和 X轴夹角为τ，由几何关系：  当m=3时，

弧段 IA=IB，
故 ， ，则理论气缸型线方程可改写成相对于固定坐标系 -XY的形式：


对于每一个 值有一条曲线与之对应，当 遍取 每个值后，所有曲线的包络线就是活塞的周面曲线，如图7：

（2） 按实际气缸型线确定的活塞周面曲线：

   用同样方法可得到有实       际气缸型线确定的活塞周面曲线，此处不再赘述。

由于上述两种方法得到的三角活塞周面曲线形状都较复杂，不便于加工，且制造成本高，故有下面这种具有实际意义和商用价值的活塞周面曲线：

（3） 用圆弧替代三角活塞的周面曲线：

   如图8：

  当压缩比不大时，可用通过A、C、B三点的圆弧来代替活塞周面曲线。

  圆弧半径 可由A、B、C三点坐标求得，由图8所示几何关系有：

  ，  ，
由勾股定理：   则：  
其所对圆心角为：
则：
对于实际气缸型线的活塞周面曲线，用 代替K即可得到活塞圆弧半径[ ]和对应的圆心角[δ]。

3.三角活塞的冷却

  三角活塞的冷却方式有混和气冷却和油冷却两种：混和气冷却主要应用于转速低、功率较小的三角活塞发动机，其结构简单，燃油雾化、混和气质量较好，但由于混和气被加热，充气效率会降低；采用油冷却方式要设计专门的油道和油孔，目前采用最多的还是油冷却方式。

4.气密封系统

气密封系统由径向密封片、端面密封条和密封销组成，为保证密封性，它们必须满足一定要求。

5.进排气系统

三角活塞发动机进气分为周边进气和端面进气，各有优缺点，也有把这两种进气方式混用的，混和进气方式弥补了单独采用一种进气方式的一些缺点；

排气系统采用独立排气管较为有利，中高速运转时尤为如此。

6.缸盖

缸盖有前后缸盖之分，也是发动机的基础件，它们和缸体一起构成三角活塞的工作空腔。

缸盖多用灰铸铁或含铜、硅、镁、铁、锰、钛的铝合金铸造，为提高其耐磨性，可在表面喷钼或高频淬火。

7.中隔板

对于多缸三角活塞发动机，在二气缸间用中隔板隔开，可用灰铸铁或含铜、硅、镁、铁、锰、钛的铝合金铸造。

五、总结

三角活塞发动机的突出特点就是比质量小、升功率达、运转平稳，因其没有传统往复活塞式发动机的往复惯性力，使其在高速性方面具有很大潜力。但其最主要的一个缺点是：输出扭矩太小，这就限制了其在某些机械上的应用，故而目前应用该种发动机的机械种类还很少，世界各大公司对其也持谨慎态度，但其开发潜力巨大，这就要依赖于科学技术的提高和制造工艺的改善，相信在不久的将来，该种发动机一定会在市场上占有一席之地。

l型发动机

图片！！！

l型发动机

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l型发动机

还是图片

l型发动机

动画！！！！

l型发动机

这个动画不标准  缸应该是8字型

为车而生

寿命太短了，只有100000公里。还是不能普及

南方南风

以前有不少人研究转子发动机，但是到现在商品化的就剩马自达用于其跑车上了，比如RX8

皮诺瞧

真长见识！

licy

回去好好研究

发动机制造

三角活塞就是转子发动机，确实只有马自达开始量产了呀！

zjpzjpzjp12345

怎么没有公式呢？楼主是哪里找来的？

changkong

这种发动机有其缺点，也有其优点，比如升功率大，体积小等。相信随着技术的发展，会普及起来的。