旋转活塞式发动机

发明人：浙江大学机电所　陈行
０５７１-８７９９００９５
Chenxin6@zju.edu.cn

摘要

内燃机是一百多年来的一种主要的发动机，是人们日常接触最密切的一种热力发动机。往复活塞式发动机密封良好，工作可靠，长期以来，一直占领着内燃机的统治地位。但由于活塞的往复运动的惯性，结构的复杂和低效影响了其进一步发展，特别是在高速，高效，轻巧的领域。由此各种类型的转子发动机应运而生。三角活塞式转子发动机是其中最成功的一种，由于工作时其活塞始终在旋转，运转平稳，重量轻，体积小，故一诞生就风靡世界。但它的致命的缺点，密封性能差，油耗高，排污多，使它终于败下阵来。本发明旋转活塞式发动机兼具往复发动机和三角转子发动机两者的优点，构思巧妙，结构紧凑，使发动机综合性能得以全面提高，特别是可以明显改善节能和环保性能，是一种新型的，大有前途的转子发动机。

发明细则

一 往复式活塞发动机的优缺点

优点：

气密性良好，功率传递可靠，热效率高而工作可靠，活塞，气门，气缸盖等零件的热负荷，因每一循环受到新鲜空气的冷却而大大降低，特别是有着一百多年的实践，经验和考验，各方面都很完善。

缺点：

活塞组因往复运动而引起的往复惯性力和惯性力矩不能得到完全的平衡，而且这个惯性力是按转速的平方增长的，随着发动机向高速发展，这个缺点越来越明显。当转速增加时，作用在轴承上的惯性负荷和某些零件的应力显著增加，由不平衡力引起发动机的振动和噪声进一步恶化，使发动机转速的提高和比功率，比重量等性能指标的改善受到很大的限制。此外，发动机所采用的曲柄连杆机构和复杂的配气机构，也给整机重量的减轻和外形尺寸的缩小带来困难。这对于某些特别要求重量轻，体积小的应用领域，如航空或携带式的动力装置，往复式发动机更难以适应。

二 转子发动机的历史和现状

早在18世纪往复式蒸汽机出现时，瓦特也发明了旋转式蒸汽机。其后，不断有各种类型的转子发动机发明。到了内燃机时代，五花八门的转子发动机更是层出不穷，其数量多达上千种。但除三角活塞式转子发动机外，均未获成功。所有这些转子发动机，以其运动形式大致可分为三大类，即匀速形，差速形和行星旋转形。三角活塞式转子发动机属行星形。

1 匀速形
这种形式的旋转发动机比较简单，其特点是旋转件绕固定中心按匀角速度旋转。

2 差速形
差速形旋转机是指在同一气缸中，两个同轴旋转但角速度不同的活塞作相对运动，获得工作容积的变化。

3 行星旋转形
气缸内的容积变化是利用活塞在缸体内作行星运动，即旋转活塞在固定的缸体内一方面绕固定的轴心公转，另一方面又绕其自身的中心自转。

三角活塞式转子发动机发展概况

三角活塞式转子发动机的理论是玛拉特（Maillard）于1943年提出，原西德的弗.汪克尔博士(Dr.F.Wankel)于1954年研制成功。1960年首次公布于世，引起很大的轰动，世界各国竞相研制。原西德纳苏（NSU）公司1964年首先将三角活塞式转子发动机装在小轿车上作为正式产品，1967年日本东洋工业公司也开始成批生产转子机轿车。美国柯尔蒂斯-莱特(Curtiss-Wright)公司研制的转子机则主要用作直升飞机和军用车辆。与此同时，英国，苏联，捷克，以色列等国也参与了三角活塞式转子发动机的研制行列。如今，已研制成功的三角活塞式转子发动机功率范围较广，其使用范围已延伸到汽车，摩托车，船用舷外机，轻型发电机组，坦克，装甲车，伐木机械，工业动力设备及飞机动力等。

我国在1960年前后也开式研制转子机，研制出具有一定水平的三角转子发动机，进入了实用阶段。

三角活塞式转子发动机从研制成功到现在，大体可分四个发展阶段：

第一阶段（1958-1967年）
这一阶段是转子机的创世阶段，主要进行设计，试制及工艺研究，将研究成果推向实际应用。原西德纳苏（NSU）公司首先向市场推出装有转子发动机的轿车，许多国家纷纷效仿，进行试制或进一步研究。

第二阶段（1968-1973年）
这是三角活塞式转子发动机的发展高潮阶段。世界各大公司大力开发和准备生产转子发动机，当时美国通用公司曾计划生产60万辆三角转子轿车。纳苏公司开始生产更先进的RO-80型转子轿车。甚至有人预言，三角转子发动机将向占统治地位的往复机挑战。

第三阶段（1974-1979年）
这是转子发动机发展过程中最为艰难的阶段。1973年突发石油危机，转子机的发展也受到冲击，因为当时转子机的燃油经济性仍略逊于往复机。尤其在低速低负荷时更为明显。从此三角转子发动机由高潮跌入低谷，很多大公司先后放弃了转子机的生产计划。通用公司停止投产，就连纳苏公司也暂缓生产新型的三角转子发动机。但科研工作并未放松，取得了很多成果。

第四阶段（1980年到现在）
这是转子发动机从低谷走向复兴的阶段。在这期间，转子发动机采用了许多新技术，已进入到更具竞争能力的第二代转子发动机的研究和生产。涡轮增压，分层燃烧系统，电子燃料喷射系统及绝热技术，陶瓷材料等新技术迅速用于三角转子机上，这些新技术使转子机它的前景是充满希望。

三 三角活塞式转子发动机的优缺点

优点：

1 有利于发动机转速的提高
起活塞作用的转子在缸内作旋转运动，摆脱了活塞及有关零件的往复运动，因此不再为所产生的往复惯性力所困扰，有利于转速的大幅提高和升功率等性能指标的改善。

2 比重量小，升功率高
由于取消了曲柄连杆机构和传统的配气装置，结构简单，零件少，因此升功率指标比往复机几乎大一倍，而比重量约小30%-50%。

3 振动小，噪声低
由于活塞的旋转运动。使发动机运转平稳，振动小，噪声低。此外，零件数量少，拆装方便，维修简单。

缺点：

1 排放超标，压缩比低
由于三角活塞式转子发动机的固有特点，其压缩比有限，加上其他原因（如工作室的面容比大，燃烧空间的火焰淬熄层分布较广），使其排放超标。美国通用公司曾因此忍痛割爱，放弃了整条三角活塞式转子发动机的生产流水线。

2 燃料消耗率高
由于其压缩比有限，燃烧不充分，加上进排气的动力特性，混合气的形成及燃烧与燃烧室的形状及工作特点不匹配，使其燃料消耗率比往复机高，尤其在部分负荷及低速时更甚，而且低速扭矩小，作车用动力不够理想。

3 可靠性与耐久性问题
径向密封片与气缸型面磨损量大，有些转子机运转时间不长，气缸型面上即出现波纹状磨损，气密性丧失。油耗升高，功率下降。

4 散热问题
三角转子发动机体积小，结构紧凑，散热很困难，必须选用合适的材料，这就使三角转子发动机成本居高不下。目前在军用无人驾驶飞机上尚有应用，民用上除日本马自达公司还生产少量的三角转子发动机轿车外，世界其他公司均不生产商用三角转子发动机轿车。

四 本发明的特点

1 旋转活塞，旋转气门

2 结构简单紧凑，体积小，比功率高
无需连杆机构和凸轮轴，进排气阀以及相关的连接件等传统的配气装置，无需飞轮。相同功率气缸数只是现有往复活塞式内燃机的一半，体积只是往复活塞式发动机的百分之六十至七十，比功率比往复活塞式发动机高出百分之五十。

3 节能，环保，压缩比高
由于节约了克服活塞往复运动惯性的能量，简略了传动装置，省却了传统的配气机构和飞轮，加上可以达到极高的压缩比，燃料燃烧充分，因此不仅降低了能耗，提高了效率，而且排污少，振动小，噪声低。

4 工况与传统发动机相仿
发动机工作情况（如密封形式，燃料供给，压缩和点火形式等）与传统发动机几乎一模一样，所有的技术参数均可参照传统发动机。几乎全部的传统的往复活塞式内燃机的理论和技术均可移植到本发动机，故有百分之八十的成功率。

5 工艺简单，成本低
由于主要零件几乎全是圆柱体，有的就是采用传统发动机的零件，故加工极其简单，很容易保证加工精度，成本低廉。由于结构紧凑，环节少，故障率也低。

可见，本发明既具有往复式发动机密封良好，工作可靠的优点，又具有三角转子发动机旋转活塞，结构紧凑，比重量小，振动和噪声低的优点，特别是减低能耗，减少排污，减低振动和噪声，成本低廉，因此本发明很适于商业应用。本发明与往复式发动机的性能指标对照请见表1.

性能指标 传统发动机 新型转子发动机
体积 100 70
机械摩擦损耗 100 70
比功率 100 150

尾气污染 100 70
振动 100 50
噪声 100 50
加工成本 100 90
原材料成本 100 70
运行效率 比往复机高5%
表1 传统发动机与新型发动机性能指标对照表

五 研究方案

1 研究内容

（1）整体设计方案
包括实现的方法，整体的布局，扭矩的输出的方法，转子的大小和转速，转子密封散热和润滑的方法，安装和维修的方法，多气缸的链接，压缩比的选择，扫气的方法和效果，气缸和活塞的尺寸，进排气方案，点火的时机和分电器（如为柴油机则无此项）的设计，火花塞的安放位置，零件的强度和刚性，材料的选择等
（2）转子密封
（3）转子散热
（4）扫气
（5）零件强度

2 研究方法与技术路线
（1）由发明者提出样机方案图
发明者个人完成
（2）由整机设计人员设计全套装配图和零件图
设计人员与发明者协商进行修改方案，完成全套装配图和零件图
（3）由专业设计人员设计有关部件，如分电器（如为柴油机则无此项）等
（4）必要时进行一些试验
有疑问的地方可以进行必要的试验，如密封是否能达到预期的效果，扫气的彻底程度，安装和维修方法是否可行等
（5）加工零部件
（6）装配调试
（7）性能测试
测试所有应该测试的项目
（8）发现问题进行专题研究
（9）改善设计，并生产新的样机
（10）进行各种整机的试验，如寿命等试验
（11）生产少量样机，进行路试
（12）发现问题再完善设计
（13）成功后批量生产

3 拟解决关键问题
（1）转子的密封
准备采用金属面密封
（2）转子的冷却
油水混合冷却
（3）零件的润滑
采用普通的润滑方法
（4）零件的安装和维修
采用专门工装
（5）扫气的方法
采用和往复机类似的方法

4 工作方案（含时间进度及阶段目标）
样机整机方案设计 两个月
图纸设计 一年
零件加工（含分电器等部件设计加工） 四个月
安装调试 半年
总计 两年

六 工作基础
整个计划和方案发明者已经构思了至少六七年，现在整机初步方案图已画好，主要的零件（如转子，活塞，气缸等）的尺寸比例已确定，关键问题解决已有比较成熟的方法，许多细部都已考虑到。发明者本科毕业后曾在汽车修配厂工作过八年，对汽车很熟悉。现在又阅读了大量有关的文献，资料和书籍，对转子发动机有比较深入的了解。发明者曾作为访问学者在西德亚琛工业大学（西德最好的大学，相当于中国的清华大学）留学两年多，回国后负责和参与过许多重大的科研项目，有很扎实的理论基础和丰富的研究经验。在其他领域（如燃料电池汽车上用的双螺杆空压机，国家863项目）的研究上有大量触类旁通的经验。

七 需要的时间和预期成果
1. 完善设计，制造2台样机。
时间：24个月
2. 针对低功率产品市场，如割草机、航模等，进行试量产。制造10台样机，同时改进设计。
时间：12个月
3. 批量生产低功率发动机。
4. 针对中等功率，低危险产品市场，如内燃发电机、拖拉机，研制新型发动机，制造5台样机。
时间：12个月
5. 完善设计，试量产及量产中等功率发动机。
时间：12个月
6. 介入摩托车、轿车领域，研发适合轿车的新型发动机。
时间：36个月
7. 拓展至超大功率发动机，如直升飞机、轮船发动机。
时间：待定

八 发明人简历
姓名：陈行
1965-1970 浙江大学机械系学习
1970-1978 贵阳汽车大修厂技术员，车间主任
1978-1981 浙江大学机械系研究生(文革后首批研究生)
1981- 浙江大学教师
1985-1988，1， 联邦德国亚琛工业大学流体传动及控制研究所进修，后在一德国一公司工作三个月
1983. 定为讲师
1990. 晋升为副教授
1992- 因患病主要在家休养。期间不间断研究工作，在螺杆泵及空压机等方面拥有21项发明专利，另有许多发明专利申请待批。

从西德回国后曾指导多名硕士生及博士生。曾负责多项国家自然科学基金项目和机械委科学基金项目，负责过国家七五攻关课题，参加过燃料电池汽车国家863课题。

联系方式：
地址 浙江杭州浙江大学求是村53-706
邮编 310013
Tel. 0571-87990095
Email chenxin6@zju.edu.cn

九 人员和经费
人员：
发动机整机设计人员
专项部件设计人员
装配钳工
调试人员
辅助人员
其他人员

经费：
第一期投资：３00万元RMB
第一期投资包括预期成果中的第1、2步。目标是针对低功率产品市场设计制造30台样机，为期3年。资金用途见表2。

投资用途 金额（万元）
材料费 20
加工费 50
试验费 50
其他人工费 100
设计费 10
国内专利费 10
杂费 60

总计 300
表2 第一期投资用途

第二期及后期投资可视第一期成果而定。

总结：

此项发明涉及国家基础工业。我国提倡节约型社会，此项发明正是使发动机朝着低能耗、低成本、低污染，高效率方向发展。内燃机在未来50年内仍将是汽车发动机的主角。经过百多年研究，传统内燃机在提高效率方面只有很少余地。该项发明具有颠覆性设计，本发明集往复式发动机和三角转子发动机的优点于一身，如若成功，将产生巨大的经济效益和社会效益，对我国自主创新的汽车工业的发展必将起到重要的作用。