王志輝，孫忠剛，簡忠武，李宣宣

（湖南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南長沙 410208）

0 引言

汪克爾發(fā)動(dòng)機(jī)（Wankel engine）也稱為三角轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)（簡稱轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)），與傳統(tǒng)的往復(fù)式活塞發(fā)動(dòng)機(jī)相比，其用三角轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)往復(fù)式活塞發(fā)動(dòng)機(jī)中活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，用一根偏心軸代替?zhèn)鹘y(tǒng)往復(fù)式活塞發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)雜的曲柄連桿機(jī)構(gòu)以及配氣機(jī)構(gòu)，因此，轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、零件少、功重比高、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、高速性能好、噪音小、可采用多種燃料、維修簡便和易于系列化等優(yōu)點(diǎn)，頂峰時(shí)期，全世界轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的年產(chǎn)量達(dá)到了幾十萬臺(tái)，作為動(dòng)力裝置被廣泛應(yīng)用到汽車、航空、軍事等領(lǐng)域。

1 研究進(jìn)展

轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)多且突出，但其缺陷也非常明顯，降低油耗和提高壽命是推廣轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用首先要改善或解決的問題。為此，國內(nèi)外研究人員主要從轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過程及控制策略、關(guān)鍵零部件的制造技術(shù)、密封及磨損性能等方面進(jìn)行深入的研究。

1.1 燃燒過程及控制策略研究

要降低轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的油耗、減少尾氣排放中的污染物，研究人員主要是從燃燒過程及控制策略方面著手，主要借助CFD 軟件建立轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程模型，計(jì)算仿真缸內(nèi)的流場(chǎng)、溫度場(chǎng)等方面的變化規(guī)律，從而研究如何優(yōu)化轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒過程。此外，通過調(diào)整轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的時(shí)序、噴油時(shí)刻、噴油量、噴油角度、點(diǎn)火提前角等參數(shù)或控制策略，來研究轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)燃料燃燒的特性，并借助試驗(yàn)臺(tái)架開展仿真與試驗(yàn)的對(duì)比研究，加快轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)科研效率。而且關(guān)于轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過程的研究并不僅僅局限于傳統(tǒng)的汽油轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)，隨著各行各業(yè)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)單位質(zhì)量輸出功率的要求，汽油、重油、天然氣、氫氣等單一或幾種混合作為燃料的轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)也成為學(xué)者們研究的重點(diǎn)方向。

李立君等人[1]通過建立汽油轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)熱力過程的數(shù)學(xué)模型，模擬計(jì)算并驗(yàn)證燃燒室內(nèi)氣體壓力、各工作區(qū)域內(nèi)的氣體溫度變化以及各工況下的性能參數(shù)。潘劍鋒[2]等人通過建立轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)的湍流和燃燒模型，并引入邊界參數(shù)，計(jì)算仿真缸內(nèi)的流場(chǎng)、溫度場(chǎng)及火焰?zhèn)鞑サ囊?guī)律，并據(jù)此研究點(diǎn)火位置、燃油噴射提前角等燃燒控制策略對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過程及性能的影響。周乃君等人[3]通過對(duì)轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過程的分析與研究，建立熱力過程的數(shù)學(xué)模型，獲得轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)四個(gè)工作階段的質(zhì)量與能量方程，并通過與國外研究結(jié)果進(jìn)行對(duì)比與分析，驗(yàn)證該數(shù)學(xué)模型能夠用于轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的熱力過程模擬。燃燒氣氛中混合物的分布和湍流的變化會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒過程產(chǎn)生重要影響，Cheng Shi 等人[4]研究氫氣濃度（HCC）和噴射角度（IA）對(duì)汽油汪克爾發(fā)動(dòng)機(jī)稀薄燃燒的影響。黃明財(cái)[5]通過建立汽油轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程的動(dòng)態(tài)模型，研究點(diǎn)火位置、當(dāng)量比、摻氫率、點(diǎn)火提前角等因素對(duì)轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響。

1.2 關(guān)鍵零部件的制造技術(shù)研究

產(chǎn)品零部件的制造加工工藝方法與其制造成本、質(zhì)量以及應(yīng)用推廣息息相關(guān)，轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的核心部件大多為非標(biāo)件，不僅結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且加工工序復(fù)雜、加工質(zhì)量也非常高，因此，其制造加工方法的選取顯得尤為重要。從某種意義上來說，轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)零部件的制造水平也就決定了未來的發(fā)展。

缸體是轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)所有零部件中最關(guān)鍵的零件，而其內(nèi)壁的“型線”是轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)中尺寸最關(guān)鍵的尺寸，也是加工難度最大的一個(gè)尺寸。針對(duì)該零件“型線”的加工制造，國外許多從事轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)制造的公司都提出了不同的加工，例如：美國GLEASON 公司等提出了數(shù)控的銑削加工“型線”的方法，美國布朗-夏普公司提出采用數(shù)控磨床加工“型線”的方法；為降低成本和加工難度，日本豐田工機(jī)（TOYODA）提出采用旋轉(zhuǎn)輪線靠模的仿形加工“型線”的方法，而美國通用公司提出拉削加工“型線”的方法，極大的提升了缸體內(nèi)壁“型線”加工效率。

鐘顯鈞[6]將理論研究與“反設(shè)計(jì)”相結(jié)合，驗(yàn)證了數(shù)控加工中心加工轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)缸體“型線”的工藝可行性，摒棄了加工“專機(jī)”的加工方案。于雷等人[7]針對(duì)小型轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提出并驗(yàn)證了小微零件復(fù)雜型面慢走絲加工方案的可行性，為轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)小微零件的加工提供了重要借鑒意義。李啟光等人[8]研究設(shè)計(jì)了非圓磨削加工模型，并通過仿真模擬和實(shí)際加工兩種方式驗(yàn)證了采用立式磨床加工轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)缸體內(nèi)壁“型線”是可行的。鐘顯鈞[6]提出采用加工精度可達(dá)微米級(jí)的可編程數(shù)控坐標(biāo)磨床，并選配“立方氮化棚”材質(zhì)的砂輪，發(fā)動(dòng)缸體機(jī)內(nèi)壁“型線”上的WC-Co 涂層經(jīng)磨削加工后表面粗糙度可達(dá)Ra0.4，可以達(dá)到發(fā)動(dòng)機(jī)缸體內(nèi)壁“型線”的加工尺寸精度及表面粗糙度的要求。

1.3 密封及磨損性能方面的研究

密封性問題是實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)高效運(yùn)轉(zhuǎn)和延長使用壽命的關(guān)鍵。由于轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)與往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)方式不同，前者是三角轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，后者是活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)，因此兩者的密封方式也就截然不同，前者采用端部密封、角部密封與側(cè)部密封相結(jié)合的方式對(duì)轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室進(jìn)行密封，而活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)中活塞的密封是靠壓縮環(huán)受壓后的彈力變形實(shí)現(xiàn)的。也正因?yàn)檗D(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的密封結(jié)構(gòu)多且密封難度大，以致于密封問題成為制約其發(fā)展的關(guān)鍵因素之一。轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)工作轉(zhuǎn)速一般都在（6000～10 000）r/min，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的往復(fù)式活塞發(fā)動(dòng)機(jī)，轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的密封片、缸體等零部件將長期處于非均勻載荷下的高溫、高速摩擦的狀態(tài)，上述零部件不僅要求有優(yōu)良的耐高溫、耐磨損性能，還得具有一定的韌性。

賀澤龍等人[9]的研究表明：徑向密封片的厚度和高度、徑向密封片與三角轉(zhuǎn)子密封片槽之間的間隙均應(yīng)控制在較小范圍內(nèi)（但不能太?。?，有利于控制徑向密封片在轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)對(duì)缸體內(nèi)壁的徑向力大小相對(duì)穩(wěn)定，從而相對(duì)穩(wěn)定控制油膜的厚度，保證密封片的密封性；徑向密封片與缸體內(nèi)壁的摩擦系數(shù)應(yīng)盡可能小，一方面降低密封片與缸體內(nèi)壁的磨損，另一方面降低因轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)四個(gè)做功區(qū)間之間潤滑等條件不一致帶來摩擦差異以及由此引起的發(fā)動(dòng)機(jī)性能下降的情況。

由于轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)以及工況的特殊性，在使用過程中摩擦片與缸體內(nèi)壁涂層均會(huì)發(fā)生磨損。更換摩擦片的成本與難點(diǎn)相對(duì)較小，但如果缸體內(nèi)壁涂層出現(xiàn)嚴(yán)重的磨損，更換的成本的成本則非常大，因此如何提高缸體內(nèi)壁涂層的耐磨性能也是研究的重點(diǎn)。蘇立民等人[10]研究在轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的鋁合金缸體上復(fù)合電沉積形成約300 μm 的Ni/SiC 復(fù)合鍍層具有良好的耐磨性，能夠保證缸體的使用性能。鐘顯鈞等人[6]提出超音速等離子（或火焰）噴涂制備WC-Co 涂層的方法，采用該方法制備的涂層具體良好的耐磨和抗剝落性能，涂層硬度可達(dá)HRC55-60，基體材料與涂層的結(jié)合強(qiáng)度可達(dá)到70 MPa。管勝榮等人[11]對(duì)轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)缸體內(nèi)壁上電沉積的Ni-SiC 復(fù)合鍍層的失效進(jìn)行分析，轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)在經(jīng)過70 h 的臺(tái)架試驗(yàn)后，缸體內(nèi)壁的Ni-SiC 鍍層出現(xiàn)剝落，其研究分析認(rèn)為鍍層剝落的主要由以下3 方面原因：①Ni-SiC 鍍層硬度在高溫狀態(tài)下出現(xiàn)明顯下降；②鍍層在開機(jī)、停機(jī)的冷熱交變作用下，鍍層出現(xiàn)脆化；③缸體材質(zhì)與鍍層材質(zhì)不同，熱膨脹系數(shù)不同，造成在高溫下缸體和鍍層的膨脹量不一致，而引起鍍層的熱應(yīng)力開裂或剝落。

2 應(yīng)用現(xiàn)狀

目前全球真正研發(fā)并實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)的國家僅有美國、德國、日本、英國等少數(shù)幾個(gè)國家，主要公司及市場(chǎng)定位見表1。

2.1 在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用

由于轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)擁有較多傳統(tǒng)往復(fù)式活塞發(fā)動(dòng)機(jī)不能比擬的優(yōu)點(diǎn)，先后吸引了德國NSU 公司（今奧迪汽車〔Audi〕的前身之一）、日本東洋工業(yè)公司（今馬自達(dá)汽車公司）、美國通用汽車（General Motor）、法國雪鐵龍公司等二十余家公司研制轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品。但馬自達(dá)是目前全球唯一一家將轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)批量應(yīng)用于汽車的企業(yè)，其憑借787B、RX-7、RX-8 等車型，將轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)在汽車上的應(yīng)用與發(fā)展推向新的高度，已累計(jì)生產(chǎn)銷售搭建轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的汽車近200 萬輛。

表1 轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)主要公司及市場(chǎng)定位

隨著全球環(huán)境問題以及能源問題日益突出，近幾年多個(gè)國家提出了“禁止銷售燃油時(shí)間表”，將極大地推動(dòng)轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)在新能源汽車中的應(yīng)用。因?yàn)檗D(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)具備的結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、噪音小等眾多優(yōu)點(diǎn)，氫燃料轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)汽車或者將其作為純電動(dòng)汽車的“增程器”均有著得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，其中馬自達(dá)公司已在RX-8 型跑車上驗(yàn)證了氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，并計(jì)劃在2020 年推出一款搭載轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的混合動(dòng)力車型，此外日本豐田公司也對(duì)轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)青睞備至，計(jì)劃在電動(dòng)車上搭載馬自達(dá)的轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)作為增程器。

2.2 在航空、軍事領(lǐng)域的應(yīng)用

目前全球已有美、英、德、以色列等國家將轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用于航空、軍事領(lǐng)域。其中，美國是最早實(shí)現(xiàn)應(yīng)用的國家，研制出多款適用于坦克及戰(zhàn)車、兩棲攻擊戰(zhàn)車（登陸艇）、軍用輕便移動(dòng)電站、輕型飛機(jī)和無人駕駛飛機(jī)的轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)，尤其是在無人機(jī)中的應(yīng)用。不論是美軍2005 年8 月在國防部官網(wǎng)上發(fā)布的《無人機(jī)發(fā)展路線圖2005-2030》，還是中國海軍2017 年4 月發(fā)布的《2017 年裝備預(yù)研創(chuàng)新項(xiàng)目指南》，都將重油轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)在無人機(jī)中的應(yīng)用作為重點(diǎn)發(fā)展方向之一。目前，美國已將轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用于“赫耳墨斯”（Hermes）、“影子”（Shadow）、“天眼”（Skyeye）等多款無人機(jī)中，以色列的“哈比”（Harpy）反輻射無人機(jī)也是采用的轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)。

3 結(jié)束語

自從轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)問世后，因結(jié)構(gòu)簡單、功重比高等眾多優(yōu)點(diǎn)，得到內(nèi)燃機(jī)領(lǐng)域的研究人員高度認(rèn)可，針對(duì)轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的研究主要集中在燃燒過程及控制策略、關(guān)鍵零部件的制造技術(shù)、密封及磨損性能等方面，應(yīng)用領(lǐng)域也主要集中在汽車、航空以及軍事領(lǐng)域。尤其是近幾年轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)在增程式電動(dòng)汽車、氫燃料汽車以及無人機(jī)等領(lǐng)域的重要應(yīng)用價(jià)值，必將對(duì)轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展與實(shí)際應(yīng)用產(chǎn)生重要的促進(jìn)作用。