摘要：本文以車用發(fā)動(dòng)機(jī)類型作為切入點(diǎn)，介紹了動(dòng)力機(jī)械這一專業(yè)名詞的定義，并由此引入了特種發(fā)動(dòng)機(jī)的概念，隨后簡(jiǎn)要介紹了特種發(fā)動(dòng)機(jī)的總體分類情況，以及部分特種發(fā)動(dòng)機(jī)在熱動(dòng)力魚(yú)雷及航空宇航推進(jìn)領(lǐng)域中的應(yīng)用，重點(diǎn)對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)（包括自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)）、汪克爾發(fā)動(dòng)機(jī)（三角轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)）、斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)與絕熱發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)特點(diǎn)，以及上述發(fā)動(dòng)機(jī)在汽車動(dòng)力領(lǐng)域中的應(yīng)用情況進(jìn)行研究。最后，對(duì)幾類特種發(fā)動(dòng)機(jī)在車用動(dòng)力領(lǐng)域的應(yīng)用前景進(jìn)行展?望。

關(guān)鍵詞：特種發(fā)動(dòng)機(jī)；汪克爾發(fā)動(dòng)機(jī)；斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)；絕熱發(fā)動(dòng)機(jī)；燃?xì)廨啓C(jī)；內(nèi)燃機(jī)；汽油機(jī)；柴油機(jī)

中圖分類號(hào)：U464.173""""""""""""""""""""""""""" 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A""""""""""""""""""""""""""""""""nbsp;" 文章編號(hào)：1673?6478（2023）05-0026-06

Research on Technical Characteristics and Application Prospect of Special Engines Used in Vehicles

WU Saite

（SAIC Motor， Shanghai 200438， China）

Abstract： Taking the type of vehicle engine as the starting point， this paper introduces the definition of power machinery， and the concept of special engine， and then briefly introduces the general classification of special engines， as well as the application of some special engines in the field of thermal torpedo and aerospace propulsion， focusing on the technical characteristics of gas turbine（contain free piston engine）. Wankel engine， Stirling engine and adiabatic engine， as well as the application of the above engines in the field of automobile power， are emphatically studied. Finally， the application prospects of several kinds of special engines in the field of vehicle power are prospected.

Key words： special engine; Wankel engine; Stirling engine; adiabatic engine; gas turbine; internal?combustion engine; gasoline engine; diesel engine

0 引言

目前，車用動(dòng)力裝置主要為往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)，主要包括汽油機(jī)與柴油機(jī)[1]。在以往的幾十年間，汽油機(jī)的發(fā)展主要追求高動(dòng)力性和高經(jīng)濟(jì)性，但近年來(lái)也在向高安全性、低公害等方面發(fā)展[2]。與汽油機(jī)相比，柴油機(jī)在耐久性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性方面具有一定優(yōu)勢(shì)。近年來(lái)，由于高速公路的發(fā)展和載重汽車的發(fā)展，車用柴油機(jī)的高功率化和高速化已成為明顯的發(fā)展趨勢(shì)，同時(shí)柴油機(jī)的增壓技術(shù)也得到了發(fā)展。載重汽車與大型客車均使用柴油機(jī)作為動(dòng)力來(lái)源。

除去常規(guī)的汽油機(jī)及柴油機(jī)等內(nèi)燃機(jī)，特種發(fā)動(dòng)機(jī)也被視為熱力發(fā)動(dòng)機(jī)的重要技術(shù)范疇，其在相關(guān)領(lǐng)域也得到了應(yīng)用。本文重點(diǎn)介紹了相關(guān)特種發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)特點(diǎn)及其在車用動(dòng)力領(lǐng)域的應(yīng)用與發(fā)展。

1 動(dòng)力機(jī)械與特種發(fā)動(dòng)機(jī)的定義研究

1.1 動(dòng)力機(jī)械與特種發(fā)動(dòng)機(jī)的定義

按照機(jī)械能與其他形式能源的轉(zhuǎn)換類型，可將機(jī)械設(shè)備分為動(dòng)力機(jī)械與工作機(jī)械。其中，動(dòng)力機(jī)械是一類可將其他形式的能源轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的設(shè)備，這一概念可被視為廣義上的動(dòng)力機(jī)械。能源根據(jù)來(lái)源的不同，可分為一次能源與二次能源。其中，以一次能源作為動(dòng)力來(lái)源的動(dòng)力機(jī)械（熱力發(fā)動(dòng)機(jī)、水力機(jī)械及風(fēng)力機(jī)械）可被視為狹義上的“動(dòng)力機(jī)械”。而隨著學(xué)科的發(fā)展，動(dòng)力機(jī)械一詞還有第三層含義，即一級(jí)學(xué)科“動(dòng)力工程及工程熱物理”下屬的二級(jí)學(xué)科“動(dòng)力機(jī)械及工程”中的“動(dòng)力機(jī)械”一詞，此處的“動(dòng)力機(jī)械”專指熱力發(fā)動(dòng)機(jī)（Heat Engine）。而在熱力發(fā)動(dòng)機(jī)中，就整機(jī)結(jié)構(gòu)、制造材料、使用燃料或運(yùn)行原理等方面，與主流機(jī)型存在較大差異的其他類型熱力發(fā)動(dòng)機(jī)，可被稱為“特種發(fā)動(dòng)機(jī)”[3]。

1.2 特種發(fā)動(dòng)機(jī)的分類及運(yùn)用特點(diǎn)

特種發(fā)動(dòng)機(jī)的分類較為廣泛，采用特殊結(jié)構(gòu)的、采用特殊材料的、采用特種技術(shù)的及燃用特殊燃料的等多類熱力發(fā)動(dòng)機(jī)均可歸納至特種發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)范疇內(nèi)。

以軸功率為動(dòng)力輸出形式的陸用（包括各類陸用載運(yùn)工具動(dòng)力來(lái)源及發(fā)電等領(lǐng)域）及船用熱力發(fā)動(dòng)機(jī)中，主流機(jī)型一般包括內(nèi)燃機(jī)與熱力渦輪機(jī)械（汽輪機(jī)與燃?xì)廨啓C(jī)等），除了上述幾類機(jī)型之外，像汪克爾發(fā)動(dòng)機(jī)（三角轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)）、斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)等機(jī)型均可歸為特種發(fā)動(dòng)機(jī)的行列中。目前，汪克爾發(fā)動(dòng)機(jī)在汽車動(dòng)力領(lǐng)域有著一定的應(yīng)用，而斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)在潛艇等船舶動(dòng)力領(lǐng)域中有著較好的應(yīng)用前景。除此之外，一些采用空間傳輸機(jī)構(gòu)的熱力發(fā)動(dòng)機(jī)（活塞式凸輪發(fā)動(dòng)機(jī)、擺盤式發(fā)動(dòng)機(jī)及活塞式周轉(zhuǎn)斜盤發(fā)動(dòng)機(jī)等）由于結(jié)構(gòu)緊湊，在熱動(dòng)力魚(yú)雷中長(zhǎng)期占有一席之地，但在陸用車輛中則較少應(yīng)用。

在航空推進(jìn)領(lǐng)域，主流的航空發(fā)動(dòng)機(jī)如渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)、渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)等可被視為燃?xì)廨啓C(jī)在航空器上的實(shí)際應(yīng)用。而沖壓噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)等不帶轉(zhuǎn)子的推進(jìn)裝置由于無(wú)法在靜止?fàn)顟B(tài)下啟動(dòng)及提供推進(jìn)動(dòng)力，因此多與其他形式的熱力發(fā)動(dòng)機(jī)（如火箭發(fā)動(dòng)機(jī)等）進(jìn)行組合，共同完成推進(jìn)任務(wù)。

就火箭發(fā)動(dòng)機(jī)而言，目前常規(guī)的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)主要為化學(xué)能火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，而其他類型的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，如電火箭發(fā)動(dòng)機(jī)、核火箭發(fā)動(dòng)機(jī)及太陽(yáng)能火箭發(fā)動(dòng)機(jī)等?[4]，則可被視為特種火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。

由上文可知，“特種發(fā)動(dòng)機(jī)”這一概念具備一定的相對(duì)性。在蒸汽機(jī)盛極一時(shí)的年代，內(nèi)燃機(jī)可被視為一類特種發(fā)動(dòng)機(jī)。但在熱力發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)高速發(fā)展的今日，內(nèi)燃機(jī)早已成為主流機(jī)型，而蒸汽機(jī)、自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)（二行程自由活塞發(fā)氣機(jī)與燃?xì)廨啓C(jī)渦輪部分組合而成的熱力發(fā)動(dòng)機(jī)）等已經(jīng)退出歷史舞臺(tái)的機(jī)型則可被視作特種發(fā)動(dòng)機(jī)。

燃?xì)廨啓C(jī)雖然是一類常規(guī)的熱力發(fā)動(dòng)機(jī)，但其目前在汽車動(dòng)力領(lǐng)域應(yīng)用較少，因此本文也將其納入“特種發(fā)動(dòng)機(jī)”的研究范圍中。

2 車用燃?xì)廨啓C(jī)及其技術(shù)特點(diǎn)

2.1 燃?xì)廨啓C(jī)及其技術(shù)特點(diǎn)

燃?xì)廨啓C(jī)是一種可將燃料燃燒產(chǎn)生的熱能直接轉(zhuǎn)換成機(jī)械功并對(duì)外輸出的熱力渦輪機(jī)械?，F(xiàn)代燃?xì)廨啓C(jī)由壓氣機(jī)、燃燒室和渦輪等部件組成。其中，壓氣機(jī)和渦輪為高速旋轉(zhuǎn)的葉輪機(jī)械，是氣流能量與機(jī)械功相互轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵部件?？繙u輪驅(qū)動(dòng)而旋轉(zhuǎn)的壓氣機(jī)連續(xù)地從大氣中吸入空氣并將其壓縮增壓，壓縮后的空氣進(jìn)入燃燒室，與噴入的燃料混合燃燒[5?6]，成為高溫氣流后進(jìn)入渦輪中膨脹做功，做功后的燃?xì)鈮毫抵链髿鈮毫?，并排入大氣中?/p>

燃?xì)廨啓C(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)遵循布雷頓循環(huán)（Brayton Cycle）或焦耳循環(huán)（Joule Cycle），在整個(gè)工作過(guò)程中，燃燒室燃燒加熱過(guò)程中的壓力近似不變，即等壓加熱過(guò)程。而做功的工質(zhì)來(lái)自大氣，最后又排入大氣，成為開(kāi)式循環(huán)。這是現(xiàn)代燃?xì)廨啓C(jī)工作循環(huán)的兩個(gè)基本特?征。

在燃?xì)廨啓C(jī)早期發(fā)展過(guò)程中，曾嘗試過(guò)采用漢弗萊循環(huán)（Humphrey Cycle）或阿特金森循環(huán)（Atkinson Cycle），兩類循環(huán)采用等容加熱過(guò)程（其余壓縮過(guò)程、膨脹過(guò)程、放熱過(guò)程與布雷頓循環(huán)基本一致）[7]。其特點(diǎn)是燃燒過(guò)程會(huì)產(chǎn)生斷續(xù)的爆燃現(xiàn)象，燃燒室需要配備進(jìn)氣閥和排氣閥，燃燒室結(jié)構(gòu)復(fù)雜，渦輪進(jìn)氣壓力脈動(dòng)嚴(yán)重，工作效率低，影響了機(jī)組的效率，故此類等容加熱循環(huán)已被棄用?，F(xiàn)階段使用的燃?xì)廨啓C(jī)均按等壓加熱循環(huán)工作。

開(kāi)式循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)的工作介質(zhì)來(lái)自大氣，然后又排入大氣。閉式循環(huán)的特點(diǎn)是工質(zhì)與外界隔絕，封閉循環(huán)使用。閉式循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)效率的提高受到諸多限制，并且存在設(shè)備笨重、成本高等問(wèn)題，目前主要用于高溫氣冷堆，并以氦氣等物質(zhì)作為工質(zhì)。而其他領(lǐng)域中所使用的燃?xì)廨啓C(jī)均為開(kāi)式循環(huán)機(jī)組。

2.2 車用燃?xì)廨啓C(jī)

早在20世紀(jì)60年代后期，美國(guó)福特公司、通用汽車公司和克萊斯勒汽車公司都相繼研制了可用于汽車的燃?xì)廨啓C(jī)。分別安裝在小型客車、運(yùn)動(dòng)型轎車、大型客車及載重汽車上，并開(kāi)展了大量的試驗(yàn)工作。

燃?xì)廨啓C(jī)和其他車用發(fā)動(dòng)機(jī)相比，是一類適于高功率輸出的動(dòng)力裝置。但是，車用燃?xì)廨啓C(jī)僅僅需要中、小功率的機(jī)型。燃?xì)廨啓C(jī)通常有著較高的轉(zhuǎn)速，而要制造一臺(tái)小型的車用燃?xì)廨啓C(jī)，需要為其配備較小的氣流通道，并且需要較高的精度，從而對(duì)制造工藝有著較高要求。常規(guī)的燃?xì)廨啓C(jī)通常采用單軸式的結(jié)構(gòu)方案，即采用一個(gè)渦輪來(lái)驅(qū)動(dòng)壓氣機(jī)，并輸出有效功率。由于壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速會(huì)隨著渦輪轉(zhuǎn)速同時(shí)下降，輸出扭矩也會(huì)隨轉(zhuǎn)速降低而減小，因而單軸式燃?xì)廨啓C(jī)通常不適用于汽車。

從熱效率方面來(lái)看，熱交換器是必不可少的，但由此會(huì)提高生產(chǎn)成本。燃?xì)廨啓C(jī)的燃油消耗率在高負(fù)荷工況下相對(duì)較低，但在低負(fù)荷工況下則相對(duì)較高。因此燃?xì)廨啓C(jī)更適用于大型客車和載重汽車[8]，因?yàn)檫@些車型的負(fù)荷工況大部分在全負(fù)荷的50%以上，并且高負(fù)荷使用時(shí)間約占總使用時(shí)間的85%以上。

車用燃?xì)廨啓C(jī)采用熱交換器后，可利用排出廢氣的余熱來(lái)加熱進(jìn)入燃燒室的壓縮空氣，借以提高發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性。為了進(jìn)一步提高燃?xì)廨啓C(jī)的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)和功率指標(biāo)，在部分車用燃?xì)廨啓C(jī)上還采用多級(jí)壓縮、中間冷卻和多級(jí)膨脹、中間加熱的三軸式燃?xì)廨啓C(jī)裝置。多級(jí)壓縮即空氣的壓縮過(guò)程不是一次進(jìn)行完畢，而是分二級(jí)或多級(jí)進(jìn)行。壓縮過(guò)程中，會(huì)將空氣送入冷卻器或熱交換器進(jìn)行冷卻。同樣，多級(jí)膨脹即燃?xì)獾呐蛎涍^(guò)程也不是一次完成，而是分兩次或多次進(jìn)行，每進(jìn)行一次膨脹后，將燃?xì)庠偎腿肴紵疫M(jìn)行燃燒。這樣級(jí)數(shù)越多，燃?xì)廨啓C(jī)的熱效率就越高。但如要實(shí)現(xiàn)這種方案，其結(jié)構(gòu)就會(huì)過(guò)于復(fù)雜，并不適用于汽車等結(jié)構(gòu)較為緊湊的移動(dòng)設(shè)備。

2.3 自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)

自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)以燃?xì)廨啓C(jī)的渦輪部分作為動(dòng)力輸出單元，因此自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)通?？杀灰暈槿?xì)廨啓C(jī)中的一類。與傳統(tǒng)二行程柴油機(jī)不同，自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)沒(méi)有配備曲柄連桿機(jī)構(gòu)，一對(duì)活塞的相對(duì)運(yùn)動(dòng)靠壓氣缸和氣墊缸的壓力平衡。隨著載荷的變化，調(diào)節(jié)氣墊缸的空氣壓力以及改變每循環(huán)供油量，來(lái)改變活塞行程的大?。S著活塞內(nèi)止點(diǎn)的變化，壓縮比也隨著變化）。

實(shí)際上，由于兩個(gè)活塞組及其工作情況不可能完全相同（例如所受的摩擦阻力就不完全相同），所以須要有同步機(jī)構(gòu)把兩個(gè)活塞連接起來(lái)，使它們同步協(xié)調(diào)工作。同時(shí)，還必須裝置壓縮比穩(wěn)定器，使發(fā)動(dòng)機(jī)隨著載荷變化，活塞的行程在限定的范圍內(nèi)變化。因行程過(guò)大會(huì)使壓縮比增加過(guò)大，甚至引起活塞和氣墊缸蓋發(fā)生干涉，而行程過(guò)小會(huì)影響動(dòng)氣缸的掃氣。自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)是從外面把壓縮空氣通入氣墊缸，推動(dòng)活塞從外止點(diǎn)向內(nèi)止點(diǎn)運(yùn)動(dòng)。停車時(shí)，只需關(guān)閉燃料供應(yīng)即可。

自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)與燃?xì)廨啓C(jī)相比，因?yàn)橛糜谀芰哭D(zhuǎn)換的高溫、高壓燃?xì)馐窃趬簹飧字挟a(chǎn)生，不像燃?xì)廨啓C(jī)中燃?xì)庾罡邷囟仁艿饺~輪材料的限制，所以自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率較高。與內(nèi)燃機(jī)相比，自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)沒(méi)有曲柄連桿機(jī)構(gòu)及軸承，但卻有廣闊的轉(zhuǎn)速范圍及較高的適應(yīng)性系數(shù)，同時(shí)必須配備同步機(jī)構(gòu)、穩(wěn)定器等控制機(jī)構(gòu)，與車用汽油機(jī)及燃?xì)廨啓C(jī)相比，其結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，特別是需用壓縮空氣啟動(dòng)，使用不便，只有在功率較大時(shí)，方可顯示它的優(yōu)越性。早在1958年就有人試制過(guò)車用樣機(jī)，但并未投入大規(guī)模使用。隨著燃?xì)廨啓C(jī)參數(shù)的不斷提升，由自由活塞發(fā)氣機(jī)與燃?xì)廨啓C(jī)渦輪部分相結(jié)合的傳統(tǒng)自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)目前已基本退出了歷史舞臺(tái)。

2.4 車用燃?xì)廨啓C(jī)的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)

綜上所述，與內(nèi)燃機(jī)相比，燃?xì)廨啓C(jī)具有如下優(yōu)?勢(shì)：

（１）在功率相同的情況下，燃?xì)廨啓C(jī)的重量比內(nèi)燃機(jī)更輕，體積更??；

（２）燃?xì)廨啓C(jī)只有回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，無(wú)往復(fù)運(yùn)動(dòng)部分，燃燒及氣體流動(dòng)過(guò)程并非間歇進(jìn)行，而是連續(xù)且穩(wěn)定的，因此扭矩不會(huì)出現(xiàn)較大波動(dòng)，且振動(dòng)較??；

（３）如果采用雙軸式結(jié)構(gòu)，則低轉(zhuǎn)速時(shí)的扭矩特性較好，如同內(nèi)燃機(jī)與液力變矩器的組合；

（４）對(duì)燃料的適應(yīng)性較好，可以采用多種液體燃料和氣體燃料；

（５）對(duì)潤(rùn)滑油的消耗量較?。?/p>

（６）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、零件數(shù)量較少；

（７）在低溫條件下啟動(dòng)較為容易，啟動(dòng)后立刻就能輸出最高功率，且無(wú)須水冷系統(tǒng)；

（８）維修及保養(yǎng)較為簡(jiǎn)易；

（９）排放特性較好。

與內(nèi)燃機(jī)相比，燃?xì)廨啓C(jī)的劣勢(shì)如下：

（１）一般燃油消耗率較大，尤其是在部分負(fù)荷工況下的燃油消耗率較高；

（２）負(fù)荷突然變化時(shí)的響應(yīng)性較差；

（３）噴嘴和葉片等部件需要采用優(yōu)質(zhì)耐熱合金，多采用鎳、鈷等耐熱合金，其成本和加工費(fèi)用較高；

（４）所需要的空氣流量約為內(nèi)燃機(jī)的5～10倍，因此進(jìn)、排氣的處理較為困難；

（５）由于燃?xì)廨啓C(jī)處于高速回轉(zhuǎn)狀態(tài)，因此需要高精度的軸承和減速裝置；

（６）氣流通道所需的制造精度較高；

（７）為提升效率，需要配備熱交換器，提高了成本，增加了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性。

3 車用汪克爾發(fā)動(dòng)機(jī)及其技術(shù)特點(diǎn)

3.1 概述

在20世紀(jì)50年代后期，德國(guó)人菲利克斯·汪克爾發(fā)明了汪克爾發(fā)動(dòng)機(jī)，之后各國(guó)相繼進(jìn)行了研制工作。日本是最早將該類發(fā)動(dòng)機(jī)作為車用動(dòng)力，并投入大批量生產(chǎn)的國(guó)家。

汪克爾發(fā)動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕、體積小，且比功率較高。由于體積小，所以便于在汽車上安裝，加上零件總數(shù)少，特別是沒(méi)有往復(fù)運(yùn)動(dòng)件及配氣機(jī)構(gòu)，使發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)水平較低，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)性較好，噪聲小[9]，適用于對(duì)于速度有較高要求的轎車或其他小型客車。汪克爾發(fā)動(dòng)機(jī)具有上述優(yōu)點(diǎn)，但是由于具有較高的燃燒室面容比，所以HC、CO的排放量高于傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)，但其NOX排放則相對(duì)較低。

3.2 汪克爾發(fā)動(dòng)機(jī)面臨的技術(shù)難題

在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，汪克爾發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展曾受到一定的限制，其原因主要是：

（１）燃燒室形狀并不理想，壓縮比提高較為困難，且對(duì)燃燒過(guò)程進(jìn)行組織較為困難；

（２）整機(jī)經(jīng)濟(jì)性有待提升，特別是低速經(jīng)濟(jì)性較?差；

（３）排氣污染大，HC排放量明顯高于內(nèi)燃機(jī)，當(dāng)時(shí)難以滿足各國(guó)法規(guī)要求；

（４）氣缸密封線較長(zhǎng)，滑動(dòng)速度較高，易產(chǎn)生磨損，可靠性不如傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)；

（５）整機(jī)啟動(dòng)性、耐久性也較差。

3.3 汪克爾發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀

近年來(lái)，經(jīng)過(guò)德國(guó)、美國(guó)、英國(guó)、日本、以色列等許多國(guó)家的研究開(kāi)發(fā)，汪克爾發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)日趨成熟完善，并早已實(shí)現(xiàn)商品化。近年來(lái)，汪克爾發(fā)動(dòng)機(jī)在國(guó)外蓬勃發(fā)展。在民用車輛領(lǐng)域，主要由日本馬自達(dá)公司開(kāi)展研發(fā)工作。在軍用車輛領(lǐng)域，參與投入的國(guó)家較多，美國(guó)、德國(guó)、英國(guó)、日本等國(guó)家都在開(kāi)發(fā)并生產(chǎn)汪克爾發(fā)動(dòng)機(jī)。

美國(guó)從20世紀(jì)60年代起，即開(kāi)始研制燃用柴油的汪克爾發(fā)動(dòng)機(jī)，首先在軍事領(lǐng)域應(yīng)用，并得到陸軍總署、國(guó)家航空航天局等的大力支持，從20世紀(jì)80年代到20世紀(jì)90年代間，陸續(xù)實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品化、系列化、商業(yè)化。目前，美國(guó)當(dāng)?shù)匾延卸嗉夜驹谘芯?、生產(chǎn)汪克爾發(fā)動(dòng)機(jī)。該類發(fā)動(dòng)機(jī)主要用于武器系統(tǒng)的小型移動(dòng)電站、坦克等裝甲車輛輔機(jī)電站和空軍地面輔助設(shè)備、輕型飛行器和無(wú)人駕駛飛機(jī)、軍用快艇等領(lǐng)域。

4 斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)及其技術(shù)特點(diǎn)

斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)是一種外燃式發(fā)動(dòng)機(jī)，由蘇格蘭人羅伯特·斯特林發(fā)明，是斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)中的一種。該類發(fā)動(dòng)機(jī)采用閉式循環(huán)，利用外部能源加熱，并采用往復(fù)運(yùn)動(dòng)的活塞結(jié)構(gòu)。斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的主要優(yōu)點(diǎn)如下：

（１）理論熱效率較高，特別是部分負(fù)荷工況下的熱效率也較高。

（２）適于燃用多種燃料，包括固體、液體、氣體燃料。

（３）排氣污染較小，噪聲較低，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，振動(dòng)小。這是由于燃燒過(guò)程是在接近大氣壓的條件下持續(xù)進(jìn)行，有足夠過(guò)量空氣系數(shù)，油氣混合效果較好，且壓力變化緩慢。

但斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)仍存在一定的缺陷，主要如下：

（１）結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高。

（２）由于工質(zhì)不會(huì)更換，故通常采用導(dǎo)熱率高的氣體作為工質(zhì)，滲漏問(wèn)題尚不能很好解決。

（３）質(zhì)量重、尺寸大，過(guò)于笨重，不適用于轎車。

（４）轉(zhuǎn)速較低，同時(shí)由于受熱慣性影響，加速性能較差。

雖然優(yōu)勢(shì)顯著，但考慮到相關(guān)情況，車用斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)離投入大規(guī)模使用還有一定的距離。

5 絕熱發(fā)動(dòng)機(jī)及其技術(shù)特點(diǎn)

根據(jù)內(nèi)燃機(jī)的熱平衡理論可知，燃料燃燒產(chǎn)生的大部分熱量被冷卻水和廢氣帶走。因此，如果想要進(jìn)一步提高柴油機(jī)的熱效率，必須從減少這兩部分損失著手，絕熱發(fā)動(dòng)機(jī)就是基于這一理念而出現(xiàn)的。

絕熱發(fā)動(dòng)機(jī)并非能真正實(shí)現(xiàn)完全意義上的絕熱，而是一類低散熱發(fā)動(dòng)機(jī)，基于傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)改良而來(lái)。絕熱發(fā)動(dòng)機(jī)取消了冷卻系統(tǒng)，采用高溫耐熱材料（多用陶瓷材料）來(lái)隔絕其燃燒室，盡量減少由缸壁傳出的熱量，因此氣缸自身溫度通常較高。在壓縮比不變的條件下，排氣溫度也會(huì)相應(yīng)增高，在減少冷卻損失的同時(shí)增加了由廢氣帶走的熱量，使熱量實(shí)現(xiàn)重新分配，同時(shí)使分散的熱損失集中起來(lái)，便于充分利用，可利用上述廢氣驅(qū)動(dòng)渦輪，而渦輪可與絕熱發(fā)動(dòng)機(jī)聯(lián)合工作，共同輸出功率。其流程總體如下：絕熱發(fā)動(dòng)機(jī)排出的廢氣先通過(guò)渦輪，再由渦輪驅(qū)動(dòng)壓氣機(jī)，以此為絕熱發(fā)動(dòng)機(jī)提供增壓空氣[10]，隨后廢氣再流過(guò)后方的動(dòng)力渦輪，由動(dòng)力渦輪輸出扭矩，再通過(guò)齒輪與曲軸進(jìn)行耦合，從而可輸出更高功率。

需要實(shí)現(xiàn)隔熱的部件主要包括活塞、缸蓋、氣缸套、排氣門和排氣道等。同時(shí)，由于渦輪效率主要受進(jìn)口處的廢氣溫度影響，故從排氣管到渦輪的通流部分也需要實(shí)現(xiàn)有效的隔熱。

絕熱發(fā)動(dòng)機(jī)最大的優(yōu)點(diǎn)是具有較高的熱效率。由于絕熱發(fā)動(dòng)機(jī)可大幅度減少冷卻損失并將廢氣能量盡可能轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏霉Γ虼似錈嵝士蛇_(dá)43%以上，這一指標(biāo)是相當(dāng)可觀的。

此外，由于燃燒室溫度有所提高，因此絕熱發(fā)動(dòng)機(jī)的著火滯燃期較短，燃燒條件得到了充分改善，排放時(shí)產(chǎn)生的藍(lán)煙和白煙較少，且易于啟動(dòng)，噪聲較低，排氣污染較低，并且燃料適應(yīng)性較強(qiáng)。

由于絕熱發(fā)動(dòng)機(jī)取消了冷卻系統(tǒng)，也包括風(fēng)扇、散熱水管、外罩等部件，發(fā)動(dòng)機(jī)的重量、體積減小，從而適于在缺水的沙漠地帶工作。對(duì)于重型汽車尤其是裝甲車輛有特殊意義。但絕熱發(fā)動(dòng)機(jī)的應(yīng)用還存在一些問(wèn)題，如高溫材料的選擇上，現(xiàn)多用陶瓷材料和涂層，陶瓷雖耐高溫但加工成型困難。除此之外，高溫下的潤(rùn)滑，零件的結(jié)構(gòu)形狀，渦輪和發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的耦合等都尚待優(yōu)化。

6 車用特種發(fā)動(dòng)機(jī)的應(yīng)用前景展望

6.1 對(duì)車用發(fā)動(dòng)機(jī)的總體要求

科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，以及對(duì)車輛提出的新要求，傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)自身在不斷優(yōu)化及完善，而且對(duì)其他車用動(dòng)力的研發(fā)工作也在持續(xù)開(kāi)展中。近年來(lái)，社會(huì)對(duì)環(huán)境保護(hù)更加重視，各種法規(guī)的制定也日趨嚴(yán)格，再考慮到石油資源的日漸稀缺，使相關(guān)研發(fā)工作的開(kāi)展更加迫切。

在各種車用動(dòng)力的激烈斗爭(zhēng)中要想占有一席之地，除了上文提到的經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性以及污染、噪聲、振動(dòng)等因素之外，還必須考慮到：多種燃料適應(yīng)性、成本、加工能力，各種新材料的應(yīng)用、與車輛匹配的效果等。

6.2 車用燃?xì)廨啓C(jī)的應(yīng)用前景展望

在20世紀(jì)40年代末期，燃?xì)廨啓C(jī)首先被用作航空發(fā)動(dòng)機(jī)。到了20世紀(jì)60年代，才逐步開(kāi)展車用燃?xì)廨啓C(jī)的設(shè)計(jì)及試驗(yàn)工作。燃?xì)廨啓C(jī)雖然使用的材料較貴，但自重較輕，為同功率柴油機(jī)的1/4～1/3，如果產(chǎn)量提升，其制造成本將逐步下降，以接近現(xiàn)有柴油機(jī)的水平。

燃?xì)廨啓C(jī)的特點(diǎn)是：比重量較小、零件少，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。分軸式燃?xì)廨啓C(jī)的扭矩在低速時(shí)較大，而在高速時(shí)會(huì)相應(yīng)減小，啟動(dòng)后在較短時(shí)間內(nèi)即可輸出最高功率。如上文所述，燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒過(guò)程是連續(xù)進(jìn)行的，故對(duì)燃料的適應(yīng)性較強(qiáng)，可燃用低品質(zhì)的燃料，如低品質(zhì)柴油、重油等，且更易于滿足排放及噪聲法規(guī)的要求。燃?xì)廨啓C(jī)為一類旋轉(zhuǎn)機(jī)械，沒(méi)有活塞等往復(fù)運(yùn)動(dòng)部件，不會(huì)產(chǎn)生不平衡的往復(fù)慣性力，所以運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，振動(dòng)小。同時(shí)，燃?xì)廨啓C(jī)由于不需要水冷系統(tǒng)，因此低溫啟動(dòng)性好，在冬季運(yùn)用較為方便，并且具備易維護(hù)保養(yǎng)等優(yōu)點(diǎn)，引起了業(yè)界的廣泛關(guān)注。

但目前，燃?xì)廨啓C(jī)還有一些不易克服的缺點(diǎn)，主要是其燃油經(jīng)濟(jì)性有待改善，在部分負(fù)荷時(shí)的熱效率較低，小型燃?xì)廨啓C(jī)熱效率一般僅為百分之十幾。決定熱效率的主要因素有：

（１）渦輪進(jìn)口溫度，此溫度越高，熱效率越高。但溫度升高，渦輪葉片就需要大量昂貴且難以加工的高級(jí)合金鋼材料，這使燃?xì)廨啓C(jī)在成本方面缺乏競(jìng)爭(zhēng)力，目前主要寄希望于陶瓷材料。

（２）提高壓縮機(jī)出口、進(jìn)口的壓比，但采用高壓比會(huì)使整機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，布置困難。

（３）裝回?zé)崞骺梢赃m當(dāng)降低壓比，提高效率，不過(guò)需要采用結(jié)構(gòu)緊湊，效率較高的回?zé)崞鳎駝t會(huì)使整機(jī)體積過(guò)大，且成本增加，再加上燃?xì)廨啓C(jī)低負(fù)荷時(shí)熱效率很低，由此不利于其在車輛動(dòng)力領(lǐng)域的應(yīng)?用。

此外，小型燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)速很高，對(duì)變速箱及軸承要求較高。由于汽車的加速性很重要，燃?xì)廨啓C(jī)受轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和熱慣性的影響，會(huì)存在一段遲滯時(shí)間。在下坡或剎車時(shí)，其所產(chǎn)生的制動(dòng)效果也較差。

目前，許多國(guó)家都已相繼開(kāi)展了對(duì)車用燃?xì)廨啓C(jī)的研究，試制過(guò)不少用于轎車、貨車與客車的燃?xì)廨啓C(jī)，并開(kāi)展了相關(guān)道路試驗(yàn)。材質(zhì)、高速軸承和葉片振動(dòng)等一系列問(wèn)題得到解決，使得目前試驗(yàn)用的車用燃?xì)廨啓C(jī)，在結(jié)構(gòu)與性能指標(biāo)上都日趨完善。

就目前而言，燃?xì)廨啓C(jī)更適用于所需功率較大或經(jīng)常在高速工況下運(yùn)行的車輛，如重型汽車、長(zhǎng)途汽車、部分專用汽車或坦克裝甲車輛等，對(duì)經(jīng)常在市區(qū)行駛、負(fù)荷率較低的中、輕型貨車和轎車則并不適用。對(duì)于拖拉機(jī)等農(nóng)用機(jī)械而言，由于其要求在低速時(shí)具備較大扭矩，同時(shí)對(duì)燃油經(jīng)濟(jì)性要求較高，因此燃?xì)廨啓C(jī)同樣不適用于該類設(shè)備。就燃?xì)廨啓C(jī)的排氣污染方面而言，其排氣中的HC和CO含量較低，但NOX含量相對(duì)較高。

綜上所述，燃?xì)廨啓C(jī)的動(dòng)力性能雖然較好，但部分國(guó)家對(duì)其在車輛領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展仍持保守態(tài)度。就目前看來(lái)，燃?xì)廨啓C(jī)在重型車輛上的使用有一定的發(fā)展前途，值得開(kāi)展相關(guān)研究。

6.3 車用汪克爾發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用前景展望

作為一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的動(dòng)力裝置，旋轉(zhuǎn)活塞發(fā)動(dòng)機(jī)始終具有較高的技術(shù)吸引力。目前，旋轉(zhuǎn)活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的型式雖然較多，但廣泛投入使用的只有汪克爾發(fā)動(dòng)?機(jī)。

在相同的壓縮比下，汪克爾發(fā)動(dòng)機(jī)可燃用低辛烷值汽油，且拆裝方便，維修簡(jiǎn)易，制造工藝也不算復(fù)雜。此外，汪克爾發(fā)動(dòng)機(jī)還有一個(gè)突出的優(yōu)點(diǎn)，就是排氣中NOX的含量比傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)更低。NOX是形成光化學(xué)煙霧的重要因素，危害極大且很難控制。在當(dāng)前大氣污染問(wèn)題日益為人們所關(guān)注的情況下，汪克爾發(fā)動(dòng)機(jī)在排氣凈化方面的優(yōu)越性，很可能使它成為未來(lái)很有前途的汽車動(dòng)力裝置之一。在早期發(fā)展過(guò)程中，汪克爾發(fā)動(dòng)機(jī)曾面臨如下幾項(xiàng)技術(shù)難題：

（１）排氣污染問(wèn)題仍需進(jìn)一步解決；

（２）密封問(wèn)題急需改進(jìn)；

（３）由于結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)，火花塞的冷卻問(wèn)題必須研究解決；

（４）進(jìn)排氣孔口和火花塞的最佳位置難以選擇，燃燒室形狀設(shè)計(jì)困難；

（５）燃料及機(jī)油消耗較高，仍需進(jìn)一步改善。

6.4 車用內(nèi)燃機(jī)應(yīng)用前景展望

汽油機(jī)、柴油機(jī)等傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)與上述幾類特種發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)特征對(duì)比如表1所示。

以汽油機(jī)和柴油機(jī)為代表的傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)，在經(jīng)濟(jì)性、可靠性及維修保養(yǎng)等方面，均有一定的優(yōu)勢(shì)。斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)是一類外燃式發(fā)動(dòng)機(jī)，由于結(jié)構(gòu)龐大，并不適用于常規(guī)汽車。而絕熱發(fā)動(dòng)機(jī)由于材料及制造等方面的原因，在車用動(dòng)力領(lǐng)域的應(yīng)用也受到一定的限制。雖然燃?xì)廨啓C(jī)及汪克爾發(fā)動(dòng)機(jī)今后可用在部分車型上，但大部分汽車還將采用傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)作為動(dòng)力。

隨著技術(shù)的發(fā)展，內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)速也在逐步提高，其結(jié)果之一是最大扭矩工況點(diǎn)也逐步向高速端移動(dòng)。為了更好地利用發(fā)動(dòng)機(jī)的功率，變速器的擋位數(shù)也在逐步增加。在柴油機(jī)的排氣成分中，CO和HC也在逐步減少，從降低排放的角度來(lái)看，柴油機(jī)也有著較大優(yōu)勢(shì)。

在車用動(dòng)力領(lǐng)域，其他幾類特種發(fā)動(dòng)機(jī)在今后還需要長(zhǎng)期的研發(fā)及優(yōu)化工作，才有可能達(dá)到投入實(shí)際應(yīng)用的地步，因此目前，上述幾類特種發(fā)動(dòng)機(jī)尚無(wú)法與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)。另外，由于燃料供應(yīng)等問(wèn)題，車用動(dòng)力裝置的經(jīng)濟(jì)性仍需進(jìn)一步提升。

7 結(jié)論

綜上所述，在車用動(dòng)力領(lǐng)域，內(nèi)燃機(jī)自身的可靠性、耐久性及經(jīng)濟(jì)性均能得到較好保障，且有著豐富的使用經(jīng)驗(yàn)?？紤]到幾類發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)特點(diǎn)，以及車輛自身的運(yùn)行特點(diǎn)，在未來(lái)的數(shù)年內(nèi)，內(nèi)燃機(jī)在車用動(dòng)力領(lǐng)域的統(tǒng)治性地位較難被撼動(dòng)，但對(duì)上述幾類特種發(fā)動(dòng)機(jī)的研究，仍有一定的技術(shù)意義。

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