0.3 转动式内燃机

在蒸汽机的发展历史中，从往复活塞式蒸汽机到蒸汽轮机的演化过程对内燃机的发展启发巨大。往复式内燃机运动要通过曲轴连杆机构或凸轮机构、摆盘机构、摇臂机构等，转换为功率输出轴的转动，这样不仅使机构复杂，而且由于转动机构的摩擦损耗，还会降低机械效率。另外由于活塞组的往复运动造成曲柄连杆机构的往复惯性力，这个惯性力与转速的平方成正比。随转速的提高，轴承上的惯性负荷显著增加，并由于惯性力的不平衡而产生强烈的振动。此外，往复式内燃机还有一套复杂的气门控制机构。于是人们设想：既然工具机的运动形式大部分都是轴的转动，能否效法从往复活塞式蒸汽机到蒸汽轮机的路子，使热能直接转化为轴的转动呢？之后，先人们开始了在这一领域的探索。

1．燃气轮机

1873年布拉顿（George Brayton）制造了一种定压燃烧的发动机。该机能提供使燃气完全膨胀到大气压所发出的功率。20世纪初法国的阿曼卡（Bene Armangaud）等成功地应用布拉顿循环原理制成燃气轮机。但是，因当时条件限制，热效率很低未能得到发展。

到20世纪30年代，由于空气动力学及耐高温合金材料和冷却系统的进展，为燃气轮机进入实用创造了条件。燃气轮机虽然是内燃机，但它没有像往复式内燃机那样必须在封闭的空间里和限定的时间内燃烧的限制，所以不会发生像汽油机那样令人担心的爆震，也很少像柴油机那样受摩擦损失的限制；且燃料燃烧所产生的气体直接推动叶轮转动，故它的结构简单（与活塞式内燃机相比，其部件仅为它的1/6左右）、质量轻、体积小、运行费用省，且易于采用多种燃料，也较少发生故障。虽然燃气轮机目前尚存在一些缺点：寿命短、需要高级耐热钢材和成本高及排污（主要是NOx）较严重等，致使至今燃气轮机的应用仍局限于飞机、船舶、发电厂和机车，但是由于布拉顿循环的优越性和燃气轮机对燃油的限制少及上述的其他优点，使得它仍为现在和将来人们致力研究的动力技术之一。如果可突破涡轮入口温度，大大提高热效率，且克服其他缺点，燃气轮机有望取代汽、柴油机。

2．旋转活塞式发动机

一直以来人们都在致力于建造旋转式发动机，其目标是避免往复式发动机固有的复杂性。在1910年以前，人们曾提出过2000多个旋转发动机的方案。20世纪初，又有许多人提出不同的方案，但大多因结构复杂或无法解决汽缸密封问题而不能实现。直到1954年，德国人汪克尔经长期研究，突破了汽缸密封这一关键技术，才使具有长短幅圆外旋轮线缸体的三角旋转活塞发动机首次运转成功。转子每转一圈可以实现进气、压缩、燃烧膨胀和排气过程，按奥托循环运转。1962年三角转子发动机作为船用动力，到20世纪80年代日本东洋工业公司把它用于汽车引擎。

转子发动机有一系列的优点。

（1）它取消了曲柄连杆机构、气门机构等，得以实现高速化。

（2）质量轻（比往复式内燃机质量下降1/2～1/3）、结构和操作简单（零件数量比往复式少40%，体积减少50%）。

（3）在排气污染方面也有所改善，如NOx产生较少。

同时，转子发动机也存在着严重的不足之处：

（1）这种结构的密封性能较差，至今只能作为压缩比低的汽油机使用。

（2）由于高速带来了扭矩低，组织经济的燃烧过程困难。

（3）寿命短、可靠性低以及加工长短轴旋轮线的专用机床构造复杂等。