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美國SCORE轉子發動機

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美國SCORE轉子發動機 - 概述50年代中期,聯邦德國費利克斯·汪克爾(Felix Wankel)工程師發明三角活塞旋轉式發動機(簡稱轉子發動機或汪克爾轉子發動機)。

國別 美國 
名稱 SCORE轉子發動機
Stratified Charge omnivorous Rotary Engine(SCORE) 
研製單位 約翰·迪爾國際技術公司轉子發動機分部
John Deere Technologies International Incorporated Rotary En 
生產單位 約翰·迪爾國際技術公司轉子發動機分部
John Deere Technologies International Incorporated Rotary En 
現狀 研製 

美國SCORE轉子發動機美國SCORE轉子發動機

 

1 美國SCORE轉子發動機 -概述

       50年代中期,聯邦德國費利克斯·汪克爾(Felix Wankel)工程師發明三角活塞旋轉式發動機(簡稱轉子發動機或汪克爾轉子發動機)。不久以後,美國柯蒂斯·萊特公司(Curtiss Wright Corporation)向聯邦德國NSU汽車公司購買了轉子發動機專利,開始研製這種新型動力。1963年研製成RC2-60汽油轉子發動機,標定功率112kW,轉速7000r/min,單轉子排量0.98L,重量107.7kg。
       柯蒂斯·萊特公司研究的轉子發動機引起了美國軍方的注意。早在1962年,美國陸軍坦克機動車輛局(TACOM)就對該公司研製的幾咱發動機進行過軍用評定,如曾將RC2-60汽油轉子發動機裝在2.5t軍用卡車上進行北約(NATO)400h耐久試驗,還裝在洛克希德(Lockheed)公司的YO-3A實驗偵察機上進行試驗。但在這以後的10多年中轉子發動機的軍用研究屢受挫折。60年代以後日本、英國、美國等相繼研製大功率柴油轉子發動機。由於柴油轉子機壓縮比高,最高爆發壓力大,在研製過程中普遍出現了與三角活塞和殼體密封有關的結構、材料的工作可靠性和使用壽命問題。於是有關公司放棄了研究,但美國柯蒂斯·萊特公司仍在繼續,尤其是該公司將分層進氣燃燒系統應用到轉子發動機上以後使其軍用前景出現了轉機。 
        1977年,美國海軍為發展下一代水陸兩用登陸車(LVA)動力,與柯蒂斯·萊特簽訂了一個研製費用為2400萬美元的4轉子發動機研製合同,標定功率為1103kW,轉速3600r/min,總排量23.1L,這就是以後命名為4231R的轉子發動機。
       美國約翰·迪爾國際技術公司1984年2月向柯蒂斯·萊特公司購買了有關轉子發動機的全部技術和資產,原來屬於柯蒂斯·萊特公司的新澤西州伍德里奇的研究所已成為約翰·迪爾國際技術公司轉子發動機研究分部。
       該公司現在在研製SCORE 70、SCORE170和SCORE580 3種系列轉子發動機,SCORE580系列又分為SCORE1(研製型)和SCORE2(生產型)兩種機型。
       單轉子排量最大的SCORE580系列由單、雙、3、4和6轉子菜5種機型組成,與軍用關係最大。單轉子的排量和功率分別為5.8L和276kW。該系列發動機採用分層進氣燃燒系統和渦輪增壓(壓比為2)技術。根據與美國海軍、海軍陸戰隊(USN/USMC)1986年6月簽訂的為期3年的合同正在研製2116R雙轉子發動機,並驗證其標定功率,準備用於海軍陸戰隊的LVT(X)水陸兩用突擊車和其他軍用車輛。按計劃該發動機於1987年進行樣機鑒定,1990年投入生產。SCORE2系列發動機有可能將單轉子功率從280kW/轉子提高到560kW/轉子,採用的技術措施是提高平均有效壓力和轉速,通過隔熱減少散熱量、減少摩擦等。
       最初為美國海軍陸戰隊研製的SCORE580系列中的4231R轉子發動機也在研製中,有可能作為美國海軍艦船推進裝置和發電設備。
約翰·迪爾國際技術公司轉子發動機的系列名稱和發動機型號標識意義為:
    1.系列名稱
SCORE是分層進氣多種燃料轉子發動機的英文字首字母的組合,數字錶示該系列發動機的單轉子排量。如SCORE170為單轉子排量為1.7L的分層進氣多種燃料轉子發動機系列。
    2.型號標識
如4 231 R轉子發動機:Rotary字首字母
總排量:3位數口,第一位以10L為單位,第二位以1L為單位,第三位以0.1L為單位
轉子數
所以4231R,即總排量 為23.1升的4轉子發動機。

2 美國SCORE轉子發動機 -結構特點

       汪克爾型轉子發動機的每一對轉子副由內表面是雙弧余擺線的殼體和表面由包絡線形成的三角活塞(轉子)組成,活塞的頂點與殼體內表面接觸。殼體和三角活塞表面包圍著的3個工作容積,當轉子旋轉時,由於轉子軸頸與主軸頸偏心而發生容積變化,從而完成進氣、壓縮、作功和排氣過程。可以根據功率需要,設計轉子排量和轉子數不同的發動機。
       轉子發動機的主要組成部分有轉子、殼體、端蓋、中間體(多轉子發動機)以及轉子傳動齒輪和主軸等。作為關鍵部件的轉子上有多種密封件,如在轉子頂點的頂部密封、轉子端面的側面密封,位於頂部密封與側面密封之間的鈕和型密封以及轉子的油密封等。
       轉子發動機的轉子滑套在主軸上,相對於主軸軸心作行星運動。轉子轉360°,主軸轉360°×3,轉子轉速是主軸轉速的1/3。主軸每轉一周,轉子的某一面就作功一次。下圖是SCORE轉子機的工作過程。
    1.進氣過程
轉子頂部密封打開進氣口時,經增壓后的空氣進入工作腔。
    2.進氣和壓縮過程
空氣繼續進入直到轉子另一頂部密封關閉進氣口為止。轉子繼續轉動,腔內氣體受壓縮。
    3.燃燒過程
當氣體被壓縮到接近最小體積時,輔助噴嘴噴射一定的引燃油量,經電火花塞點燃而形成引燃火焰。
    4.作功過程
主噴嘴噴油,燃油和空氣形成層狀可燃混合氣。引燃火焰點燃混合氣,產生的高溫高壓燃燒氣體膨脹作功。
    5. 排氣過程
排氣口打開,廢氣由此排出並進入渦輪增壓器渦輪,再次作功。
SCORE各系列發動機除了具有轉子發動機的基本結構以外還採用了分層進氣燃燒系統,因此具有下列主要特點:
    1.高單位體積功率和低比重量
高單位體積功率使轉子發動機有可能成為戰車的理想動力。例如1103kW的4231R轉子發動機單位體積功率為959kW/m3,高度為750mm。戰鬥車輛發動機的三維尺寸中,高度對車輛的影響最大。轉子發動機高度低,為降低車高提供可能性,十分適合戰車應用。
轉子發動機低的比重量有利於降低生產成本和維護保養費用。
    2.有多種燃料性能
分層進氣燃燒系統是約翰·迪爾國際技術公司的專利。該系統既解決了柴油轉子發動機高壓縮比帶來的密封問題,又可實現發動機多種燃料性能要求。為了建立分層進氣燃燒過程,採用噴射、點燃燃燒方式,利用2個直接噴射式噴嘴、1個輔助噴嘴直接置於電火花塞下面,噴射少量燃油至充滿壓縮空氣的燃燒室,霧化的燃油由電點火的火花塞點燃形成引燃火焰,引燃火焰再點燃由另1個主噴嘴噴射的大量燃油與空氣形成的可燃混合氣。
SCIRE各系列發動機採用分層進氣燃燒系統后可以燃用1號、2號柴油、JP4、JP5、JP8噴氣動機燃油、汽油、煤油和酒精,具有與往複式柴油機差不多的燃油經濟性,惰轉油耗較低。這種燃燒系統還給發動機帶來了冷起動容易、雜訊低、振動小、不冒黑煙等特點。
    3.提高了可靠性、可使用性、維修性和耐久性(RAM-D)
轉子發動機結構簡單,與4衝程往複式發動機相比,零部件數量可減少40%,尤其是氣門、推桿、連桿、凸輪軸等運動件的數量更為減少,從而可預期發動機有較長的使用壽命和大修間隔期,還可簡化後勤工作。
    4.模塊化和通用化程度高
轉子發動機便於由不同轉子數組合成多種排量的功率覆蓋面很大的系列發動機。如SCORE580系列,最低功率為276kW(單轉子機),最高功率達1656kW(6轉子機)。從這點看來,轉子發動機比往複式發動機有更高的系列化性能。SCORE系列發動機中,系列化零件數達83%,可通用零件數達90%。
此外,轉子發動機轉動慣量小,有利於發動機加、減速,可提高車輛機動性;沒有往複運動件和氣門機構,平衡性好,振動小,而且摩擦損失小,非增壓轉子發動機的機械效率在80%以上。
轉子發動機的主要問題是轉子上的密封件,尤其是頂部密封的磨損問題,嚴重影響其性能和使用壽命。儘管580系列中的雙轉子發動機在607kW(825馬力)(超負荷10%)功率下完成了北約(NATO)400h耐久性試驗以及更嚴格性能、環境試驗、近3000h的可靠性試驗,但密封件易於磨損被認為是轉子發動機的一個固有缺點。這種發動機的工作可靠性和使用壽命尚待實踐證實。

3 美國SCORE轉子發動機 -系列化

約翰·迪爾國際技術公司在研製中的3個系列轉子發動機的簡況是:
    1.SCORE70系列
本系列包括1007R、2013R、3020R和4026R共4種機型,單轉子排量為0.7L,近期功率範圍為59kW(80馬力)~236kW(320馬力),適用於地面支援設備、軍用車輛輔助動力裝置和高機動性車輛動力。美國國家航空和航天局(NASA)劉易斯研究中心(Lewis Research Center)與該公司簽訂了一個4250萬美元的研製合同,為輕型飛機研製2013R雙轉子發動機,要求在1990年前作好生產準備。
    2.SCORE170系列
本系列包括1017R、2034R、3051R、4068R和6102R共5種機型,單轉子排量為1.7L,近期功率範圍為147kW(200馬力)~882kW(1200馬力,是該公司與阿夫柯-萊卡明公司聯合研製的。該系統可用于飛機推進裝置和輔助動力裝置,也可擴大應用於中型和輕型裝甲車輛,估計在1990年以後可供應用。
    3.SCORE580系列
本系列包括1058R、2116R、3174R、4231R和6347R共5種機型,單轉子排量為5.8L,近期功率範圍為276kW(375馬力)~1655kW(2250馬力)。
       SCORE70和SCORE580系列發動機的遠期功率目標將提高1倍。在發展機型上除採用渦輪增壓中冷技術外,還正在進行絕熱轉子發動機的研究。用於研究的基型發動機是1007R的壓縮比為7.5:1,在轉速7000r/min時標定功率達78kW(106馬力)。已為該機研製了一種電子控制燃油噴射系統,1986年進行了試驗。此外,還與麻省理工學院(MIT)斯隆汽車實驗室協作建立了分層進氣轉子發動機燃燒模擬以研究如提高壓縮比,加速燃燒過程,減少三角活塞頂點和側面密封漏油等性能改進方案。隔熱技術研究表明,採用陶瓷塗層,可以達到50%絕熱度,要達到更高的絕熱度,則要採用整體陶瓷零件。
SCORE70、SCORE170、SCORE580系列發動機主要性能參數
型號轉子數排量功率增長功率外形尺寸體積單位體積功率*重量比重量*
(L)(kW)(kW)長×寬×高(mm)(m3)(kW/m3)(kg)(kg/kW)
SCORE70系列
1007R10.759118560×530×5050.150393901.5
2013R21.3118236685×530×505  0.1856381150.97
3020R32.0176352840×530×505  0.2257521660.94
4026R42.6236472965×530×505  0.2609081950.83
SCORE170系列
1017R11.7147184585×736×505  0.226681471
2034R23.4294368741×736×505  0.2710892230.75
3051R35.1441552880×736×505  0.3313362910.66
4068R46.85887361020×736×5050.3815473640.62
6102R6   10.2   8821103  0.5416335140.58
SCORE580系列
1058R15.8276556888×1000×7500.67412412  1.49
2116R211.655211031110×1000×7500.84   657643  1.16
3174R317.482816561350×1000×7501.15  9591020 0.92
6347R634.7165533102185×1000×7501.651004   1450     0.88
*比重量和單位體積功率值都是以近期功率計算的。

4 美國SCORE轉子發動機 -性能數據

型號2116R
類型
轉子數2
冷卻方式水冷
燃燒系統分層進氣、直接噴射與點燃
燃料種類柴油(1號、2號)、汽油、酒精、JP4、JP5、JP8
增壓方式渦輪增壓
壓比2
有無中冷無
曲軸轉向逆時針
曲軸支承3支點
單轉子排量 5.8L
總排量   11.6L
壓縮比    8.5
標定功率552kW
標定轉速6000r/min
最大扭矩110N·m
最大扭矩轉速  3750r/min
升功率47.6kW/L
燃油消耗率(標定)245g/kW·h
燃油消耗率(最低)233g/kW·h
外形尺寸
長  1100mm
寬  1000mm
高  750mm
單位體積功率  657kW/m3
重量   643kg
比重量    1.16kg/kW  

5 美國SCORE轉子發動機 -相關資料

http://www.defenseonline.com.cn/weapon/tank/fdj/fdj573.htm

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