涨知识 ▏转子发动机之二——你所不知道的星型转子发动机

现如今，空调已然成为家家户户的必备家电，我们在享受空调带来的种种便利时可能不会想到有一天空调会和研发汽车发动机扯上关系，就如一个苹果能启发牛顿研究出万有引力一样不可思议。

今天小编就给大家介绍一款国内可能很少人知道的新型发动机——星型转子（Star Rotor）发动机, StarRotor系统前身是德克萨斯农工（A&M）大学研制的一种空调膨胀机，化学工程博士马克·霍尔特萨普尔（Dr. Mark Holtzapple）和他的同事安德鲁·雷布罗克（Andrew Rabroker）在尝试设计一个更好的空调用膨胀机时得到了灵感，决定了StarRotor的基本结构。当他们联想到汽车发动机时，雷布罗克说“我们立刻就把空调抛在了脑后”，随即他们成立了一家公司（也叫Star Rotor ），期望将这项技术商业化。

众所周知，常见的汽车发动机其工作循环过程发生在气缸内，由活塞往复运动形成进气、压缩、膨胀做功和排气的四冲程热力循环。StarRotor发动机采用的则是喷气式发动机（燃气轮机）相同的热力学原理（布雷顿循环），不同于常见的汽车发动机是在一个气缸内完成所有热力学循环，布雷顿循环中工质依次流经不同部件，气体经由进气道被吸入压气机压缩，然后燃烧室中进行等压加热，后经过燃烧室加热后高温气体经过涡轮等熵膨胀，推动涡轮做功自身内能下降温度降低。

这个过程中，可以重复使用通常在废气排放中浪费的热量，能够将燃烧化学能的45-65%转化为机械能，这是活塞结构发动机所无法实现的（采用奥拓循环的汽油机一般不超过30%，而采用狄塞尔循环的柴油机不超过50%）。

高温废气在燃料注入前预先加热进入燃烧器的空气，而加热后的空气可以带来更加充分、完全的燃烧，这意味着使用等量的燃料时， StarRotor可以比传统的发动机获得更多的动力。并且相对于柴油机向环境中释放高压比，节流噪声非常大，布雷顿循环释放的排气为一个大气压下，可使机械噪声最小化。

StarRotor 主要包括压气机、燃烧器、膨胀机、热交换器等几个主要部件， 其运动部分只有压气机与膨胀机，且这两部件采用独特的内啮合转子结构。

内啮合转子式机构虽早已大规模用于油泵中，但用于压气机或膨胀机上并不常见，最早的原理公认由M.F.Hill提出的，以追溯到17世纪末以圆的摆线为齿廓的内啮合齿轮的发明。

在20世纪30年代，摆线机构开始流行。摆线齿轮泵，尽管当时转子之间的间隙达100um以上，但由于液体密度较大、粘度较高，因此不容易出现泄漏，因而率先在液压系统中开始大量使用。但限于传统的制造工艺水平，无法保证摆线行星齿轮的加工精度，使得在高转速运转条件下，噪声和振动很大、稳定性较差而无法使用。从70年代开始，内啮合转子机构研究更加活跃。随着加工工艺水平的提高，当时转子之间的间隙可以控制在50um左右，已能勉强满足气体的密封（泄漏），因此开始应用于“气体”工质的内啮合转子膨胀机（对于膨胀机而言，泵是一种“粗糙”的产品）。

StarRotor发动机基于布雷顿循环发动机的一大创新就是将内齿轮转子用于压气机和膨胀机，这种内齿轮转子克服了传统布雷顿循环发动机中压气机和膨胀机需要高转速采用理想的压力和流量的问题，且传统布雷顿循环发动机仅在某一转速下具有较好的效率，同时，它们还会受到空气密度变化（因空气湿度和海拔高度的变化）的影响。

StarRotor发动机采用的压气机并非由燃气轮机中“涡轮”来驱动的，而是由齿轮驱动的，涡轮为“自由涡轮”。StarRotor 膨胀机带有 n 个齿的内部的内齿轮转子和 n+1 个齿的外部的内齿轮转子。内齿轮旋转，高压气体从进气道进入，外部的内齿轮转子旋转一周空隙开启n+1次，空隙开启时气体在内齿轮转子上膨胀做功，压力降低至一个大气压时，气体进入排气道。

活塞式压缩机/膨胀机转变为齿轮泵“转子式”，结构大大简化、尺寸和重量大大减小，转速不受“平衡”约束而可以更高；并且拥有较高的“转化率”，意味着它们能够在高速和低速的“大转速范围内”均可高效运行。

自马克·霍尔特萨普尔博士等人成功申请 StarRotor 发动机的专利，至今已有将近 10 年的时间。经过一段时间的发展，StarRotor 发动机也取得了一定的成果，目前为止， StarRotor 发动机虽然还不能够投入生产应用，但其最核心的压气机与膨胀机已经有了长足的进步，已经具备了较高的效率。