《工程科学学报》录用稿，https://doi.org/10.13374/i,issn2095-9389.2021.06.02.002©北京科技大学2020 工程科学学报 转子发动机径向密封片的研究综述 纪常伟)回，杨振宇》，杨金鑫，汪硕峰”，黄雄辉”，常珂 1)北京工业大学环境与能源工程学院，北京100124 ☒通信作者，E-mail:chwji@but.edu.cn 摘要1954年，Felix Wankel与NSU公司合作发明了世界上第一台转子发动机，转子发动机的发明是对内燃机结构 上的一次重大变革，转子发动机具有结构简单、体积小、运转平稳、高速性能好等优，但是转子发动机密封部件多、 气密性差，严重制约转子发动机的发展。径向密封片作为转子发动机最重要的密封部件安装在转子的三个顶点， 径向密封片直接暴露在高温高压燃气中，存在振拍、漏气和磨损三大关键问题，这些问惠会导致称为“魔鬼爪痕” 的缸体振纹的出现，这些问题直接影响转子发动机的工作性能和使用寿命。NSDM2da等公司对径向密封片的发展 做出巨大，开发了多种型号径向密封片并采用了多种材料。随着材料技术的发展，入些新型材料与表面处理工艺可 以应用于径向密封片，例如：碳纤维、石墨烯等纳米材料，激光表面处理、新型涂层等工艺。本文综述了NSU、Mazda 和Curtiss-.Wright在径向密封片上取得的成果，最后结合新型结构新型材料与处理工艺，对径向密封片的未来发展 提出建议。 关键词：转子发动机：径向密封片：密封性能：结构设计： 分类号TK45+4.6 Research overview of rotary engine apex seals JI Chang-wei,YANG Zhen-yu,YANG Jin-xin,WANG Shuo-feng,HUANG Xiong-hui,CHANG Ke 1)College of Environmental and Energy Engineering,Beijing University of Technology,Beijing 100124,China Corresponding author,E-mail:chwji@bj ABSTRACT In 1954,Felix Wankel became the first in the world to successfully develop a rotary engine with the cooperaion of NSU.Thetirotary ngine isarevolution in the structure of the inemal combustion engn.The rotary engine has the adyantages of simple structure,small and light,stable operation and better high-speed performance. However,the development of the rotary engine is seriously restricted by its poor sealing problem.The apex seal is provided on each apex of the rotor to keep each working chamber gas-tight.Since it is directly exposed to high pressure combustion gas and subject to various kinds of restraint involved in the planetary motion,most efforts have been concentrated on the study of its performance and durability.Apex seal has three key problems,such as vibration,gas leakage and wear,this These problems will lead to the emergence of chatter marks which called the nail marks of the devil.This problems directly affect the working performance and service life of the rotary engine.Mazda and NSU Mazda has made great contribution to the improvement of apex seal.Many types of Apex Seals have been developed:solid-type apex seal,split-type apex seal,cross- hollow apex seal,three-piece apex seal and so on.Many materials have been used in apex seal,such as:alumetizing carbon, special cast iron and fiber reinforced ceramics.The 21st century is a technological century,with the development of material technology,some new materials and treatment processing technology could be applied to apex seal,for instance,laser surface treatment,new coatings.Carbon fibre,graphene,nanometer material could improve the wear resistance and mechanical 空：科技部重点研发资助项目2018YFB0105400:新能源汽车北京实验室资助项目K00501520160:北京 电动车辆协同创新中心资助项目(38005015201502)：北京市科技计划课题资助项目(Z181100004518006)
工程科学学报 转子发动机径向密封片的研究综述 纪常伟 1) ，杨振宇 1)，杨金鑫 1)，汪硕峰 1)，黄雄辉 1)，常珂 1) 1) 北京工业大学环境与能源工程学院，北京 100124 通信作者，E-mail: chwji@bjut.edu.cn 摘 要 1954 年，Felix Wankel 与 NSU 公司合作发明了世界上第一台转子发动机，转子发动机的发明是对内燃机结构 上的一次重大变革，转子发动机具有结构简单、体积小、运转平稳、高速性能好等优点，但是转子发动机密封部件多、 气密性差，严重制约转子发动机的发展。径向密封片作为转子发动机最重要的密封部件，安装在转子的三个顶点， 径向密封片直接暴露在高温高压燃气中，存在振拍、漏气和磨损三大关键问题，这些问题会导致称为“魔鬼爪痕” 的缸体振纹的出现，这些问题直接影响转子发动机的工作性能和使用寿命。NSU、Mazda 等公司对径向密封片的发展 做出巨大，开发了多种型号径向密封片并采用了多种材料。随着材料技术的发展，一些新型材料与表面处理工艺可 以应用于径向密封片，例如：碳纤维、石墨烯等纳米材料，激光表面处理、新型涂层等工艺。本文综述了 NSU、Mazda 和 Curtiss-Wright 在径向密封片上取得的成果，最后结合新型结构、新型材料与处理工艺，对径向密封片的未来发展 提出建议。 关键词：转子发动机；径向密封片；密封性能；结构设计；材料；综述 分类号 TK45+4.6 Research overview of rotary engine apex seals JI Chang-wei1) , YANG Zhen-yu1) , YANG Jin-xin1) , WANG Shuo-feng1) , HUANG Xiong-hui1) , CHANG Ke1) 1) College of Environmental and Energy Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China Corresponding author, E-mail: chwji@bjut.edu.cn ABSTRACT In 1954, Felix Wankel became the first in the world to successfully develop a rotary engine with the cooperation of NSU. The invention of the rotary engine is a revolution in the structure of the internal combustion engine. The rotary engine has the advantages of simple structure, small and light, stable operation and better high-speed performance. However, the development of the rotary engine is seriously restricted by its poor sealing problem. The apex seal is provided on each apex of the rotor to keep each working chamber gas-tight. Since it is directly exposed to high pressure combustion gas and subject to various kinds of restraint involved in the planetary motion, most efforts have been concentrated on the study of its performance and durability. Apex seal has three key problems, such as vibration, gas leakage and wear, this These problems will lead to the emergence of chatter marks which called the nail marks of the devil. This problems directly affect the working performance and service life of the rotary engine. Mazda and NSU Mazda has made great contribution to the improvement of apex seal. Many types of Apex Seals have been developed: solid-type apex seal, split-type apex seal, crosshollow apex seal, three-piece apex seal and so on. Many materials have been used in apex seal, such as: alumetizing carbon, special cast iron and fiber reinforced ceramics. The 21st century is a technological century, with the development of material technology, some new materials and treatment processing technology could be applied to apex seal, for instance, laser surface treatment, new coatings. Carbon fibre, graphene, nanometer material could improve the wear resistance and mechanical 收稿日期: 基金项目: 科技部重点研发资助项目(2018YFB0105400)；新能源汽车北京实验室资助项目(JK005015201601)；北京 电动车辆协同创新中心资助项目(38005015201502)；北京市科技计划课题资助项目(Z181100004518006) 《工程科学学报》录用稿，https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2021.06.02.002 ©北京科技大学 2020 录用稿件，非最终出版稿
property.This paper summarizes the achievements of Mazda,NSU and Curtiss-Wright.Finally,according to the new materials and materials and treatment processing technology,the new structure and new materials for application are given in this paper.This paper puts forward some suggestions for the future development of apex seals. KEY WORDS rotary engine:apex seals;sealing performance:structure design:material:review 转子发动机（以下简称转子机）是由德国人FeliⅸWankel在1954年发明的，转子机的发明是对 内燃机结构上的一次重大变革，转子机具有结构简单、体积小、运转平稳、高速性能好等优点，但是 转子机需要密封的部位较多，密封零件较多，密封性能远不及往复机。径向密封片作为最重要的密 封件，存在漏气、振拍和磨损严重的问题，这些问题影响转子机的性能和寿命，制约着转子机的发 展。径向密封片的密封问题是转子机发展所必须解决的最关键的问题，为了解决这些问题，西德 NSU、日本Mazda和美国Curtiss-.Wright公司对径向密封片做出诸多结构和材料的改进，并取得了 一定成果。随着加工工艺的发展与新型工程材料的不断涌现，为解决径向密封片的密封问题提供了 新的设计思路与加工处理方法，本文总结了NSU、Mazda等公司的研究成果 并结合新型结构、新 型工艺与新型工程材料，对发动机径向密封片的发展进行了展望。 1转子机与径向密封片简介 1.1转子发动机简介 转子发动机与往复式活塞发动机（以下简称往复机） 都是依靠燃料燃烧产生的膨胀压力获得动 力，不同于往复机，转子机的转子承受燃烧压力并使偏心轴输出扭矩，转子不作往复运动而是作单 方向的旋转运动。 转子机与往复机相比，转子机体积小，重量轻，不要设置连杆，进排气口依靠转子本身运动 开关，转子机也不需要配气机构叫，结构更加精简。以效缸汽油转子机，与功率相同、指标先进的6 ~8缸汽油往复机相比，发动机零件总数减少20%40%，运动件减少40%~60%，重量是往复机 的50%~70%，体积约小30%~50%，转子机的成本约为同功率往复机的80%。 转子机功率密度高于往复机，其功率/重量比较往复机高60%左右啊，而且转子机旋转活塞式 的运动方式，使其不用承受过高的惯性力扭矩更为均匀，双缸转子机的扭矩波动与六缸活塞机同 等。同时转子机转动平稳，产生的振动小。 德国NSU公司是最早研发搭载转子机汽车的公司，日本Mazda公司是转子机应用于汽车动力 最成功的企业。随着“碳利入利“碳达峰”的提出和节能减排政策的影响，电动汽车、增程式电 动汽车和混合动力汽车蓬孰发展，奥地利AVL⑧9、德国Audi、日本Mazda等将转子机应用于增程 式电动汽车，此外Mazà，还研制出RENESIS氢转子机，为转子机的发展提供了新方向。 虽然转子机拥有往复机不具备的优势，但是转子机也存在诸多缺点，油耗、排放高，润滑效果 差，转子机需要密封的地方很多，密封线长度也大于往复机，造成转子机密封性能较差，漏气严 重，制约转子机的发展。 1.2径向密封片情介 为保证转子机的密封性能，转子上安装有密封组件，见图1所示，转子机的密封组件包括：径 向密封片、端面密封条、密封柱塞，密封柱塞将径向密封片与端面密封条连结起来，三者背后都安 装有弹簧，此外转子端面还安装有多条密封油环。 密封组件的主要作用是在工作过程中防止工作室漏气，同时将转子上所受热量的一部分传给缸 体、端盖和中隔板等，起到辅助散热作用，密封组件的可靠性至关重要
property. This paper summarizes the achievements of Mazda, NSU and Curtiss-Wright. Finally, according to the new materials and materials and treatment processing technology, the new structure and new materials for application are given in this paper. This paper puts forward some suggestions for the future development of apex seals. KEY WORDS rotary engine；apex seals；sealing performance；structure design；material；review 转子发动机（以下简称转子机）是由德国人 Felix Wankel 在 1954 年发明的，转子机的发明是对 内燃机结构上的一次重大变革，转子机具有结构简单、体积小、运转平稳、高速性能好等优点，但是 转子机需要密封的部位较多，密封零件较多，密封性能远不及往复机。径向密封片作为最重要的密 封件，存在漏气、振拍和磨损严重的问题，这些问题影响转子机的性能和寿命，制约着转子机的发 展。径向密封片的密封问题是转子机发展所必须解决的最关键的问题，为了解决这些问题，西德 NSU、日本 Mazda 和美国 Curtiss-Wright 公司对径向密封片做出诸多结构和材料上的改进，并取得了 一定成果。随着加工工艺的发展与新型工程材料的不断涌现，为解决径向密封片的密封问题提供了 新的设计思路与加工处理方法，本文总结了 NSU、Mazda 等公司的研究成果，并结合新型结构、新 型工艺与新型工程材料，对发动机径向密封片的发展进行了展望。 1 转子机与径向密封片简介 1.1 转子发动机简介 转子发动机与往复式活塞发动机（以下简称往复机）都是依靠燃料燃烧产生的膨胀压力获得动 力，不同于往复机，转子机的转子承受燃烧压力并使偏心轴输出扭矩，转子不作往复运动而是作单 方向的旋转运动。 转子机与往复机相比，转子机体积小，重量轻，不需要设置连杆，进排气口依靠转子本身运动 开关，转子机也不需要配气机构[2]，结构更加精简。以双缸汽油转子机，与功率相同、指标先进的 6 ～8 缸汽油往复机相比，发动机零件总数减少 20%～40%，运动件减少 40%～60%，重量是往复机 的 50%～70%，体积约小 30%～50%，转子机的成本约为同功率往复机的 80%[3]。 转子机功率密度高于往复机，其功率/重量比较往复机高 60%左右[4][5]，而且转子机旋转活塞式 的运动方式，使其不用承受过高的惯性力，扭矩更为均匀，双缸转子机的扭矩波动与六缸活塞机同 等[6]。同时转子机转动平稳，产生的振动小。 德国 NSU 公司是最早研发搭载转子机汽车的公司，日本 Mazda 公司是转子机应用于汽车动力 最成功的企业[7]。随着“碳中和”和“碳达峰”的提出和节能减排政策的影响，电动汽车、增程式电 动汽车和混合动力汽车蓬勃发展，奥地利 AVL[8][9]、德国 Audi[10]、日本 Mazda 等将转子机应用于增程 式电动汽车，此外 Mazda 还研制出 RENESIS 氢转子机，为转子机的发展提供了新方向。 虽然转子机拥有往复机不具备的优势，但是转子机也存在诸多缺点，油耗、排放高，润滑效果 差[6]，转子机需要密封的地方很多，密封线长度也大于往复机，造成转子机密封性能较差，漏气严 重，制约转子机的发展。 1.2 径向密封片简介 为保证转子机的密封性能，转子上安装有密封组件，见图 1 所示，转子机的密封组件包括：径 向密封片、端面密封条、密封柱塞[1]，密封柱塞将径向密封片与端面密封条连结起来，三者背后都安 装有弹簧，此外转子端面还安装有多条密封油环。 密封组件的主要作用是在工作过程中防止工作室漏气，同时将转子上所受热量的一部分传给缸 体、端盖和中隔板等，起到辅助散热作用[3]，密封组件的可靠性至关重要。 录用稿件，非最终出版稿
Large Apex Seal k Seal Spring Small Apex Seal Side Seal Spring Side Seal e 图1转子上的密封组件 Fig.1 Sealing parts on the rotor 径向密封片是最重要的密封部件”，它将三个工作室隔开，以防止相邻作室间的漏气，进而 影响转子机的燃烧性能。径向密封片工作在高温高压和缺乏润滑的恶劣环境中，要承受转子高速旋 转带来的惯性力和转子机燃烧做功阶段的气体压力，存在磨损、窜动、漏等问题，这些问题直接导 致转子机经济性能下降、使用寿命降低。 自转子机诞生以来，西德NSU公司、日本Mazda公司、美国C心rtiss-Wright公司等大量工程技术 人员对径向密封片进行了各种改进和大量的试验，并取得转子机密封性能的一定突破。下图2为 NSU公司和Mazda公司设计的径向密封片，其中整体式径向密封片是最简单的密封片设计，整体 式径向密封片存在较大漏气间隙，漏气面积较大，密封性能较差，尤其是径向密封片通过缸体热弧 段时，间隙长度会增加，漏气更为严重，整体式径狗密封片存在诸多问题，无法满足转子机的性 能要求。同时早期的径向密封片采用铸铁或者炭精材料？铸铁材料耐磨性能较差，炭精材料力学性 能较差，材料问题严重制约了径向密封片的工作性能。 Three piece split-type hree-piece split-type ex seal with cavity Apex seal with dual spring Three-picce split-type apex seal soid-ype到 wo-piece split- apex seal Soild-type apex seal/ 图2NSU公司和Mazda公司设计的径向密封片 Fig.2 Apex seals designed by NSU&Mazda 2.径向喜封片面临的关键问题 早期研究人员在研发转子机时，注意到发动机存在气密性差、密封片和缸体磨损严重，缸体甚 至出现振纹，这些问题导致转子机使用寿命很短、工作性能欠佳，无法满足实际工程需求。这些问题 归根结底是由径向密封片的振拍、漏气和磨损问题导致的，这些问题制约了转子机的发展，是转子 机实用化道路上必须要解决的问题，通过分析径向密封片的振拍、漏气和磨损问题以及缸体振纹等 问题，为改进措施提供理论依据。 2.1径向封片的曲 径向密封片在气缸型面上脉动地跳动称为密封片的振拍现象叫，振拍现象会引起密封片处的漏 气和气缸缸体振纹，同时加剧密封片的磨损，使发动机的动力性和寿命下降。 密封片顶部或者底部的气体脉动变化，使径向密封片的径向合力大幅变化，是造成振拍现象的 重要原因。首先分析径向密封片顶部气体脉动，当径向密封片顶部的气压P突然增大，会使径向合
图 1 转子上的密封组件[10] Fig.1 Sealing parts on the rotor[10] 径向密封片是最重要的密封部件[7]，它将三个工作室隔开，以防止相邻工作室间的漏气，进而 影响转子机的燃烧性能。径向密封片工作在高温高压和缺乏润滑的恶劣环境中，要承受转子高速旋 转带来的惯性力和转子机燃烧做功阶段的气体压力，存在磨损、窜动、漏气等问题，这些问题直接导 致转子机经济性能下降、使用寿命降低。 自转子机诞生以来，西德 NSU 公司、日本 Mazda 公司、美国 Curtiss-Wright 公司等大量工程技术 人员对径向密封片进行了各种改进和大量的试验，并取得转子机密封性能的一定突破。下图 2 为 NSU 公司和 Mazda 公司设计的径向密封片，其中整体式径向密封片是最简单的密封片设计，整体 式径向密封片存在较大漏气间隙，漏气面积较大，密封性能较差，尤其是径向密封片通过缸体热弧 段时，间隙长度会增加，漏气更为严重[11]，整体式径向密封片存在诸多问题，无法满足转子机的性 能要求。同时早期的径向密封片采用铸铁或者炭精材料，铸铁材料耐磨性能较差，炭精材料力学性 能较差，材料问题严重制约了径向密封片的工作性能。 图 2 NSU 公司和 Mazda 公司设计的径向密封片 Fig. 2 Apex seals designed by NSU&Mazda 2. 径向密封片面临的关键问题 早期研究人员在研发转子机时，注意到发动机存在气密性差、密封片和缸体磨损严重，缸体甚 至出现振纹，这些问题导致转子机使用寿命很短、工作性能欠佳，无法满足实际工程需求。这些问题 归根结底是由径向密封片的振拍、漏气和磨损问题导致的，这些问题制约了转子机的发展，是转子 机实用化道路上必须要解决的问题，通过分析径向密封片的振拍、漏气和磨损问题以及缸体振纹等 问题，为改进措施提供理论依据。 2.1 径向密封片的振拍 径向密封片在气缸型面上脉动地跳动称为密封片的振拍现象[11]，振拍现象会引起密封片处的漏 气和气缸缸体振纹，同时加剧密封片的磨损，使发动机的动力性和寿命下降。 密封片顶部或者底部的气体脉动变化，使径向密封片的径向合力大幅变化，是造成振拍现象的 重要原因。首先分析径向密封片顶部气体脉动，当径向密封片顶部的气压 pgT突然增大，会使径向合 录用稿件，非最终出版稿
力F减小到负值，使径向密封片脱离气缸型面，从而顶部出现漏气，密封片顶部的气体压力Pr由 于泄漏气体的流动而下降，从而使径向合力F恢复，径向密封片重新与气缸型面接触。当密封片与 气缸型面接触时，上述过程反复发生导致径向密封片出现振拍现象。 下面分析径向密封片底部的气体脉动情况，图3为转子机在燃烧上止点处的情况。 Rotary engine at Top Dead Center 图3处于上止点处的转子机 版稿 Fig.3 Rotary engine at TDC 图中的(A)为燃烧上止点时的前密封片，如图4中(A)所示入由子燃烧时气体压力急剧升高， P2>,气体压力使密封片向前倾侧，将密封片上侧间隙封中断了高压气体进入底部的通路，使 底部气体压力Pr减小，密封片径向合力F0,密封片恢复到正常的工作 位置，高压气体重新进入底部将密封片压向气缸型面族复了密封作用，同时导致侧面摩擦力重新 出现，在气体压力作用下密封片再一次发生倾侧《如此反复导致振拍现象山。图5所示的B)为后密 封片，根据同样的分析，也会出现振拍现象。/ Rotor housing Rotor housing Apex seal A)Abex seal Rotational (B)Apex seal efore TDC Direction After TDC 图4上止点位置的径向密封片 Fig.4 The Apex seal at the TDC 除气体脉动之外，在材料的粘合性质（密封片滑动速度减小时，摩擦系数增大：而滑动速度增 大时，摩擦系数减小的性质)作用下，会出现摩擦振动，也是导致振拍的因素。 径向密封片的振拍主要由于气体的脉动变化引起，燃烧上止点阶段气体压力骤然升高，这一阶 段易引发振拍。要解决径向密封片的振拍问题，避免径向密封片顶部与底部的气体脉动至关重要。 2.2工体振蚊● 缸体振纹是缸体型面上出现的波状磨损现象，被称为“鬼爪”。NSU在对KM37型转子机的早 期研究中发现，由于径向密封片与气缸型面的耐久性差，气缸型面燃烧区域常常出现振纹，见图 5所示。缸体振纹危害极大，会破坏发动机的密封，加剧密封片的磨损甚至断裂，对转子机性能和 使用寿命造成恶劣影响。在转子机的发展过程中，消除或减轻缸体型面的波状磨损是转子机关键技 术之一
力 F 减小到负值，使径向密封片脱离气缸型面，从而顶部出现漏气，密封片顶部的气体压力 pgT由 于泄漏气体的流动而下降，从而使径向合力 F 恢复，径向密封片重新与气缸型面接触。当密封片与 气缸型面接触时，上述过程反复发生导致径向密封片出现振拍现象。 下面分析径向密封片底部的气体脉动情况，图 3 为转子机在燃烧上止点处的情况。 图 3 处于上止点处的转子机 Fig.3 Rotary engine at TDC 图中的(A)为燃烧上止点时的前密封片，如图 4 中(A)所示，由于燃烧时气体压力急剧升高， p2>p1，气体压力使密封片向前倾侧，将密封片上侧间隙封闭，中断了高压气体进入底部的通路，使 底部气体压力 pgT减小，密封片径向合力 F0，密封片恢复到正常的工作 位置，高压气体重新进入底部将密封片压向气缸型面，恢复了密封作用，同时导致侧面摩擦力重新 出现，在气体压力作用下密封片再一次发生倾侧，如此反复导致振拍现象[11]。图 5 所示的(B)为后密 封片，根据同样的分析，也会出现振拍现象。 图 4 上止点位置的径向密封片 Fig.4 The Apex seal at the TDC 除气体脉动之外，在材料的粘合性质（密封片滑动速度减小时，摩擦系数增大；而滑动速度增 大时，摩擦系数减小的性质[11]）作用下，会出现摩擦振动，也是导致振拍的因素。 径向密封片的振拍主要由于气体的脉动变化引起，燃烧上止点阶段气体压力骤然升高，这一阶 段易引发振拍。要解决径向密封片的振拍问题，避免径向密封片顶部与底部的气体脉动至关重要。 2.2 缸体振纹现象 缸体振纹是缸体型面上出现的波状磨损现象，被称为“鬼爪”。NSU 在对 KM37 型转子机的早 期研究中发现，由于径向密封片与气缸型面的耐久性差，气缸型面燃烧区域常常出现振纹[12]，见图 5 所示。缸体振纹危害极大，会破坏发动机的密封，加剧密封片的磨损甚至断裂，对转子机性能和 使用寿命造成恶劣影响。在转子机的发展过程中，消除或减轻缸体型面的波状磨损是转子机关键技 术之一[3]。 录用稿件，非最终出版稿
CHATTER MARKS 图5 NSU KM37转子机缸体上的波状磨损 Fig5 Chatter marks on the cylinder block of KM372 振纹通常出现在靠近上止点的气缸型面长轴附近位置，如图6所示。卢法赛认为由于该区域 径向密封片所受的离心力较大，且前后气体压差较大，因此径向密封片对气缸型面的作用力较大， 此处径向密封片与气缸型面之间的摩擦力也较大，易发生严重的磨损和振，进府导致气缸振纹的 产生。 Rotor housing Housing profil xhaust 图6气缸型面振纹出现区域 Fig.6 The parts where chatter marks occurs in cylinder block 转子机的振纹是由很多原因引起的，有可能是在粘滑作用下，径向密封片对滑动面的摩擦振动 引起的径向密封片高次弯曲振动的自激振动相复合，从而导致振纹的出现。 Aakash等分析了缸体振纹出现的根本原因，通过类比电机碳刷振动模型，认为密封片与气缸 型面的摩擦系数是影响径向密封片颤振与振纹出现的重要因素，降低摩擦系数可以缓解缸体振纹现 象，因此径向密封片与缸型面的摩擦特性和润滑条件至关重要。 Mazda公司的研究人认为要解决缸体振纹问题，径向密封片与滑动面之间的动摩擦特性，以 及径向密封片的固振动频率与衰减特性等是重要的1。要解决缸体振纹问题，径向密封片与气缸 型面间的动摩擦特性和其自振频率都要考虑在内，这就对径向密封片的材料与结构提出了要求。 径向密封片的自振频率及径向密封片与缸体间的动摩擦特性是引起缸体振纹的根本因素，这些 因素同样也是振拍现象发生的重要因素，要解决缸体振纹现象，首先要解决径向密封片的振拍问题。 2.3径向密片的漏气向愿 转子机密封处漏气是造成转子机和往复机性能差异的主要原因，发动机转速降低时漏气会更加 明显，漏气会降低最大转矩，增加比油耗。 转子机气缸内的气体泄漏途径，一是经径向密封片向相邻工作室漏气，二是经端面气封条从端 面处漏气四。前者约占总漏气量的23~341，而向端面的漏气量较少可，气缸内的漏气路径如图7 所示
图 5 NSU KM37 转子机缸体上的波状磨损[12] Fig5 Chatter marks on the cylinder block of KM37[12] 振纹通常出现在靠近上止点的气缸型面长轴附近位置，如图 6 所示。卢法等[11]认为由于该区域 径向密封片所受的离心力较大，且前后气体压差较大，因此径向密封片对气缸型面的作用力较大， 此处径向密封片与气缸型面之间的摩擦力也较大，易发生严重的磨损和振拍，进而导致气缸振纹的 产生。 图 6 气缸型面振纹出现区域 Fig.6 The parts where chatter marks occurs in cylinder block 转子机的振纹是由很多原因引起的，有可能是在粘滑作用下，径向密封片对滑动面的摩擦振动 引起的径向密封片高次弯曲振动的自激振动相复合[13]，从而导致振纹的出现。 Aakash 等[14]分析了缸体振纹出现的根本原因，通过类比电机碳刷振动模型，认为密封片与气缸 型面的摩擦系数是影响径向密封片颤振与振纹出现的重要因素，降低摩擦系数可以缓解缸体振纹现 象，因此径向密封片与气缸型面的摩擦特性和润滑条件至关重要。 Mazda 公司的研究人员认为要解决缸体振纹问题，径向密封片与滑动面之间的动摩擦特性，以 及径向密封片的固有振动频率与衰减特性等是重要的[13]。要解决缸体振纹问题，径向密封片与气缸 型面间的动摩擦特性和其自振频率都要考虑在内，这就对径向密封片的材料与结构提出了要求。 径向密封片的自振频率及径向密封片与缸体间的动摩擦特性是引起缸体振纹的根本因素，这些 因素同样也是振拍现象发生的重要因素，要解决缸体振纹现象，首先要解决径向密封片的振拍问题。 2.3 径向密封片的漏气问题 转子机密封处漏气是造成转子机和往复机性能差异的主要原因，发动机转速降低时漏气会更加 明显，漏气会降低最大转矩，增加比油耗[15]。 转子机气缸内的气体泄漏途径，一是经径向密封片向相邻工作室漏气，二是经端面气封条从端 面处漏气[11]。前者约占总漏气量的 2/3~3/4 [15]，而向端面的漏气量较少[3]，气缸内的漏气路径如图 7 所示。 录用稿件，非最终出版稿
Combustion chamber Gas leakage at apex seal e00口00©口▣胞l1@00©U口 Exhaust 回oL 图7转子机气缸内的漏气路径 Fig.7 The gas leakage path of rotary engine 径向密封片处的漏气路径见图8所示，向相邻工作室的漏气主要是通过径向密封片顶部圆弧与 气缸型面之间的间隙和密封片长度方向的间隙。从径向密封片顶部圆弧处的漏气量是很少的，而从 密封片长度方向间隙的漏气量是主要的。 Gas leakage through apex seal top Gas leakage through apex seal side Corner seal 图8径向密封片处的漏气路径 Fig.8 The gas leakage path in the apex seal Eberle等l指出转子机处的漏气量随转速降低而增加，随泄漏间隙的增大而增大，且径向密封 处的漏气量远大于端面密处的漏气量。 卢法等给出径向密封片长度方向间隙的漏气量的计算公式，在上止点附近，偏心轴转角0~π/ 2范围的漏气量计算式为Q=(0.685)k,A√Pm%E·5/n。式中，k,为流动阻力系数：A为径向密封片 长度方向漏气间隙：Pm为上止点时的平均气压：ε为压缩比；%为大气环境下的气体比容：n为偏 心轴转速。可见漏气量与转速成反比例关系。 王志宽在Fluent中对转子机压缩漏气过程进行模拟仿真，漏气率在低压过程中变化平稳，当 低压变化到高压时漏气率出现波动，且随着转速的降低，漏气率升高，高速时的气体泄漏量比低速 时少。 马重芳等缸内气体的工作过程视为绝热等熵过程，给出漏气量百分比的计算公式： △G/Gw≈∑H√RT(30△0/nπWw)(plPw)22，式中4G为漏气量，Gw为工作腔内气体质量， 4为流量系数，y为一描述流速的函数，Pw、Tw、'为进气口刚关闭时工作腔内气体压力、温度与容
图 7 转子机气缸内的漏气路径 Fig.7 The gas leakage path of rotary engine 径向密封片处的漏气路径见图 8 所示，向相邻工作室的漏气主要是通过径向密封片顶部圆弧与 气缸型面之间的间隙和密封片长度方向的间隙。从径向密封片顶部圆弧处的漏气量是很少的，而从 密封片长度方向间隙的漏气量是主要的[11]。 图 8 径向密封片处的漏气路径 Fig.8 The gas leakage path in the apex seal Eberle 等[15]指出转子机处的漏气量随转速降低而增加，随泄漏间隙的增大而增大，且径向密封 处的漏气量远大于端面密封处的漏气量。 卢法等[11]]给出径向密封片长度方向间隙的漏气量的计算公式，在上止点附近，偏心轴转角 0~π/ 2 范围的漏气量计算式为： 0 (0.685) 5 / Q k A p v n n gm 。式中，kn为流动阻力系数；A 为径向密封片 长度方向漏气间隙；pgm为上止点时的平均气压；ε 为压缩比；v0为大气环境下的气体比容；n 为偏 心轴转速。可见漏气量与转速成反比例关系。 王志宽[16]在 Fluent 中对转子机压缩漏气过程进行模拟仿真，漏气率在低压过程中变化平稳，当 低压变化到高压时漏气率出现波动，且随着转速的降低，漏气率升高，高速时的气体泄漏量比低速 时少。 马重芳等[17]缸内气体的工作过程视为绝热等熵过程，给出漏气量百分比的计算公式： 1/2 1/2 / (30 ) ( ) k G G f RT n V p p N N N N ，式中 ΔG 为漏气量，GN 为工作腔内气体质量， μ 为流量系数，ψ 为一描述流速的函数，pN、TN、VN为进气口刚关闭时工作腔内气体压力、温度与容 录用稿件，非最终出版稿
积，40为偏心轴转角分度间隔，p为各个间隔上的压力值，n为偏心轴转速。同样可以推导出漏气 量与转速之间为反比例关系。 马重芳等7给出美国RC-60转子机在不同径向密封片以及BM450-Ⅲ型转子机工作腔内气体质 量百分数随转速的变化曲线，可以反映不同情况下的漏气情况。如下图9所示，存气量与转速基本 呈现线性递增关系，BM450-Ⅲ冷机工作腔存气量在转速200pm时为54.5%，1000rpm时增加到 78.4%,5000pm时为93.6%。对于RC-60转子发动机，组合式径向密封片的密封性能优于整体式， 特别是在低速情况下，组合式径向密封片有利于发动机启动。 图9工作腔内存气量随转速的变 Fig.Variation of air volume in chamber with rotating speed 关于漏气量随转速的变化规律，潘奎润等随着转速的增加。当量漏气面积增加，但转速增加 速度比当量漏气面积增长更快，气体泄漏的时间更痧因此漏气量随转速增加而减小。 许右龙剧利用UV转子机进行台架实验，通过做变发动机转速，分析了不同转速下汽缸压力 的变化，并估计转子径向密封片的漏气间隙变化注要发生于压缩过程与膨胀过程。发动机转速越高， 漏气间隙也会越小，泄漏程度越低：反之，转速越低漏气间隙越大，气体泄漏越严重。 Ngao等分析了影响气体泄漏的各个因素以及各因素在总漏气量中的占比，图10给出气体泄 漏的各个因素，图11给出了泄漏总量。可见径向密封片处是漏气最大的地方。同时当径向密封片经 过火花塞孔时，火花塞腔的漏气是不可忽略的。 1000rpm (Cakulated) 录用稿供 Spark plug hole Apex seal Spark plug hole T Side seal Bottom Dead Center Top Dead Center Bottom Dead Cente 图10不同位置的气体泄漏率示意图即 Fig.10 The gas leakage rate at different piston position
积，Δθ 为偏心轴转角分度间隔，p 为各个间隔上的压力值，n 为偏心轴转速。同样可以推导出漏气 量与转速之间为反比例关系。 马重芳等[17]给出美国 RC-60 转子机在不同径向密封片以及 BM450-Ⅲ 型转子机工作腔内气体质 量百分数随转速的变化曲线，可以反映不同情况下的漏气情况。如下图 9 所示，存气量与转速基本 呈现线性递增关系，BM450-Ⅲ 冷机工作腔存气量在转速 200rpm 时为 54.5%，1000rpm 时增加到 78.4%，5000rpm 时为 93.6%。对于 RC-60 转子发动机，组合式径向密封片的密封性能优于整体式， 特别是在低速情况下，组合式径向密封片有利于发动机启动。 图 9 工作腔内存气量随转速的变化[17] Fig.9 Variation of air volume in chamber with rotating speed[17] 关于漏气量随转速的变化规律，潘奎润等[17]随着转速的增加，当量漏气面积增加，但转速增加 速度比当量漏气面积增长更快，气体泄漏的时间更短，因此漏气量随转速增加而减小。 许右龙[18]利用 UAV 转子机进行台架实验，通过改变发动机转速，分析了不同转速下汽缸压力 的变化，并估计转子径向密封片的漏气间隙变化主要发生于压缩过程与膨胀过程。发动机转速越高 ， 漏气间隙也会越小，泄漏程度越低；反之，转速越低漏气间隙越大，气体泄漏越严重。 Nagao 等[19]分析了影响气体泄漏的各个因素以及各因素在总漏气量中的占比，图 10 给出气体泄 漏的各个因素，图 11 给出了泄漏总量。可见径向密封片处是漏气最大的地方。同时当径向密封片经 过火花塞孔时，火花塞腔的漏气是不可忽略的。 图 10 不同位置的气体泄漏率示意图[19] Fig.10 The gas leakage rate at different piston position 录用稿件，非最终出版稿 [19]
图11不同位置的总漏气量示意图 Fig.11 Total gas leakage at different position! Picard等Pol提出了一种考虑径向密封片受力情况和窜动的估算转子机径向密封和角部密封气体 泄漏的建模方法。结果表明，径向密封片处主要泄漏组成为：角密封间隙处的泄漏：通过火花塞孔 腔时径向密封片顶部的泄漏：高速下径向密封片侧面处的泄漏。其中角密封处的泄漏是主要泄漏部 位，随着间隙的增大漏气量增大：前火花塞腔处的漏气是其次重要的泄漏部位：径向密封片侧面的 泄漏在低速时可以忽略不计，但随着转速增加而随之增加：后火花塞腔处和径向密封片顶部的泄漏 量很小。图12给出火花塞处的漏气路径示意。 Rotor Spark plug 稿 图12火花塞腔处的漏气 Fig.12 Gas leakage in the spark plug cavity 范宝伟等四在研究天然气/氢气转子机氢气喷射策略及径向泄漏对燃烧性能的影响时，建立 了带有漏气间隙的三维仿真模型并进行了数值模拟研究。张耀元在此基础上进一步研究了径向漏 气对转子机燃烧性能的影响。漏气气流的强度随漏气间隙增大而增大，随转速降低而降低。小的漏气 间隙不会改变流场的基本结构，而大的漏气间隙则会致变流场的基本结构，使燃烧室前部的气流变 成了滚流形式。同时漏气存在使得充量效率和缸内都会降低，也会降低进气冲程前期的平均湍 动能。 X 针对火花塞处的漏气，Yamaoka4指出火花塞处的漏气还会导致火花塞腔处的积碳，为了减小 火花塞腔处的漏气，文献中给出优化方案，如阁」3示，将火花塞移向缸体短轴同时改变火花塞的 角度和腔室的形状来减小该处漏气。 Position of spark plug hol Edge shape of spark plug hole Original shape 录用稿件 Improved NO.2 Improved Configuration 图13火花塞腔形状的优化网 Fig.13 The form optimization of spark plug cavity 根据这些研究，可以发现转子机漏气位置较多，密封难度较大，且在低速运行时漏气严重，转 子机漏气最多的位置是径向密封片处，漏气最严重的阶段发生在压缩与燃烧阶段，这一阶段也是振 拍最严重的阶段，也对应着缸体振纹出现的位置，该处漏气量较多与径向密封片的振拍存在着联系。 2.4径向密封片的唐损 转子机经一段时间的运转后，径向密封片顶部圆弧会发生磨损。磨损会影响转子机的气缸几何 精度、密封的性能和发动机的使用寿命。因此一般在设计转子机之初，会模拟仿真发动机密封片的磨
图 11 不同位置的总漏气量示意图[19] Fig.11 Total gas leakage at different position[19] Picard 等[20]提出了一种考虑径向密封片受力情况和窜动的估算转子机径向密封和角部密封气体 泄漏的建模方法。结果表明，径向密封片处主要泄漏组成为：角密封间隙处的泄漏；通过火花塞孔 腔时径向密封片顶部的泄漏；高速下径向密封片侧面处的泄漏。其中角密封处的泄漏是主要泄漏部 位，随着间隙的增大漏气量增大；前火花塞腔处的漏气是其次重要的泄漏部位；径向密封片侧面的 泄漏在低速时可以忽略不计，但随着转速增加而随之增加；后火花塞腔处和径向密封片顶部的泄漏 量很小。图 12 给出火花塞处的漏气路径示意。 图 12 火花塞腔处的漏气 Fig.12 Gas leakage in the spark plug cavity 范宝伟等[21][22]在研究天然气/氢气转子机氢气喷射策略及径向泄漏对燃烧性能的影响时，建立 了带有漏气间隙的三维仿真模型并进行了数值模拟研究。张耀元[23]在此基础上进一步研究了径向漏 气对转子机燃烧性能的影响。漏气气流的强度随漏气间隙增大而增大，随转速降低而降低。小的漏气 间隙不会改变流场的基本结构，而大的漏气间隙则会改变流场的基本结构，使燃烧室前部的气流变 成了滚流形式。同时漏气存在使得充量效率和缸内压力都会降低，也会降低进气冲程前期的平均湍 动能。 针对火花塞处的漏气，Yamaoka[24]指出火花塞处的漏气还会导致火花塞腔处的积碳，为了减小 火花塞腔处的漏气，文献中给出优化方案，如图 13 示，将火花塞移向缸体短轴同时改变火花塞的 角度和腔室的形状来减小该处漏气。 图 13 火花塞腔形状的优化[24] Fig.13 The form optimization of spark plug cavity[24] 根据这些研究，可以发现转子机漏气位置较多，密封难度较大，且在低速运行时漏气严重，转 子机漏气最多的位置是径向密封片处，漏气最严重的阶段发生在压缩与燃烧阶段，这一阶段也是振 拍最严重的阶段，也对应着缸体振纹出现的位置，该处漏气量较多与径向密封片的振拍存在着联系。 2.4 径向密封片的磨损 转子机经一段时间的运转后，径向密封片顶部圆弧会发生磨损。磨损会影响转子机的气缸几何 精度、密封的性能和发动机的使用寿命。因此一般在设计转子机之初，会模拟仿真发动机密封片的磨 录用稿件，非最终出版稿
损过程并对密封片的接触应力进行校核。 贺泽龙等s采用准静态的方法，利用UGGrip建立磨损仿真模型进行数值模拟。如图l4示，径 向密封片顶部圆弧中部磨损量较小，而两边磨损量较大。此外，贺泽龙等得出径向密封片中部的 油膜厚度较大，两边油膜厚度较小，油膜厚度分布情况见图15示，径向密封片的两边相对于中间 更容易磨损。与径向密封片实际磨损情况相吻合。 14 ◆一300h 12 600h 10 一900h 8 6 4 2 -0.75 非最终版稿 -0.5-02500.25 0.5 0.75 Apex seal width/mm 图14径向密封片不同时间的磨损量四 Fig.14 The wearing capacity of apex seal at diff 14 1.2 1 0.8 080.6-0.4 02 0.4 0.6 0.81 Apex seal width/mm 《厨向密封片最小油膜度分 Fig.15 Minimum oil film thickness distribution of apex seal roof 北京理工大学Hanying Jiang等P通过数值模拟研究了混合润滑情况下径向密封片顶部工作面的 磨损情况，见图16所示， 径向密封片顶部磨损最严重的部位对应最大摆动角附近，且随着发动机 运行时间的增加各摆动角对应的磨损深度趋于一致。同样可以认为径向密封片磨损最严重的地方位 于径向密封片顶部工作面的两侧，且随着发动机运转时间的增加顶部各处的磨损趋于均匀。 -l2 cireles --1.8x10'circles -◆24xl0 circles 36- 20 1001020 0() 图16不同旋转圈数下径向密封片的磨损深度
损过程并对密封片的接触应力进行校核。 贺泽龙等[25]采用准静态的方法，利用 UG Grip 建立磨损仿真模型进行数值模拟。如图 14 示，径 向密封片顶部圆弧中部磨损量较小，而两边磨损量较大。此外，贺泽龙等[25]得出径向密封片中部的 油膜厚度较大，两边油膜厚度较小，油膜厚度分布情况见图 15 示，径向密封片的两边相对于中间 更容易磨损。与径向密封片实际磨损情况相吻合。 图 14 径向密封片不同时间的磨损量[22] Fig.14 The wearing capacity of apex seal at different time[22] 图 15 向密封片最小油膜厚度分布[23] Fig.15 Minimum oil film thickness distribution of apex seal roof 北京理工大学 Hanying Jiang 等[26]通过数值模拟研究了混合润滑情况下径向密封片顶部工作面的 磨损情况，见图 16 所示，径向密封片顶部磨损最严重的部位对应最大摆动角附近，且随着发动机 运行时间的增加各摆动角对应的磨损深度趋于一致。同样可以认为径向密封片磨损最严重的地方位 于径向密封片顶部工作面的两侧，且随着发动机运转时间的增加顶部各处的磨损趋于均匀。 图 16 不同旋转圈数下径向密封片的磨损深度[26] 录用稿件，非最终出版稿
Fig.16 The wear depth of apex seal with different circles 值得注意的是，径向密封片顶部圆弧两侧磨损相较于中部更加严重，要解决径向密封片的磨损 问题，除了良好的润滑之外，低摩擦系数材料的选取尤为重要，同时径向密封片顶部圆弧两侧也可 以进行结构优化以减小磨损量。 3.径向密封片的发展 径向密封片的发展与转子机的发展密不可分，西德N$U公司在1954年开始研制和试验三角活 塞旋转发动机1，是最早研制转子机的公司，并设计了世界上第一台转子机原型机DKM54和 KKM572,NSU公司对转子机的发展具有深远的影响。日本Mazda公司是目前唯一真正实现转子 机的量产并应用到汽车发动机领域的公司。 针对径向密封片存在的窜动、漏气和磨损以及缸体振纹等问题，西德NS以公司、美国Curtiss Wright公司、日本Mazda公司等对径向密封片进行了改进，其中以NSU公利乐本Mazda公司对 径向密封片的改进和设计影响最大。 3.1西德NSU公司对径约封片的改进 NSU早期研制的转子机采用整体式径向密封片，像KKM125、 KKM250等型号。整体式径向密 封片存在振拍、漏气和磨损三个瓶颈问题，不能够很好地实现密封。 针对径向密封片的漏气问题，特别是低速时漏气量较大，需要在没计上减小漏气间隙的面积， NSU公司设计三段组合式径向密封片并将其应用在KKM502么KKM510、KKM512、KKM871等型号 转子机上。如图17所示，三片组合式径向密封片由中间片和两个小角片组成，中间片两端与气缸盖 或中间隔板之间有长度方向上的很小间隙，两个角之间设置有弹簧。 图17三段组合式径向密封片 Fig.7Three-piece split-type apex seal 三段组合式径向密封片两端的小角借助于片槽中的弹簧力轴向地向外推压以保证与前后缸盖间 的密封性，从而改善转子机密封性能。通过采用三段式结构大大减少径向密封片顶部的漏气，如图 18所示，通过发动机转通与采缸内有效压力BMEP的关系曲线，可以得到三段式结构比整体式 结构密封性能更好，特别在低速时优势更加明显。 图18整体式与三段式径向密封片比较（节气门全开）测 Fig.18 Three-piece apex seal compare to single-piece apex seal (W.O.T) 但是三段组合式径向密封片的中间片部分脆弱，中间片常用材料无法承受高压气体的作用力和 高速时的惯性力而发生断裂。为了改善径向密封片底部气体脉动引起的振拍现象，西德NSU公司在
Fig.16 The wear depth of apex seal with different circles[26] 值得注意的是，径向密封片顶部圆弧两侧磨损相较于中部更加严重，要解决径向密封片的磨损 问题，除了良好的润滑之外，低摩擦系数材料的选取尤为重要，同时径向密封片顶部圆弧两侧也可 以进行结构优化以减小磨损量。 3. 径向密封片的发展 径向密封片的发展与转子机的发展密不可分，西德 NSU 公司在 1954 年开始研制和试验三角活 塞旋转发动机[13]，是最早研制转子机的公司，并设计了世界上第一台转子机原型机 DKM54 和 KKM57[28]，NSU 公司对转子机的发展具有深远的影响。日本 Mazda 公司是目前唯一真正实现转子 机的量产并应用到汽车发动机领域的公司。 针对径向密封片存在的窜动、漏气和磨损以及缸体振纹等问题，西德 NSU 公司、美国 Curtiss Wright 公司、日本 Mazda 公司等对径向密封片进行了改进，其中以 NSU 公司和日本 Mazda 公司对 径向密封片的改进和设计影响最大。 3.1 西德 NSU 公司对径向密封片的改进 NSU 早期研制的转子机采用整体式径向密封片，像 KKM125、KKM250 等型号。整体式径向密 封片存在振拍、漏气和磨损三个瓶颈问题，不能够很好地实现密封。 针对径向密封片的漏气问题，特别是低速时漏气量较大，需要在设计上减小漏气间隙的面积， NSU 公司设计三段组合式径向密封片并将其应用在 KKM502、KKM510、KKM512、KKM871 等型号 转子机上。如图 17 所示，三片组合式径向密封片由中间片和两个小角片组成，中间片两端与气缸盖 或中间隔板之间有长度方向上的很小间隙，两个角片之间设置有弹簧[13]。 图 17 三段组合式径向密封片 Fig.17 Three-piece split-type apex seal 三段组合式径向密封片两端的小角借助于片槽中的弹簧力轴向地向外推压以保证与前后缸盖间 的密封性，从而改善转子机密封性能。通过采用三段式结构大大减少径向密封片顶部的漏气，如图 18 所示，通过发动机转速与平均缸内有效压力 BMEP 的关系曲线，可以得到三段式结构比整体式 结构密封性能更好，特别是在低速时优势更加明显[29][30]。 图 18 整体式与三段式径向密封片比较 (节气门全开) [29][30] Fig.18 Three-piece apex seal compare to single-piece apex seal (W.O.T) [29][30] 但是三段组合式径向密封片的中间片部分脆弱，中间片常用材料无法承受高压气体的作用力和 高速时的惯性力而发生断裂。为了改善径向密封片底部气体脉动引起的振拍现象，西德 NSU 公司在 录用稿件，非最终出版稿