現(xiàn)如今，空調(diào)已然成為家家戶戶的必備家電，我們?cè)谙硎芸照{(diào)帶來(lái)的種種便利時(shí)可能不會(huì)想到有一天空調(diào)會(huì)和研發(fā)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)扯上關(guān)系，就如一個(gè)蘋果能啟發(fā)牛頓研究出萬(wàn)有引力一樣不可思議。

今天小編就給大家介紹一款國(guó)內(nèi)可能很少人知道的新型發(fā)動(dòng)機(jī)——星型轉(zhuǎn)子（Star Rotor）發(fā)動(dòng)機(jī), StarRotor系統(tǒng)前身是德克薩斯農(nóng)工（A&M）大學(xué)研制的一種空調(diào)膨脹機(jī)，化學(xué)工程博士馬克·霍爾特薩普爾（Dr. Mark Holtzapple）和他的同事安德魯·雷布羅克（Andrew Rabroker）在嘗試設(shè)計(jì)一個(gè)更好的空調(diào)用膨脹機(jī)時(shí)得到了靈感，決定了StarRotor的基本結(jié)構(gòu)。當(dāng)他們聯(lián)想到汽車發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，雷布羅克說(shuō)“我們立刻就把空調(diào)拋在了腦后”，隨即他們成立了一家公司（也叫Star Rotor ），期望將這項(xiàng)技術(shù)商業(yè)化。

眾所周知，常見的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)其工作循環(huán)過(guò)程發(fā)生在氣缸內(nèi)，由活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)形成進(jìn)氣、壓縮、膨脹做功和排氣的四沖程熱力循環(huán)。StarRotor發(fā)動(dòng)機(jī)采用的則是噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)（燃?xì)廨啓C(jī)）相同的熱力學(xué)原理（布雷頓循環(huán)），不同于常見的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)是在一個(gè)氣缸內(nèi)完成所有熱力學(xué)循環(huán)，布雷頓循環(huán)中工質(zhì)依次流經(jīng)不同部件，氣體經(jīng)由進(jìn)氣道被吸入壓氣機(jī)壓縮，然后燃燒室中進(jìn)行等壓加熱，后經(jīng)過(guò)燃燒室加熱后高溫氣體經(jīng)過(guò)渦輪等熵膨脹，推動(dòng)渦輪做功自身內(nèi)能下降溫度降低。

這個(gè)過(guò)程中，可以重復(fù)使用通常在廢氣排放中浪費(fèi)的熱量，能夠?qū)⑷紵瘜W(xué)能的45-65%轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，這是活塞結(jié)構(gòu)發(fā)動(dòng)機(jī)所無(wú)法實(shí)現(xiàn)的（采用奧拓循環(huán)的汽油機(jī)一般不超過(guò)30%，而采用狄塞爾循環(huán)的柴油機(jī)不超過(guò)50%）。

高溫廢氣在燃料注入前預(yù)先加熱進(jìn)入燃燒器的空氣，而加熱后的空氣可以帶來(lái)更加充分、完全的燃燒，這意味著使用等量的燃料時(shí)， StarRotor可以比傳統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)獲得更多的動(dòng)力。并且相對(duì)于柴油機(jī)向環(huán)境中釋放高壓比，節(jié)流噪聲非常大，布雷頓循環(huán)釋放的排氣為一個(gè)大氣壓下，可使機(jī)械噪聲最小化。

StarRotor 主要包括壓氣機(jī)、燃燒器、膨脹機(jī)、熱交換器等幾個(gè)主要部件， 其運(yùn)動(dòng)部分只有壓氣機(jī)與膨脹機(jī)，且這兩部件采用獨(dú)特的內(nèi)嚙合轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。

內(nèi)嚙合轉(zhuǎn)子式機(jī)構(gòu)雖早已大規(guī)模用于油泵中，但用于壓氣機(jī)或膨脹機(jī)上并不常見，最早的原理公認(rèn)由M.F.Hill提出的，以追溯到17世紀(jì)末以圓的擺線為齒廓的內(nèi)嚙合齒輪的發(fā)明。

在20世紀(jì)30年代，擺線機(jī)構(gòu)開始流行。擺線齒輪泵，盡管當(dāng)時(shí)轉(zhuǎn)子之間的間隙達(dá)100um以上，但由于液體密度較大、粘度較高，因此不容易出現(xiàn)泄漏，因而率先在液壓系統(tǒng)中開始大量使用。但限于傳統(tǒng)的制造工藝水平，無(wú)法保證擺線行星齒輪的加工精度，使得在高轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)條件下，噪聲和振動(dòng)很大、穩(wěn)定性較差而無(wú)法使用。從70年代開始，內(nèi)嚙合轉(zhuǎn)子機(jī)構(gòu)研究更加活躍。隨著加工工藝水平的提高，當(dāng)時(shí)轉(zhuǎn)子之間的間隙可以控制在50um左右，已能勉強(qiáng)滿足氣體的密封（泄漏），因此開始應(yīng)用于“氣體”工質(zhì)的內(nèi)嚙合轉(zhuǎn)子膨脹機(jī)（對(duì)于膨脹機(jī)而言，泵是一種“粗糙”的產(chǎn)品）。

StarRotor發(fā)動(dòng)機(jī)基于布雷頓循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的一大創(chuàng)新就是將內(nèi)齒輪轉(zhuǎn)子用于壓氣機(jī)和膨脹機(jī)，這種內(nèi)齒輪轉(zhuǎn)子克服了傳統(tǒng)布雷頓循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)中壓氣機(jī)和膨脹機(jī)需要高轉(zhuǎn)速采用理想的壓力和流量的問(wèn)題，且傳統(tǒng)布雷頓循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)僅在某一轉(zhuǎn)速下具有較好的效率，同時(shí)，它們還會(huì)受到空氣密度變化（因空氣濕度和海拔高度的變化）的影響。

StarRotor發(fā)動(dòng)機(jī)采用的壓氣機(jī)并非由燃?xì)廨啓C(jī)中“渦輪”來(lái)驅(qū)動(dòng)的，而是由齒輪驅(qū)動(dòng)的，渦輪為“自由渦輪”。StarRotor 膨脹機(jī)帶有 n 個(gè)齒的內(nèi)部的內(nèi)齒輪轉(zhuǎn)子和 n+1 個(gè)齒的外部的內(nèi)齒輪轉(zhuǎn)子。內(nèi)齒輪旋轉(zhuǎn)，高壓氣體從進(jìn)氣道進(jìn)入，外部的內(nèi)齒輪轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周空隙開啟n+1次，空隙開啟時(shí)氣體在內(nèi)齒輪轉(zhuǎn)子上膨脹做功，壓力降低至一個(gè)大氣壓時(shí)，氣體進(jìn)入排氣道。

活塞式壓縮機(jī)/膨脹機(jī)轉(zhuǎn)變?yōu)辇X輪泵“轉(zhuǎn)子式”，結(jié)構(gòu)大大簡(jiǎn)化、尺寸和重量大大減小，轉(zhuǎn)速不受“平衡”約束而可以更高；并且擁有較高的“轉(zhuǎn)化率”，意味著它們能夠在高速和低速的“大轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)”均可高效運(yùn)行。

自馬克·霍爾特薩普爾博士等人成功申請(qǐng) StarRotor 發(fā)動(dòng)機(jī)的專利，至今已有將近 10 年的時(shí)間。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的發(fā)展，StarRotor 發(fā)動(dòng)機(jī)也取得了一定的成果，目前為止， StarRotor 發(fā)動(dòng)機(jī)雖然還不能夠投入生產(chǎn)應(yīng)用，但其最核心的壓氣機(jī)與膨脹機(jī)已經(jīng)有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，已經(jīng)具備了較高的效率。