非主流的转子发动机

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如果《Geek》告诉你有一种发动机没有活塞，没有气缸，没有曲轴，没有气门，却有着质量轻、转速高等优势，你能想像出它的样子吗?如果不能，那么你可要将答案记牢了：它就是转子发动机。虽然转子发动机已经累计制造了近200万台，但与活塞发动机相比，其总量仍然不足后者的1％，可以算作热机中的非主流。对于这样一种非主流的发动机，《Geek》觉得很有必要说道说道。

汪克尔，现代转子发动机之父

严格意义上讲，转子发动机并不算什么新技术。作为热机的一个分支，转子发动机的发展史可要比活塞发动机的发展史长得多。早在1588年，一位名为拉梅利的意大利工程师就发明了旋转活塞抽水机，成为了转子发动机的始祖：1799年，英国工程师默多克制造了一台实验性质的转子发动机：1901年，英国的另一位工程师库利制造出了双转子蒸汽机；1923年，威尔英得、伦德比等三人在瑞典开始了转子发动机的研究。纵观转子发动机的历史，在过去的400年中，许多工程师都在为转子发动机的发展而不断努力，甚至连以改进蒸汽机而闻名于世的瓦特都曾经研究过转子发动机。在如此之多的工程师中，有一个人我们不能不提，他就是来自德国的工程师菲力克斯·汪克尔。

1924年的时候，当时还在家科技出版社工作的汪克尔给自己找了个第二职业——在海德堡创建了公司，进行转子发动机的研发。经过第二次世界大战之后，汪克尔与德国NSU在1951年签署了合作开发转子发动机的合约。7年之后，汪克尔-NSU终于制造出KKM系列转子发动机的原型。KMM系列转子发动机在结构上与活塞发动机完全不同，它没有活塞、没有气缸。该系列转子发动机的“活塞”与“气缸”其实是由一颗三角形转子与茧形气室组成的。虽然KKM系列转子发动机与现在我们所看到的转子发动机在外形上有很大的不同，但是就结构而言，它们是没有太大区别的。甚至到了50多年以后的今天，我们在马自达RX-8汽车上所看到的转子发动机，都严格遵循了这种结构。

在前面我们已经知道转子发动机没有采用往复运动，而采用了旋转运动，那么它是怎么样通过旋转做功呢?要回答这个问题，我们还得从茧形气室说起。汪克尔将气室设计为茧形的目的，其实是为了配合转子中那根偏心的驱动轴。正是由于驱动轴是偏心的，转子在旋转时才能将茧形气室分成3个随着旋转而不断变化容积的工作室。根据这样的结构，我们可将气室中的3个工作室分别称为A、B、C工作室。假设做功的循环从A工作室开始，那么当转子按照顺时针旋转时，可燃混合空气在负压作用下，就会由进气孔进入A工作室，—直到A工作室的容积达到最大值。由于转子继续旋转，A工作室的容积会在气室与转子的共同作用下缩小。这样，A工作室中的可燃混合气实际上就会被压缩。当A工作室的容积缩小到最小值时，其位置正好位于气室一侧。这时，气室上的火花塞依靠电火花引爆可燃混合气做功。做功后，膨胀的废气推动转子继续旋转。而A工作室的容积也得到了再次扩大，一直到其中的废气由排气孔完全排出为止。这样，转子发动机就与活塞发动机一样完成了进气、压缩、做功与排气这四个“冲程”。

P.S.NSU的前世今生

相信许多朋友对于NSU这家汽车厂商并不熟悉，也许有的朋友还是第一次听到这个名字。其实NSU在德国可是一家老牌的汽车厂商，在上个世纪初就开始了汽车的制造，它并不比奔驰晚多少。除此之外，NSU还是一家著名的摩托车厂商，像第二次世界大战中德军使用的那种半履带式摩托牵引车HK-101，就是NSU的产品。今天，NSU这家历史悠久的汽车厂商已经不覆存在。它在1969年的时候与奥迪合并，融入了那四个闪亮的环中。正是由于NSU与汪克尔在上世纪50年代那段不得不说的故事，所以我们在奥迪的官方网站上也能找到一些与转子发动机有关的介绍。

由于转子将气室分为A、B、C这3个工作室，所以当转子旋转一周之后，每一个部分都完成了进气、压缩、做功与排气这4个“冲程”。也就是说，转子旋转一周实际上做三次功。就热效率而言，它明显高于曲轴旋转两周仅做一次功的活塞发动机。除此之外，在转子中间还有一个很重要的设计，那就是转子中的内齿圈与驱动轴齿轮组成的行星齿轮。当转子绕输出轴公转的同时，其本身又在进行自转。由于转子中的内齿圈与驱动轴齿轮啮合，而内齿圈与齿轮的齿比为3：2。因此，转子旋转一周，驱动轴实际旋转了三周。如果按照大多数采用活塞发动机的汽车在高速行驶时每分钟4000转的转速，那么换作是转子发动机，它的转速每分钟高达12000转。而这样的转速，对于转子发动机而言，只能算是洒洒水啦。

既然转子发动机有这么多的优势，那么为什么我们现在却很少看到它在汽车上应用呢?对于这样的情况，主要是由下面三个原因造成的。首先，虽然转子发动机可以轻易实现12000转的转速，但是它的扭矩并不高。在上世纪60年代，当时的转子发动机最大扭矩大多是在每分钟3500转～4000转的转速下实现的。而同时期采用活塞发动机的汽车，其最大扭矩是在在每分钟1500转～2000转的转速下实现，由此可见采用转子发动机的汽车在低速行驶的时候，其转速高的优势是不可能得到发挥的。而这也是我们能够看到采用转子发动机的汽车大多为高性能跑车的原因。其次?从转子发动机的结构上我们可以看出，转子与茧形气室的特殊形状对于加工有着相当高的要求，生产活塞发动机的加工设备如果不进行高精度改造，是不可能造出转子发动机的。就这一点而言，它的生产成本是明显高于活塞发动机的。最后，转子发动机的燃油经济性也是影响它在汽车上广泛应用的原因。我们知道四冲程活塞发动机完成一次做功的循环由于需要曲轴旋转两周，所以它的动力冲程为曲轴旋转180度；而转子发动机完成一次做功的循环其转子旋转一周、驱动轴转三周，所以它的动力“冲程”为驱动轴旋转270度。相比之下，转子发动机每次动力“冲程”较四冲程活塞发动机多了一半。除此之外，加上四冲程活塞发动机要实现曲轴旋转一周做一次功，那么最低需要设置两个气缸。那么，在相同转速条件下，六缸活塞发动机的才抵得上双转子发动机。换而言之，转子发动机的油耗就应该是相同排量活塞发动机的两倍，其燃油经济性明显低于活塞发动机，也就注定了转子发动机耗油的宿命。所以许多朋友将转自发动机描述为“2升的发动机，3升的动力，4升的油耗”也就不足为奇了。

虽然转子发动机的缺点，但是由于它拥有输出转速高、结构简单等优点，所以汪克尔，NSU的转子发动机一经发表还是引起了极大的轰动。当时通用汽车、丰田等汽车厂商都对这种发动机表示了极大兴趣，纷纷派出技术人员对转子发动机进行考察。而汪克尔-NSU也乐得清闲，更是将转子发动机的技术通过授权转让的形式给了32家汽车厂商。于是，一时之间的市场上满是采用转子发动

机的汽车在销售。整个20世纪60年代，可谓是转子发动机的黄金时代。在众多的汽车中，除了NSU自己生产的Spider之外，还包括了奔驰跑车的开山始祖C111。

马自达，将转子发动机发扬光大

在转子发动机发展的同时，活塞发动机一刻也没闲着。许多新技术的应用，提高了活塞发动机的性能。特别是电控喷油系统的应用，更是提高了活塞发动机的热效率，近步加大了活塞发动机与转子发动机在燃油经济性上的差距。除此之外，采用转子发动机的汽车在销售上也不乐观。特别是在美国，大家都喜欢大马力的美式肌肉车或者拉货的皮卡，转子发动机高转速、低扭矩的特点明显不对美国人的胃口，所以采用转子发动机的汽车在市场上的销售情况没有各大汽车厂商预想的好。而到了60年代末，那些曾经对转子发动机满怀信心的汽车厂商意识到转子发动机的这些缺点带来的影响，陆续打了退堂鼓，回到了活塞发动机的研发上。至此，转子发动机在度过了黄金时代之后，其发展史的前半段就此落幕。转子发动机不再有当初百家争鸣的繁荣景象，而是由家以制造葡萄酒软木瓶塞起家的日本汽车厂商——东洋工业(东洋工业于1984年正式更名为马自达，如无特别说明，下文均将东洋工业称之为马自达)完成它几乎所有的技术改进。如今，马自达是地球上唯一一家还在研发、生产转子发动机的汽车厂商。

在汪克尔-NSU发布KKM系列转子发动机之后的第四年，也就是1961年7月，马自达的8名技术人员从日本来到了当时的西德(联邦德国)，他们在NSU工厂参观了被各大汽车厂商所看好的转子发动机。参观的时候，有这样一个场景给他们留下了非常深刻的印象：一位NSU的工作人员从口袋中拿出了一枚硬币，并将它竖立在转子发动机上。即便是转子发动机在高速运转的时候，硬币在上面依然纹丝不动。这样的情况，在传统的活塞发动机上是完全不可能实现的，转子发动机给这群日本人的印象完全可以用震撼来形容。他们认为转子发动机是未来发动机希望，它完全能够替代活塞发动机。于是，马自达与汪克尔-NSU签定技术授权转让协议，开始了转子发动机的研发。

P.S.

转子发动机的排量=工作室容积×2

在前面我们已经知道了，活塞发动机与转子发动机相比，在相同转速条件下，两个气缸才抵得上一个转子。根据转子发动机这一特点，各国在对采用转子发动机的汽车排量计算上，通常都以实际排量的两倍来计算。如马自达RX-8的转子发动机虽然实际排量为1.3升，但却被作为1.3×2=2.6L排量的活塞发动机。如果你买了一辆RX-8，那就别指望在交纳汽车消费税的时候打上50％的折扣了，因为它的汽车消费税是按照2.6L排量的标准来收取的。

对马自达而言，虽然它在活塞发动机研发上有着多年研发积累的经验，但在转子发动机的研发上几乎是从零开始。当时，在马自达工作的山本健一与46位技术人员一起成立了转子发动机研发部，开始了艰苦的研发。后来，参与马自达第一款转子发动机研发的47人被称为“转子四十七斗士”。在研发的过程中，最大的问题来自于转子发动机的“颤痕”。所谓“颤痕”，其实是指转子发动机在高速运转几小时之后，转子顶端的3个密封环就会在茧形气室造成形状如同洗衣板一样的异常磨损。为了解决这个问题，“转子四十七斗士”从材料选择人手，对转子的密封环进行了大量试验。从坚硬的铬到贵重的金、银，甚至连牛、马等动物的骨头他们都进行了尝试。即便是这样，转子发动机也只能保持在高速运转300小时后不出现“颤痕”，距实用还有相当长的距离。1964年夏天，山本健一看到了“日本碳素为新干线导电架摩擦面开发出了新的碳素纤维”的消息。于是他立刻与日本碳素取得联系，共同成立了密封环开发小组。经过反复试验与改进，“转子四十七斗士”与日本碳素终于完成了在铝的缝隙中嵌入碳素纤维的密封环。解决了“颤痕”这一困扰转子发动机的问题，使得马自达的转子发动机向实用迈出了一大步。1967年，马自达推出了自己的第一款采用转子发动机的汽车Cosmo Sports。这款汽车采用了排量为1L的双转子发动机，最大功率为74千瓦。最高速度达到了每小时185公里，将转子发动机的优势显露无遗。

凤凰计划，与排放限制、石油危机的搏斗

就在Cosmo Sports上市销售的第三年，即1970年的12月，美国参议员穆斯基提出的《清洁空气法》(该法后被称为《穆斯基法》)得到了国会的通过。其主要内容要求1975年以后，在美国销售的汽车必须将废气中碳氢化合物的排放量控制到原来的十分之一。《穆斯基法》一经发布，汽车厂商集体一遍哗然。在这样的情况下，对它表示支持的汽车厂商仅有马自达与本田两家而已。

对于转子发动机而言，在它所排放的废气中氮氧化合物相对较少，而碳氢化合物则较多，这与活塞发动机正好相反，《穆斯基法》对转子发动机的限制要比对活塞发动机要大得多。为了达到《穆斯基法》的相关要求，马自达在转子发动机上使用了温控反应器作为对策。它将废气中的碳氢化合物与空气混合，然后进行再次燃烧，从而降低了废气中碳氢化合物的排放量。1973年2月，马自达采用转子发动机的汽车顺利通过了美国环保署基于《穆斯基法》的相关测试。而在日本国内，马自达的Luce AP汽车更是成为了第一款低公害优惠征税政策适用车。

1973年末，“第一次石油危机”全面爆发，原油价格的上涨严重波及到欧美等发达国家的经济。原油价格的上涨对于马自达的转子发动机而言真得可以算是“祸不单行”——刚解决了碳氢化合物排放限制，又面临了能源问题的影响。马自达在对转子发动机的研发中，着重于对性能的提高与控制碳氢化合物的排放，而在燃油经济性上并不是重点研发的内容，所以转子发动机往往被人称为“油老虎”。“第一次石油危机”的到来，几乎宣判了转子发动机的“死刑”。为此，马自达在1974年制定了将转子发动机燃油经济性提高40％的五年计划——凤凰计划。该计划的名称源自在雄雄烈火中重生的神鸟凤凰，他们希望转子发动机经过“第一次石油危机”的考验，焕发新生。为了达到将转子发动机燃油经济性提高40％的目的，马自达许多研发人员日夜冥思苦想。可无论怎样改进，他们也只能将转子发动机燃油经济性提高20％，凤凰计划的执行遇到了很大的阻力。对于剩下还没有着落的20％，一直到一位技术人员在休息时看到妻子使用的燃气热水器，它的脑中瞬间闪过了一个灵感——他们完全可以利用温度反应器所散发出来的热量，再次加热空气以促进温控反应。这样，加上原来提高的20％，转子发动机燃油经济性提高了50％，远远超过了凤凰计划制定时的目标。除此之外，凤凰计划还促使一个传奇的诞生——马自达在美国拉斯维加斯MGM酒店发布了第一款RX-7汽车。从此，RX-7就成为了转子发动机的代名词。当然，RX-7并不是一款汽车的名字，而是个采用转子发动机的汽车系列。经过

了25年发展，分别在1985年与1991年推出了第二代RX-7与第三代RX-7。一直到2003年，马自达RX-8系列汽车的出现，RX-7系列汽车才走下了高性能跑车的舞台。

1991年，转子发动机的大翻盘

在马自达发布Cosmo Sports的第二年，它就让采用转子发动机的汽车广泛参与到各大汽车赛事中。其中，最著名的当数在法国勒芒举行的24小时耐力赛。这项汽车赛事自1906年创办以来，已经举办了76届。勒芒24小时耐力赛一直是欧洲汽车厂商的天下，这样的情况在1991年得到了改变。马自达夺得了当年勒芒24小时耐力赛的冠军。可别小看这18年前的一次比赛，它可是被喻为日系汽车厂商的奇迹。因为迄今为止，除了马自达之外，无论是丰田、本田或是日产，还没有哪家日系汽车厂商能在勒芒24小时耐力赛上取得最终的胜利。帮助马自达在那次比赛上创造奇迹的就是转子发动机——夺得冠军的787B赛车采用了型号为R26B的转子发动机，该发动机采用74转子设计。不过，非常可惜的是，在这次比赛结束之后，万恶的国际汽车运动联合会就作出决定：自1992年开始，除了排量在于3.0升以下活塞发动机之外，装有其他发动机的赛车均不允许参加勒芒24小时耐力赛。因此，装有转子发动机的787B在第一次夺取勒芒24小时耐力赛的冠军之后，就被排斥在比赛之外。于是，依靠转子发动机在勒芒24小时耐力赛中努力奋斗了23年的马自达，不得不在赢得了这次辉煌的成绩之后与这项汽车赛事说拜拜。

除了马自达787B夺得了勒芒24小时耐力赛的冠军之外，另外一项振奋人心的消息就是马自达用氢燃料宣告了转子发动机的未来发展。进入20世纪90年代之后，电子、新能源技术在活塞发动机上得到了广泛应用。这对于转子发动机而言也不例外，可变进气、涡轮增压等新技术都在转子发动机上得到了应用，提高了它的性能。而在这个能源问题越来越突出的时代，特别是经历了三次石油危机之后，即便是马自达的转子发动机经过了凤凰计划的改进，但就总体而言它的燃油经济性仍然跟不上时代的发展。对此，马自达决定研发面向未来的转子发动机。在1991年10月，在东京国际汽车展上马自达发布了一款概念车HR-X引起了全世界的关注。在这款概念车上，1立方米的燃料箱存储了相当于43立方米的压缩氢气，它能以每小时60公里的速度行驶230公里。除此之外，氢燃料在做功之后只会留下水蒸汽，不会对环境造成损害，这样，使用氢燃料的转子发动机比起使用汽油的活塞发动机来明显要环保得多。如果说马自达在1991年发布的HR-X仅仅是传达了转子发动机未来发展的一个概念，那么在2003年10月发布的RX-8则将这一概念化做了现实。2004年，RX-8在日本已经通过了国土交通省的认定。在2006年的时候，马自达分别向日本广岛市政府与山口县政府提供了RX-8(使用氢燃料的转子发动机)，开始了小范围的商业应用。除此之外，为了让使用氢燃料的转子发动机在RX-8上适应不同国家的环境，目前它正在全球范围内进行测试。除了使用氢燃料的转子发动机之外，在RX-8上还有普通的转子发动机版本。而在中国，这一版本的RX-8已经在2008年7月15日正式上市。如果有朋友喜欢追求在法拉利、保时捷的高性能跑车上才有的高转速，那么现在你只要花上30多万现大洋就能实现了，这样的价格要是你觉得还是不和谐，那么《Geek》就提醒你一下：它可要比那些来自意大利、德国的家伙便宜多了。

自1958年汪克尔，NSU制造了KKM系列转子发动机以来，转子发动机已经走过了51年了。虽然转子发动机由于扭矩低、加工难、油耗高的缺点，一直到今天都没有摆脱非主流的命运，但《Geek》相信在新世纪中，随着新能源、新技术的应用，转子发动机仍然会在某些特殊领域仍然会大放异彩，并与活塞发动机一起书写新的历史。另外，由于自上世纪60年代以后，转子发动机的发展几乎就是由马自达谱写的。在这漫长的41年中，我们没有看到哪家汽车厂商能像马自达样做到不抛弃、不放弃，一直致力于转子发动机的研发和改进工作，他们固执地认为那就是未来发动机的希望。或许有的朋友会讲：花上41年，折腾一种非主流发动机，马自达是不是脑子进水了?对此，《Geek》认为且不论转子发动机在技术上的突破，单就马自达在转子发动机上的坚持，那份信念和毅力也是绝对不容忽视的。而这也正好可以解释，即便是马自达被福特并购，许多技术都与福特进行了技术共享，他们也要保留作为马自达精神的转子发动机技术的原因。面对这样一家对信念如此坚持的汽车厂商，作为Geek难道不应该尊敬吗?