非主流的轉子發動機

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如果《Geek》告訴你有一種發動機沒有活塞，沒有氣缸，沒有曲軸，沒有氣門，卻有著質量輕、轉速高等優勢，你能想像出它的樣子嗎?如果不能，那么你可要將答案記牢了：它就是轉子發動機。雖然轉子發動機已經累計制造了近200萬臺，但與活塞發動機相比，其總量仍然不足后者的1％，可以算作熱機中的非主流。對于這樣一種非主流的發動機，《Geek》覺得很有必要說道說道。

汪克爾，現代轉子發動機之父

嚴格意義上講，轉子發動機并不算什么新技術。作為熱機的一個分支，轉子發動機的發展史可要比活塞發動機的發展史長得多。早在1588年，一位名為拉梅利的意大利工程師就發明了旋轉活塞抽水機，成為了轉子發動機的始祖：1799年，英國工程師默多克制造了一臺實驗性質的轉子發動機：1901年，英國的另一位工程師庫利制造出了雙轉子蒸汽機；1923年，威爾英得、倫德比等三人在瑞典開始了轉子發動機的研究。縱觀轉子發動機的歷史，在過去的400年中，許多工程師都在為轉子發動機的發展而不斷努力，甚至連以改進蒸汽機而聞名于世的瓦特都曾經研究過轉子發動機。在如此之多的工程師中，有一個人我們不能不提，他就是來自德國的工程師菲力克斯·汪克爾。

1924年的時候，當時還在家科技出版社工作的汪克爾給自己找了個第二職業——在海德堡創建了公司，進行轉子發動機的研發。經過第二次世界大戰之后，汪克爾與德國NSU在1951年簽署了合作開發轉子發動機的合約。7年之后，汪克爾-NSU終于制造出KKM系列轉子發動機的原型。KMM系列轉子發動機在結構上與活塞發動機完全不同，它沒有活塞、沒有氣缸。該系列轉子發動機的“活塞”與“氣缸”其實是由一顆三角形轉子與繭形氣室組成的。雖然KKM系列轉子發動機與現在我們所看到的轉子發動機在外形上有很大的不同，但是就結構而言，它們是沒有太大區別的。甚至到了50多年以后的今天，我們在馬自達RX-8汽車上所看到的轉子發動機，都嚴格遵循了這種結構。

在前面我們已經知道轉子發動機沒有采用往復運動，而采用了旋轉運動，那么它是怎么樣通過旋轉做功呢?要回答這個問題，我們還得從繭形氣室說起。汪克爾將氣室設計為繭形的目的，其實是為了配合轉子中那根偏心的驅動軸。正是由于驅動軸是偏心的，轉子在旋轉時才能將繭形氣室分成3個隨著旋轉而不斷變化容積的工作室。根據這樣的結構，我們可將氣室中的3個工作室分別稱為A、B、C工作室。假設做功的循環從A工作室開始，那么當轉子按照順時針旋轉時，可燃混合空氣在負壓作用下，就會由進氣孔進入A工作室，—直到A工作室的容積達到最大值。由于轉子繼續旋轉，A工作室的容積會在氣室與轉子的共同作用下縮小。這樣，A工作室中的可燃混合氣實際上就會被壓縮。當A工作室的容積縮小到最小值時，其位置正好位于氣室一側。這時，氣室上的火花塞依靠電火花引爆可燃混合氣做功。做功后，膨脹的廢氣推動轉子繼續旋轉。而A工作室的容積也得到了再次擴大，一直到其中的廢氣由排氣孔完全排出為止。這樣，轉子發動機就與活塞發動機一樣完成了進氣、壓縮、做功與排氣這四個“沖程”。

P.S.NSU的前世今生

相信許多朋友對于NSU這家汽車廠商并不熟悉，也許有的朋友還是第一次聽到這個名字。其實NSU在德國可是一家老牌的汽車廠商，在上個世紀初就開始了汽車的制造，它并不比奔馳晚多少。除此之外，NSU還是一家著名的摩托車廠商，像第二次世界大戰中德軍使用的那種半履帶式摩托牽引車HK-101，就是NSU的產品。今天，NSU這家歷史悠久的汽車廠商已經不覆存在。它在1969年的時候與奧迪合并，融入了那四個閃亮的環中。正是由于NSU與汪克爾在上世紀50年代那段不得不說的故事，所以我們在奧迪的官方網站上也能找到一些與轉子發動機有關的介紹。

由于轉子將氣室分為A、B、C這3個工作室，所以當轉子旋轉一周之后，每一個部分都完成了進氣、壓縮、做功與排氣這4個“沖程”。也就是說，轉子旋轉一周實際上做三次功。就熱效率而言，它明顯高于曲軸旋轉兩周僅做一次功的活塞發動機。除此之外，在轉子中間還有一個很重要的設計，那就是轉子中的內齒圈與驅動軸齒輪組成的行星齒輪。當轉子繞輸出軸公轉的同時，其本身又在進行自轉。由于轉子中的內齒圈與驅動軸齒輪嚙合，而內齒圈與齒輪的齒比為3：2。因此，轉子旋轉一周，驅動軸實際旋轉了三周。如果按照大多數采用活塞發動機的汽車在高速行駛時每分鐘4000轉的轉速，那么換作是轉子發動機，它的轉速每分鐘高達12000轉。而這樣的轉速，對于轉子發動機而言，只能算是灑灑水啦。

既然轉子發動機有這么多的優勢，那么為什么我們現在卻很少看到它在汽車上應用呢?對于這樣的情況，主要是由下面三個原因造成的。首先，雖然轉子發動機可以輕易實現12000轉的轉速，但是它的扭矩并不高。在上世紀60年代，當時的轉子發動機最大扭矩大多是在每分鐘3500轉～4000轉的轉速下實現的。而同時期采用活塞發動機的汽車，其最大扭矩是在在每分鐘1500轉～2000轉的轉速下實現，由此可見采用轉子發動機的汽車在低速行駛的時候，其轉速高的優勢是不可能得到發揮的。而這也是我們能夠看到采用轉子發動機的汽車大多為高性能跑車的原因。其次?從轉子發動機的結構上我們可以看出，轉子與繭形氣室的特殊形狀對于加工有著相當高的要求，生產活塞發動機的加工設備如果不進行高精度改造，是不可能造出轉子發動機的。就這一點而言，它的生產成本是明顯高于活塞發動機的。最后，轉子發動機的燃油經濟性也是影響它在汽車上廣泛應用的原因。我們知道四沖程活塞發動機完成一次做功的循環由于需要曲軸旋轉兩周，所以它的動力沖程為曲軸旋轉180度；而轉子發動機完成一次做功的循環其轉子旋轉一周、驅動軸轉三周，所以它的動力“沖程”為驅動軸旋轉270度。相比之下，轉子發動機每次動力“沖程”較四沖程活塞發動機多了一半。除此之外，加上四沖程活塞發動機要實現曲軸旋轉一周做一次功，那么最低需要設置兩個氣缸。那么，在相同轉速條件下，六缸活塞發動機的才抵得上雙轉子發動機。換而言之，轉子發動機的油耗就應該是相同排量活塞發動機的兩倍，其燃油經濟性明顯低于活塞發動機，也就注定了轉子發動機耗油的宿命。所以許多朋友將轉自發動機描述為“2升的發動機，3升的動力，4升的油耗”也就不足為奇了。

雖然轉子發動機的缺點，但是由于它擁有輸出轉速高、結構簡單等優點，所以汪克爾，NSU的轉子發動機一經發表還是引起了極大的轟動。當時通用汽車、豐田等汽車廠商都對這種發動機表示了極大興趣，紛紛派出技術人員對轉子發動機進行考察。而汪克爾-NSU也樂得清閑，更是將轉子發動機的技術通過授權轉讓的形式給了32家汽車廠商。于是，一時之間的市場上滿是采用轉子發動

機的汽車在銷售。整個20世紀60年代，可謂是轉子發動機的黃金時代。在眾多的汽車中，除了NSU自己生產的Spider之外，還包括了奔馳跑車的開山始祖C111。

馬自達，將轉子發動機發揚光大

在轉子發動機發展的同時，活塞發動機一刻也沒閑著。許多新技術的應用，提高了活塞發動機的性能。特別是電控噴油系統的應用，更是提高了活塞發動機的熱效率，近步加大了活塞發動機與轉子發動機在燃油經濟性上的差距。除此之外，采用轉子發動機的汽車在銷售上也不樂觀。特別是在美國，大家都喜歡大馬力的美式肌肉車或者拉貨的皮卡，轉子發動機高轉速、低扭矩的特點明顯不對美國人的胃口，所以采用轉子發動機的汽車在市場上的銷售情況沒有各大汽車廠商預想的好。而到了60年代末，那些曾經對轉子發動機滿懷信心的汽車廠商意識到轉子發動機的這些缺點帶來的影響，陸續打了退堂鼓，回到了活塞發動機的研發上。至此，轉子發動機在度過了黃金時代之后，其發展史的前半段就此落幕。轉子發動機不再有當初百家爭鳴的繁榮景象，而是由家以制造葡萄酒軟木瓶塞起家的日本汽車廠商——東洋工業(東洋工業于1984年正式更名為馬自達，如無特別說明，下文均將東洋工業稱之為馬自達)完成它幾乎所有的技術改進。如今，馬自達是地球上唯一一家還在研發、生產轉子發動機的汽車廠商。

在汪克爾-NSU發布KKM系列轉子發動機之后的第四年，也就是1961年7月，馬自達的8名技術人員從日本來到了當時的西德(聯邦德國)，他們在NSU工廠參觀了被各大汽車廠商所看好的轉子發動機。參觀的時候，有這樣一個場景給他們留下了非常深刻的印象：一位NSU的工作人員從口袋中拿出了一枚硬幣，并將它豎立在轉子發動機上。即便是轉子發動機在高速運轉的時候，硬幣在上面依然紋絲不動。這樣的情況，在傳統的活塞發動機上是完全不可能實現的，轉子發動機給這群日本人的印象完全可以用震撼來形容。他們認為轉子發動機是未來發動機希望，它完全能夠替代活塞發動機。于是，馬自達與汪克爾-NSU簽定技術授權轉讓協議，開始了轉子發動機的研發。

P.S.

轉子發動機的排量=工作室容積×2

在前面我們已經知道了，活塞發動機與轉子發動機相比，在相同轉速條件下，兩個氣缸才抵得上一個轉子。根據轉子發動機這一特點，各國在對采用轉子發動機的汽車排量計算上，通常都以實際排量的兩倍來計算。如馬自達RX-8的轉子發動機雖然實際排量為1.3升，但卻被作為1.3×2=2.6L排量的活塞發動機。如果你買了一輛RX-8，那就別指望在交納汽車消費稅的時候打上50％的折扣了，因為它的汽車消費稅是按照2.6L排量的標準來收取的。

對馬自達而言，雖然它在活塞發動機研發上有著多年研發積累的經驗，但在轉子發動機的研發上幾乎是從零開始。當時，在馬自達工作的山本健一與46位技術人員一起成立了轉子發動機研發部，開始了艱苦的研發。后來，參與馬自達第一款轉子發動機研發的47人被稱為“轉子四十七斗士”。在研發的過程中，最大的問題來自于轉子發動機的“顫痕”。所謂“顫痕”，其實是指轉子發動機在高速運轉幾小時之后，轉子頂端的3個密封環就會在繭形氣室造成形狀如同洗衣板一樣的異常磨損。為了解決這個問題，“轉子四十七斗士”從材料選擇人手，對轉子的密封環進行了大量試驗。從堅硬的鉻到貴重的金、銀，甚至連牛、馬等動物的骨頭他們都進行了嘗試。即便是這樣，轉子發動機也只能保持在高速運轉300小時后不出現“顫痕”，距實用還有相當長的距離。1964年夏天，山本健一看到了“日本碳素為新干線導電架摩擦面開發出了新的碳素纖維”的消息。于是他立刻與日本碳素取得聯系，共同成立了密封環開發小組。經過反復試驗與改進，“轉子四十七斗士”與日本碳素終于完成了在鋁的縫隙中嵌入碳素纖維的密封環。解決了“顫痕”這一困擾轉子發動機的問題，使得馬自達的轉子發動機向實用邁出了一大步。1967年，馬自達推出了自己的第一款采用轉子發動機的汽車Cosmo Sports。這款汽車采用了排量為1L的雙轉子發動機，最大功率為74千瓦。最高速度達到了每小時185公里，將轉子發動機的優勢顯露無遺。

鳳凰計劃，與排放限制、石油危機的搏斗

就在Cosmo Sports上市銷售的第三年，即1970年的12月，美國參議員穆斯基提出的《清潔空氣法》(該法后被稱為《穆斯基法》)得到了國會的通過。其主要內容要求1975年以后，在美國銷售的汽車必須將廢氣中碳氫化合物的排放量控制到原來的十分之一。《穆斯基法》一經發布，汽車廠商集體一遍嘩然。在這樣的情況下，對它表示支持的汽車廠商僅有馬自達與本田兩家而已。

對于轉子發動機而言，在它所排放的廢氣中氮氧化合物相對較少，而碳氫化合物則較多，這與活塞發動機正好相反，《穆斯基法》對轉子發動機的限制要比對活塞發動機要大得多。為了達到《穆斯基法》的相關要求，馬自達在轉子發動機上使用了溫控反應器作為對策。它將廢氣中的碳氫化合物與空氣混合，然后進行再次燃燒，從而降低了廢氣中碳氫化合物的排放量。1973年2月，馬自達采用轉子發動機的汽車順利通過了美國環保署基于《穆斯基法》的相關測試。而在日本國內，馬自達的Luce AP汽車更是成為了第一款低公害優惠征稅政策適用車。

1973年末，“第一次石油危機”全面爆發，原油價格的上漲嚴重波及到歐美等發達國家的經濟。原油價格的上漲對于馬自達的轉子發動機而言真得可以算是“禍不單行”——剛解決了碳氫化合物排放限制，又面臨了能源問題的影響。馬自達在對轉子發動機的研發中，著重于對性能的提高與控制碳氫化合物的排放，而在燃油經濟性上并不是重點研發的內容，所以轉子發動機往往被人稱為“油老虎”。“第一次石油危機”的到來，幾乎宣判了轉子發動機的“死刑”。為此，馬自達在1974年制定了將轉子發動機燃油經濟性提高40％的五年計劃——鳳凰計劃。該計劃的名稱源自在雄雄烈火中重生的神鳥鳳凰，他們希望轉子發動機經過“第一次石油危機”的考驗，煥發新生。為了達到將轉子發動機燃油經濟性提高40％的目的，馬自達許多研發人員日夜冥思苦想。可無論怎樣改進，他們也只能將轉子發動機燃油經濟性提高20％，鳳凰計劃的執行遇到了很大的阻力。對于剩下還沒有著落的20％，一直到一位技術人員在休息時看到妻子使用的燃氣熱水器，它的腦中瞬間閃過了一個靈感——他們完全可以利用溫度反應器所散發出來的熱量，再次加熱空氣以促進溫控反應。這樣，加上原來提高的20％，轉子發動機燃油經濟性提高了50％，遠遠超過了鳳凰計劃制定時的目標。除此之外，鳳凰計劃還促使一個傳奇的誕生——馬自達在美國拉斯維加斯MGM酒店發布了第一款RX-7汽車。從此，RX-7就成為了轉子發動機的代名詞。當然，RX-7并不是一款汽車的名字，而是個采用轉子發動機的汽車系列。經過

了25年發展，分別在1985年與1991年推出了第二代RX-7與第三代RX-7。一直到2003年，馬自達RX-8系列汽車的出現，RX-7系列汽車才走下了高性能跑車的舞臺。

1991年，轉子發動機的大翻盤

在馬自達發布Cosmo Sports的第二年，它就讓采用轉子發動機的汽車廣泛參與到各大汽車賽事中。其中，最著名的當數在法國勒芒舉行的24小時耐力賽。這項汽車賽事自1906年創辦以來，已經舉辦了76屆。勒芒24小時耐力賽一直是歐洲汽車廠商的天下，這樣的情況在1991年得到了改變。馬自達奪得了當年勒芒24小時耐力賽的冠軍。可別小看這18年前的一次比賽，它可是被喻為日系汽車廠商的奇跡。因為迄今為止，除了馬自達之外，無論是豐田、本田或是日產，還沒有哪家日系汽車廠商能在勒芒24小時耐力賽上取得最終的勝利。幫助馬自達在那次比賽上創造奇跡的就是轉子發動機——奪得冠軍的787B賽車采用了型號為R26B的轉子發動機，該發動機采用74轉子設計。不過，非常可惜的是，在這次比賽結束之后，萬惡的國際汽車運動聯合會就作出決定：自1992年開始，除了排量在于3.0升以下活塞發動機之外，裝有其他發動機的賽車均不允許參加勒芒24小時耐力賽。因此，裝有轉子發動機的787B在第一次奪取勒芒24小時耐力賽的冠軍之后，就被排斥在比賽之外。于是，依靠轉子發動機在勒芒24小時耐力賽中努力奮斗了23年的馬自達，不得不在贏得了這次輝煌的成績之后與這項汽車賽事說拜拜。

除了馬自達787B奪得了勒芒24小時耐力賽的冠軍之外，另外一項振奮人心的消息就是馬自達用氫燃料宣告了轉子發動機的未來發展。進入20世紀90年代之后，電子、新能源技術在活塞發動機上得到了廣泛應用。這對于轉子發動機而言也不例外，可變進氣、渦輪增壓等新技術都在轉子發動機上得到了應用，提高了它的性能。而在這個能源問題越來越突出的時代，特別是經歷了三次石油危機之后，即便是馬自達的轉子發動機經過了鳳凰計劃的改進，但就總體而言它的燃油經濟性仍然跟不上時代的發展。對此，馬自達決定研發面向未來的轉子發動機。在1991年10月，在東京國際汽車展上馬自達發布了一款概念車HR-X引起了全世界的關注。在這款概念車上，1立方米的燃料箱存儲了相當于43立方米的壓縮氫氣，它能以每小時60公里的速度行駛230公里。除此之外，氫燃料在做功之后只會留下水蒸汽，不會對環境造成損害，這樣，使用氫燃料的轉子發動機比起使用汽油的活塞發動機來明顯要環保得多。如果說馬自達在1991年發布的HR-X僅僅是傳達了轉子發動機未來發展的一個概念，那么在2003年10月發布的RX-8則將這一概念化做了現實。2004年，RX-8在日本已經通過了國土交通省的認定。在2006年的時候，馬自達分別向日本廣島市政府與山口縣政府提供了RX-8(使用氫燃料的轉子發動機)，開始了小范圍的商業應用。除此之外，為了讓使用氫燃料的轉子發動機在RX-8上適應不同國家的環境，目前它正在全球范圍內進行測試。除了使用氫燃料的轉子發動機之外，在RX-8上還有普通的轉子發動機版本。而在中國，這一版本的RX-8已經在2008年7月15日正式上市。如果有朋友喜歡追求在法拉利、保時捷的高性能跑車上才有的高轉速，那么現在你只要花上30多萬現大洋就能實現了，這樣的價格要是你覺得還是不和諧，那么《Geek》就提醒你一下：它可要比那些來自意大利、德國的家伙便宜多了。

自1958年汪克爾，NSU制造了KKM系列轉子發動機以來，轉子發動機已經走過了51年了。雖然轉子發動機由于扭矩低、加工難、油耗高的缺點，一直到今天都沒有擺脫非主流的命運，但《Geek》相信在新世紀中，隨著新能源、新技術的應用，轉子發動機仍然會在某些特殊領域仍然會大放異彩，并與活塞發動機一起書寫新的歷史。另外，由于自上世紀60年代以后，轉子發動機的發展幾乎就是由馬自達譜寫的。在這漫長的41年中，我們沒有看到哪家汽車廠商能像馬自達樣做到不拋棄、不放棄，一直致力于轉子發動機的研發和改進工作，他們固執地認為那就是未來發動機的希望。或許有的朋友會講：花上41年，折騰一種非主流發動機，馬自達是不是腦子進水了?對此，《Geek》認為且不論轉子發動機在技術上的突破，單就馬自達在轉子發動機上的堅持，那份信念和毅力也是絕對不容忽視的。而這也正好可以解釋，即便是馬自達被福特并購，許多技術都與福特進行了技術共享，他們也要保留作為馬自達精神的轉子發動機技術的原因。面對這樣一家對信念如此堅持的汽車廠商，作為Geek難道不應該尊敬嗎?