转子发动机

仪器设备

转子发动机（Wankel Engine、Rotary Engine）是由德国人菲加士·汪克尔（Felix Wankel，1902-1988）所发明，他在总结前人的研究成果的基础上，解决了一些关键技术问题，研制成功了第一台转子发动机。转子发动机采用三角转子旋转运动来控制压缩和排放，与传统的往复活塞式发动机的直线运动迥然不同。

发明历史

菲加士·汪克尔于1902年出生在德国，1921年到1926年受雇于海德堡一家科技出版社的销售部。1924年，汪克尔在海德堡建立了自己的公司，他花了大量的时间在那里进行转子发动机的研制。1927年，诸如气密性和润滑等的一系列技术问题的攻克终于有了眉目。二战期间，汪克尔曾为德国空军部服务。

1951年，菲加士·汪克尔与德国NSU公司签订了关于合作开发转子发动机的合约。1954年4月13日，NSU公司研制成功第一台转子发动机，并于1958年对这种发动机展开一系列测试。1960年，汪克尔转子发动机在德国工程师协会的一次讨论会上作首次公众讨论。三年后，NSU公司在法兰克福车展上展出了装备汪克尔转子发动机的新车型。1964年，NSU公司和雪铁龙在日内瓦组建合资企业COMOBIL公司，首次把转子发动机装在轿车上成为正式产品。1967年，日本东洋工业公司也将转子发动机装在马自达轿车上开始成批生产。当时业内人士认为这种发动机的结构紧凑轻巧，运转宁静畅顺，也许会取替传统的活塞反复式发动机。

2023年6月，马自达在日本继续申请了6项与转子发动机相关的技术专利。马自达此前曾表示，新推出的转子发动机虽然不会搭载在燃油车上，但是它将作为增程器出现在MX-30 R-EV中。

此次申请的六项专利中有三项与转子本身的形状有关。专利的既定目标是“提高旋转发动机的燃油效率”，这些专利展示了不同的设计，每个都有一个独特尺寸的凹形切口。在旋转发动机中，转子在壳体的中心旋转，转子周围的空隙用作燃烧室。通过改变转子和外壳外壁之间的空间形状，这些切口改变了燃烧室的形状，从而可以更好地控制点火，从而实现更完全的燃烧。

其他三项专利侧重于废气再循环的使用。这一过程包括冷却在热交换器中冷却的废气，然后将其抽回发动机，该过程已用于传统活塞发动机以提高效率。马自达的专利讨论了将废气再循环应用于旋转发动机，描述了进气设计以及如何连接到发动机。

应用

一向对新技术情有独钟的马自达公司投巨资从汪克尔公司买下了这项技术。由于这是一项高新技术，懂得这项技术的人寥寥无几，发动机坏了无人会修，而且耗油大，汽车界有人对这种发动机的市场前景产生了怀疑。70年代石油危机爆发，各国忙于应付各方面的困难而无暇顾及发展转子发动机，唯有马自达公司仍然深信转子发动机的潜力，独自研究和生产转子发动机，并为此付出了相当大的代价。他们逐步克服了转子发动机的缺陷，成功地由试验性生产过渡到商业性生产，并将安装了转子发动机的RX-7型跑车打入了美国市场，令人刮目相看。

由于从生产装配到维护修理，转子发动机都与传统的发动机大不一样，开发成本大。加上往复式活塞发动机在功率、重量、排放、能耗等方面都比过去有了显著提高，加上各大汽车企业对往复式活塞发动机技术研究的成熟，而对转子发动机技术的生疏，转子发动机没有显出明显的优势，因此各大汽车企业都没有积极性去开发利用，唯有马自达一家。

原理

一般发动机是往复运动式发动机，工作时活塞在气缸里做往复直线运动，为了把活塞的直线运动转化为旋转运动，必须使用曲柄滑块机构。转子发动机则不同，它直接将可燃气的燃烧膨胀力转化为驱动扭矩。与往复式发动机相比，转子发动机取消了无用的直线运动，因而同样功率的转子发动机尺寸较小，重量较轻，而且振动和噪声较低，具有较大优势。

运动特点

转子发动机的运动特点是：三角转子的中心绕输出轴中心公转的同时，三角转子本身又绕其中心自转。在三角转子转动时，以三角转子中心为中心的内齿圈与以输出轴中心为中心的齿轮啮合，齿轮固定在缸体上不转动，内齿圈与齿轮的齿数之比为3：2。上述运动关系使得三角转子顶点的运动轨迹（即汽缸壁的形状）似“8”字形。三角转子把汽缸分成三个独立空间，三个空间各自先后完成进气、压缩、做功和排气，三角转子自转一周，发动机点火做功三次。由于以上运动关系，输出轴的转速是转子自转速度的3倍，这与往复运动式发动机的活塞与曲轴1：1的运动关系完全不同。

结构

壳体的内部空间（或旋轮线室）总是被分成三个工作室。　在转子的运动过程中，这三个工作室的容积不停地变动，在摆线形缸体内相继完成进气、压缩、燃烧和排气四个过程。每个过程都是在摆线形缸体中的不同位置进行，这明显区别于往复式发动机。往复式发动机的四个过程都是在一个汽缸内进行的。

转子发动机的排气量通常用单位工作室容积和转子的数量来表示。例如，对于型号为13B的双转子发动机

单位工作室容积指工作室最大容积和最小容积之间的差值；而压缩比是最大容积和最小容积的比值。往复式发动机上也使用同样的定义。

转子发动机工作容积的变化，以及与四循环往复式发动机的比较。尽管在这两种发动机中，工作室容积都成波浪形稳定变化，但二者之间存在着明显的不同。首先是每个过程的转动角度：往复式发动机转动180度，而转子发动机转动270度，是往复式发动机的1.5倍。换句话说，在往复式发动机中，曲轴（输出轴）在四个工作过程中转两圈（720度）；　而在转子发动机中，偏心轴转三圈（1080度），转子转一圈。这样，转子发动机就能获得较长的过程时间，而且形成较小的扭矩波动，从而使运转平稳流畅。

此外，即使在高速运转中，转子的转速也相当缓慢，从而有更宽松的进气和排气时间，为那些能够获得较高的动力性能的系统的运行提供了便利。

优缺点

优点

转子引擎的转子每旋转一圈就作功三次，与一般的四冲程发动机每旋转两圈才作功一次相比，具有高马力容积比（引擎容积较小就能输出较多动力）的优点。另外，由于转子引擎的轴向运转特性，它不需要精密的曲轴平衡就能达到较高的运转转速。整个发动机只有两个转动部件，与一般的四冲程发动机具有进、排气活门等二十多个活动部件相比结构大大简化，发生故障的可能性也大大减小。除了以上的优点外，转子引擎的优点亦包括体积较小、重量轻、低重心、震动小等。

缺点

油耗高，污染重。由于没有往复式发动机的高压缩比，使得燃烧不能够很充分。虽然马自达公司曾经给转子发动机增加了单涡轮增压和双涡轮增压等装置，但只是提高了输出马力，并适度的减少了尾气排放，但还是与往复式发动机有着很大的差距。

磨损严重，零部件寿命短。由于三角转子引擎的相邻容腔间只有一个径向密封片，径向密封片与缸体始终是线接触，并且径向密封片上与缸体接触的位置始终在变化，因此三个燃烧室非完全隔离（密封），径向密封片磨损快。引擎使用一段时间之后容易因为油封材料磨损而造成漏气问题，大幅增加油耗与污染。其独特的机械结构也造成这类引擎较难维修。

部分标准欠缺。虽然转子引擎具有以小排气量、利用高转速而产生高输出的特性，但由于运转特性与往复式引擎的不同，世界各国在制订与引擎排气量相关的税则时，皆是以转子引擎的实际排气量乘以二来作为与往复式引擎之间的比较基准。举例来说，日本马自达（Mazda）旗下搭载了转子引擎的RX-8跑车，其实际排气量虽然只有1308立方厘米，但在日本国内却是以2616立方厘米的排气量来作为税级计算的基准。

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