涨知识 ▏转子发动机之一——转子发动机的“潮起潮落

汪克尔发动机

发动机对于汽车的重要性，犹如汽车的心脏。大部分人接触到的发动机都是活塞往复式发动机，但是还有一种并不被大众所熟知的发动机，那就是转子发动机。

16世纪初，当时还没有发明“活塞机械”蒸汽机，但早已有了“风轮”、“水轮”等机械，许多发明家和工程师一直都想开发一种连续运转的内燃机，对此人们最初想到的动力机械就是“轮子”。汽机（连杆和曲柄机构）的发明人瓦特·詹姆斯（1736-1819）也曾研究过转子式内燃机，但最终仅停留在概念上。自18世纪70年代以来，各国的设计师和发明家设计出了各种各样的旋转活塞机械，但多使用于鼓风机、压气机、蒸汽机等机器，1846年，人们画出了当今转子发动机工作室的几何结构，设计了使用外旋轮线的第一辆概念发动机，但这些概念都没有实用化, 直到菲加士·汪克尔（Felix Wankel）于1957年研制出汪克尔转子发动机，在国际内燃机界引起巨大的轰动。

汪克尔转子发动机与传统的活塞往复式发动机的直线运动迥然不同，它是采用三角转子旋转运动来控制进气、压缩、做功和排气的，于是转子转一圈就会有三次的动力行程，这也就是为什么其排量小而功率大的原因。

转子发动机与勒洛三角形

对于这个当时引起轰动的发动机，它的设计自然备受瞩目，虽然说是三角转子但是仔细观察就能发现汪克尔发动机用的并不是“直来直往”的三角形，这个三角形是由三条弧线所构成的,它叫做勒洛三角形。实际上勒洛三角形的构图是很简单的：取一等边三角形，以其三个顶点为圆心，边长为半径画三个圆，三圆的重合部分就是勒洛三角形。那为什么勒洛三角形最终被选中呢？这一切还得从勒洛三角形的特性说起。

勒洛三角形是一个定宽图形，它不论在任何方向上，宽度都是一样的，永远都是它内部这个等边三角形的边长。大家也可以这样理解：过等边三角形的正中心在任意方向作一条线段，线段与图形交于两点，这条线段的长度永远是一个定值。大家是不是觉得有点眼熟？没错，勒洛三角形的宽度就像圆的直径一样，在同一图形中永远是相等的。

因为这个特性，勒洛三角形以像圆一样，保证所有部分一直在平行线间运动，即勒洛三角形顶点的运动轨迹与车轮相同。

汪克尔受到勒洛三角形的启发，如果以莱洛三角形为转子，在这个转子中间再加上偏心轴，再构造一个特定的腔体，不就可以规避掉旋转过程中心波动问题，并且还可以使得转子持续转动下去做功了么？那么可能有人不禁提出疑问，那为什么不将转子发动机设计成圆形而要采用用勒洛三角形呢？

勒洛三角形在运动过程中因其重心时刻变化，波动的重心正好像摇动的手柄一样，可以保证转子在平面旋转运动的的能量直接传递到输出轴上。一方面在平面运动中我们既要通过转子运动带动输出轴运动，又要保证有空间进行进气、压缩、作功和排气的过程。而圆形具有天然的密闭性，一来气流很难产生推力使其旋转，再者它不能实现诸如莱洛三角形那样，既能时刻紧贴内部又能留足空间给燃气。

然而莱洛三角形是有3个明显的角的，这3个尖角在实际加工过程中是不容易实现的，而且转子在高速转动时，必然会带来更多的磨损，因此用尖角是不可行的。于是汪克尔采用了变形了的莱洛三角形，也就是让一个圆在原先的莱洛三角形边上滚动一圈，以这个圆的最大边缘的轨迹重新构造一个改进的莱洛三角形。

转子发动机的“潮起”

理论上可行了，但是在实际加工制造过程中，汪克尔还要克服各种各样的问题才有可能让转子发动机成为现实。1927年，汪克尔在经过无数次试验过后，基本上解决了诸如气密性和润滑等的一系列技术问题。二战期间，他的研究被认为能够给德国带来极大利益，因此得到了德国航空部以及许多大企业的支持，在这些条件的支持下，成功发明了转子发动机，并获得了转子发动机的第一项专利。

二战后，这匹德国的“千里马”被“伯乐”NSU公司（纳苏公司，奥迪公司的前身之一，德国领先的摩托车公司 NSU Motorenwerk AG）相中，NSU公司与汪克尔合作，最先开始开发转子发动机。1959 年底，NSU公司正式宣布完成汪克尔转子发动机后，全球约 100 家公司争先恐后地提出合作伙伴关系，已将转子发动机纳入其产品中。

转子发动机的“潮落”

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NSU Wankel Spider轿（跑）车上成为正式产品。搭载498 cc单转子发动机（KKM 500型引擎），5500rpm时最大功率为40kW（55PS），这台车的车身还是由知名的跑车设计公司博通公司（Bertone）设计的！后来由于转子顶点密封材料的不可靠造成发动机磨损过快，从而转子发动机被消费者打上了“不可靠”的负面标签，该车于1967年被迫停产。这应该是世界上搭载三角转子发动机的第一款量产车，但并不“实用”，发动机寿命太短，没有一台发动机可以撑过2万英里。1967年8月，“仍不死心”的NSU推出了第二款量产的转子发动机车型—Ro80该车采用一颗995 cc双转子发动机，可产出86 kW（116 PS）的最大功率，于隔年获得德国年度风云车的奖项。

1969年，德国NSU公司被大众并购，随后又与Auto Union合并形成了今天的奥迪，而其转子技术自然也是在奥迪手里。收购之后的奥迪并没有立马停止转子发动机的研发，如上文所说，NSU最后一款搭载转子发动机的车型Ro 80，其早期因转子发动机暴露的种种问题，正是在被奥迪收购后得到了解决的。

而NSU跟奥迪合并的原因，也正是由于转子发动机的开发成本太高，更多的是客户对NSU Ro80没完没了的投诉：高温、短命、怠速死火。先是密封性差，而且还漏气。解决了漏气后，点火又来问题，最后通过博世品牌解决。点火问题解决后接着又出现了润滑问题…… 。奥迪就是这样在客户的抱怨下不停地……最终还是因为发动机的可靠性问题，最终在1969年NSU Ro 80也停产了。紧接着70年代初爆发的石油危机，转子发动机“因高油耗”而彻底失去市场的信任，NSU这个品牌也从此退市。

难道转子发动机就这样没落了吗？其实并不是，一家来自日本广岛的“东洋工业株式会社”（Toyo Kogyo）生产厂家仍在坚持。，这也是后来大名鼎鼎的马自达的前身。虽然汪克尔做出了能够实用的转子发动机，但是最终把这项技术在汽车上发扬光大的，却是来自日本的马自达，转子发动机也成为马自达的招牌和经典。想知道马自达如何让当时已陷“灭顶之灾”的转子发动机“起死回生”，请阅读《马自达与转子发动机不可不说的故事》