[科普中國]-汪克爾引擎

（Wankel engine）屬于無活塞回旋式四行程內(nèi)燃機(jī)的一種，由于1960年代起日本馬自達(dá)汽車公司苦心鉆研改良，陸續(xù)推出數(shù)款高性能車種，并以“轉(zhuǎn)子引擎”（rotary engine）打響名號，世人遂將其與轉(zhuǎn)子引擎劃上等號。事實上，無活塞回旋式引擎還有許多截然不同的設(shè)計形式，不能一概而論。

發(fā)展歷史概要1950年代初期，德國工程師菲力斯·汪克爾（Felix Wankel）投身NSU車廠（全名為NSU Motorenwerke AG，1969年被大眾集團(tuán)收購，并與Auto Union合并成現(xiàn)今的奧迪汽車公司）領(lǐng)導(dǎo)新式引擎的開發(fā)工作，而沃特·佛羅德（Walter Froede）則主持該公司的機(jī)車賽事計劃。首先出現(xiàn)的成果是轉(zhuǎn)子閥門與轉(zhuǎn)子式引擎機(jī)械增壓器（supercharger），被NSU車廠搭載在一輛50c.c.摩托車上，可產(chǎn)生45p.s.i.的氣壓使得馬力達(dá)到13.5bhp，該輛機(jī)車當(dāng)時在波內(nèi)維爾鹽原（Bonneville salt flats，位于美國猶他州西北部的一個大平原，該鹽原常被用來進(jìn)行車輛速度試驗）創(chuàng)下同級車極速120mph的世界紀(jì)錄。

1953年改由佛羅德領(lǐng)導(dǎo)NSU的研究開發(fā)部門，但首席工程師反對繼續(xù)開發(fā)無活塞回旋式引擎，最后在保證汪克爾將與公司分享專利權(quán)以及不增加研究經(jīng)費(fèi)的情況下，汪克爾和佛羅德成功說服公司繼續(xù)進(jìn)行此計劃。

1957年2月1日汪克爾成功試作出第一個原型機(jī)DKM 54（DKM為德文Drehkolbenmotor的縮寫），至當(dāng)年五月時該引擎動力輸出達(dá)21bhp。與傳統(tǒng)的往復(fù)式活塞引擎不同的是，轉(zhuǎn)子引擎沒有活塞，其運(yùn)轉(zhuǎn)元件稱為轉(zhuǎn)子（rotor），斷面造型類似一個三角形。轉(zhuǎn)子循偏心軸采軸向運(yùn)轉(zhuǎn)，而不需利用杠桿與凸輪結(jié)構(gòu)將輸出的力量轉(zhuǎn)向，因而減少了能量的耗損。轉(zhuǎn)子循偏心軸運(yùn)轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子室也會跟著回旋，如此能產(chǎn)生超高轉(zhuǎn)速，NSU試做的原型機(jī)竟能達(dá)到17,000rpm。相對來說機(jī)械構(gòu)造也比較復(fù)雜，譬如要更換火花塞居然必須拆開整顆引擎。這顆DKM 54型的排氣量125c.c.，最佳的動力表現(xiàn)是德制馬力25hp / 17,000rpm，轉(zhuǎn)子室空間直徑約260mm，偏心軸偏心9.5mm，三枝火花塞會隨著轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。

因為機(jī)械構(gòu)造過于復(fù)雜，NSU車廠于1957年放棄DKM型引擎的設(shè)計概念，改采佛羅德的點子只讓轉(zhuǎn)子回旋，轉(zhuǎn)子室則被固定住，稱為KKM型（德文Kreiskolbenmotor 的縮寫）。但如此一來卻遇到了難題：轉(zhuǎn)子三個頂端的氣封密閉性會隨著轉(zhuǎn)子回旋而逐漸下降。1958年有兩種KKM型引擎成功通過測試，確立了此型引擎的構(gòu)造原理。1960年元月19日汪克爾在德國工程師學(xué)會（德語：VDI, Verein Deutscher Ingenieure）的會議上向世人公開發(fā)表這具新的無活塞回轉(zhuǎn)式引擎，因此又被稱作汪克爾引擎。同年NSU車廠將KKM 250型引擎試裝在Prinz車款上，最大德制馬力30hp / 5,000rpm。后來NSU車廠計劃將KKM 500型引擎搭載在NSU Spider車款上市銷售，然而真正的發(fā)售時間卻延遲至1964年，因為缸壁的抗磨力差，轉(zhuǎn)子頂端的氣封刮傷缸壁造成混合油氣無法被密封的嚴(yán)重技術(shù)性問題。

1950年代末期和1960年代初期之間經(jīng)由NSU車廠與汪克爾的授權(quán)，這種新式引擎的概念被廣泛應(yīng)用在諸如割草機(jī)、船舶等機(jī)具上（詳情請見后面的公司列表）。1959年美國柯蒂斯-萊特公司在此型引擎構(gòu)造上做了小幅度修改；位于英國的勞斯萊斯（Rolls Royce）汽車公司于1960年初期發(fā)展出柴油版的二段式汪克爾引擎。日本的鈴木使用Ferro-TiC?合金改善NSU轉(zhuǎn)子頂端的菱封材質(zhì)，延長汪克爾引擎的壽命，并推出名為“RE-5”的摩托車。1971年專門制造雪上摩托車與ATV的美國北極貓公司（Arctic Cat Inc.）采用德國費(fèi)區(qū)泰爾與薩克斯公司（Fichtel & Sachs AG）制造的303c.c.汪克爾引擎，組裝在他們的雪上摩托車。

同時，汪克爾引擎在汽車的應(yīng)用上也未曾停歇。繼Spider后，NSU車廠于1967年推出四門轎車型的Ro80；法國雪鐵龍也采用寇摩托公司（Comotor S.A.）制造的495.5c.c. X 2汪克爾引擎，分別在1969年和1970年推出M35和GS Birotor兩款車。美國通用汽車和德國戴姆勒·奔馳也曾取得授權(quán)企圖發(fā)展此類型引擎，最后卻無疾而終。日本東洋工業(yè)（馬自達(dá)的前身）自1961年2月27日取得制造許可后，比世上任何車廠投注更大的心血進(jìn)行研究改良，終于在1967年推出Cosmo Sports。蘇聯(lián)的奧托瓦茲（JSC AvtoVAZ Common）汽車公司在未經(jīng)汪克爾授權(quán)的情況下，于1978年設(shè)計出一顆代號為VAZ-311的單轉(zhuǎn)子引擎，接著在1980年以VAZ-411型雙轉(zhuǎn)子引擎搭載在VAZ-2106車款上，大約生產(chǎn)了200輛。

德國戴姆勒·奔馳汽車公司亦曾向NSU車廠購買專利權(quán)，并開發(fā)出燃油直噴型三轉(zhuǎn)子M950F型汪克爾引擎，1969年搭載在C111概念車上；翌年更制造出四轉(zhuǎn)子汪克爾引擎（開發(fā)代號同為M950F），最大馬力370hp，極速可達(dá)290km/hr。美國汽車公司（American Motors Corporation，略稱為AMC）也曾于1973年2月簽約買下專利權(quán)，打算自行發(fā)展并裝在Pacer車款上，但最后決定向已經(jīng)在1970年11月取得NSU車廠許可的通用汽車公司采購。可惜通用汽車開發(fā)此型引擎的速度來不及跟上Pacer上市發(fā)售的腳步。部分原因出自1973年10月爆發(fā)的第一次石油危機(jī)導(dǎo)致汽油價格攀升，且通用汽車開發(fā)的汪克爾引擎無法通過美國的車輛廢氣排放標(biāo)準(zhǔn)，所以后來也沒有公開其試驗結(jié)果。

自廿一世紀(jì)開始，地球暖化造成全球環(huán)境的劇烈變化，全球車廠開發(fā)新型車輛時也思考如何節(jié)能減碳，因此油電混合車、氫氣車等強(qiáng)調(diào)環(huán)保意識的汽車受到消費(fèi)者的青睞。德國奧迪汽車公司在2010年研發(fā)以單轉(zhuǎn)子引擎搭配電動馬達(dá)的A1 e-tron車款，由于汪克爾引擎具有高效率、低振動、輕量小巧的特性，才被奧迪汽車納入計劃，以便在鋰電池電量不足時，用來驅(qū)動發(fā)電機(jī)。

設(shè)計構(gòu)造與零件1、進(jìn)氣埠（engine inlet）：導(dǎo)入混合油氣。

2、排氣埠（exhaust outlet）：排出廢氣。

3、轉(zhuǎn)子外殼（rotor housing）：以鋁合金制成，內(nèi)壁施以表面硬化處理，另設(shè)置火花塞孔（spark plug insert）與排氣埠，這個部份相當(dāng)于往復(fù)式活塞引擎的汽缸頭。

側(cè)邊外殼：組裝于圓筒狀的轉(zhuǎn)子外殼側(cè)面，形成密閉的燃燒室。頂面有一進(jìn)氣埠，中央則有穿過偏心軸（eccentric shaft）軸承的中心齒輪。

4、燃燒室（combustion chamber）：類似三角形的轉(zhuǎn)子把此密封空間劃分成進(jìn)氣壓縮、爆發(fā)膨脹、排氣三個獨(dú)立作業(yè)的空間。

5、中心齒輪（stationary gear）：與轉(zhuǎn)子內(nèi)圈齒輪嚙合，控制轉(zhuǎn)子的回旋。

6、轉(zhuǎn)子（rotor）：作用相當(dāng)于往復(fù)式活塞引擎的活塞和連桿，斷面類似三角形，側(cè)面的凹槽（combustion cavity）尺寸攸關(guān)引擎壓縮比。根據(jù)回旋的位置，進(jìn)、排氣埠會隨著閉或開，因此也具有排氣門的功能。

7、轉(zhuǎn)子內(nèi)圈齒輪（internal gear）：與中心齒輪嚙合，控制轉(zhuǎn)子的回旋。

8、偏心軸（eccentric shaft）：亦稱為輸出軸，作用相當(dāng)于往復(fù)式活塞引擎的曲軸。此零件的自轉(zhuǎn)對轉(zhuǎn)子軸承形成偏心作用，帶動轉(zhuǎn)子回旋。

9、火花塞（spark plug）：產(chǎn)生電火花以點燃經(jīng)霧化的汽油和空氣混合物，達(dá)到爆發(fā)膨脹的行程。

基本工作原理汪克爾引擎的基本結(jié)構(gòu)是在一個橢圓形的空間中，放入一個三角椎狀的轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子的三個面將橢圓形空間劃分為三個獨(dú)立的燃燒室。由于轉(zhuǎn)子采偏心運(yùn)轉(zhuǎn)，因此這些被分隔的獨(dú)立燃燒室在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，容積會不斷地改變，此型引擎就是利用密閉空間變化的特質(zhì)來達(dá)成四行程運(yùn)轉(zhuǎn)所需要的進(jìn)氣、壓縮、點火與排氣過程。

傳統(tǒng)四沖程往復(fù)式活塞引擎引擎轉(zhuǎn)兩圈，各汽缸才完成一次進(jìn)氣、壓縮、點火與排氣的過程。至于汪克爾引擎，轉(zhuǎn)子內(nèi)圈齒輪的齒數(shù)為51、中心齒輪的齒數(shù)為34，51-34=17、17÷51=1/3。轉(zhuǎn)子的三個面同步進(jìn)行不同的四沖程周期，故第一個面回到原點（也就是轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)一圈）便完成三次四沖程周期。

優(yōu)點汪克爾引擎的轉(zhuǎn)子每旋轉(zhuǎn)一圈就作功三次，與一般的四沖程引擎每旋轉(zhuǎn)兩圈才作功一次相比，整個引擎只有兩個轉(zhuǎn)動部件，跟一般的四沖程往復(fù)式引擎具有二十多個活動部件相比，簡化的結(jié)構(gòu)使引擎體積縮小、重量減輕，故障率也減少。另外，由于轉(zhuǎn)子引擎的軸向運(yùn)轉(zhuǎn)特性，它不需要精密的曲軸平衡就能達(dá)到較高的運(yùn)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速，其轉(zhuǎn)速比往復(fù)式引擎上升得快，且具有高馬力容積比（引擎容積較小就能輸出較多動力）的優(yōu)點。

轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的圓形運(yùn)動比往復(fù)式活塞引擎的水平直線運(yùn)動（指連桿、曲軸帶動活塞）運(yùn)行得更平順，故汪克爾引擎的震動與噪音比較小。汪克爾引擎既然體積不大且運(yùn)轉(zhuǎn)順暢，又沒有往復(fù)式引擎排氣門導(dǎo)致的局部高熱，所以排放的廢氣中少有碳?xì)浠衔铮@也是優(yōu)點之一。

再者，汪克爾引擎沒有進(jìn)、排氣門為轉(zhuǎn)子進(jìn)行吸、排氣埠的開闔，故不會產(chǎn)生因氣門結(jié)構(gòu)引起的機(jī)械性損失或失誤，即使高轉(zhuǎn)數(shù)運(yùn)作下也能確保正常的啟閉。因此以馬力而言，汪克爾引擎比往復(fù)式活塞引擎占更大的優(yōu)勢。

缺點想提升往復(fù)式活塞引擎的輸出馬力，方法非常簡單，但汪克爾引擎則不然。譬如改變往復(fù)式活塞引擎凸輪軸的角度或揚(yáng)程，以變更氣門正時或加大重疊角而提升馬力；在汪克爾引擎上則可移動或擴(kuò)張進(jìn)、排氣埠得到同樣的效果。但是組裝往復(fù)式引擎的凸頂活塞提高壓縮比，以增加油氣混合密度且調(diào)整空燃比進(jìn)而提升馬力，這種方式汪克爾引擎卻辦不到。即使加大轉(zhuǎn)子側(cè)邊的凹槽尺寸，也不能改變其空氣吸入量。換言之，想改造汪克爾引擎本體而增加馬力，便必須犧牲低轉(zhuǎn)速扭力換取高轉(zhuǎn)速馬力。

此外，點火系統(tǒng)也是汪克爾引擎的弱點之一。因為它的燃燒室會移動運(yùn)轉(zhuǎn)，爆炸的過程中火焰?zhèn)鞑サ男蛻B(tài)必定不佳，要采用復(fù)雜的雙點火系統(tǒng)和更強(qiáng)力的電火花，所以點火正時與火花塞的位置非常重要。

因燃燒時間短暫，混合油氣的燃燒不完全，使得耗油量比往復(fù)式引擎多了約10%。汪克爾引擎在啟動與低轉(zhuǎn)速時會排出大量的碳?xì)浠衔?，是往?fù)式引擎的二倍。但是加速提高轉(zhuǎn)速后，排出量明顯下降，所以一般對汪克爾引擎的空氣污然問題都有疑慮。為了解決這個問題，一般會加裝熱反應(yīng)器、觸媒反應(yīng)器與后燃器等裝置。相對地，由于轉(zhuǎn)子引擎的三個燃燒室并非完全隔離，因此在使用一段時間之后容易因為菱封材料與缸壁磨損而造成漏氣問題，大幅增加油耗與污染。

雖然轉(zhuǎn)子引擎具有以小排氣量、利用高轉(zhuǎn)速而產(chǎn)生高輸出的特性，但由于工作原理與往復(fù)式引擎不同，世界各國在制訂引擎排氣量的稅則時，皆是以轉(zhuǎn)子引擎的實際排氣量乘以二來作為與往復(fù)式引擎之間的比較基準(zhǔn)。舉例來說，馬自達(dá)的RX-8跑車，實際排氣量雖然只有1,308C.C.，但在日本國內(nèi)卻是以2,616C.C.的排氣量來作為稅級計算的基準(zhǔn)。

應(yīng)用領(lǐng)域摩托車引擎1974年后的三年間，德國赫拉克勒斯公司（Hercules Company）大量制造了以汪克爾引擎為動力來源的摩托車。他們的汪克爾引擎制造技術(shù)與菱封零件后來被英國諾頓機(jī)車公司（Norton Motorcycles（UK）Ltd）于1980年代初期打造出Commander車款。日本鈴木亦曾在1974年推出量產(chǎn)的汪克爾引擎機(jī)車RE-5，為了引擎散熱問題而設(shè)計的獨(dú)特散熱片、旋轉(zhuǎn)車鑰匙發(fā)動時儀表板的外罩會打開。不過因消費(fèi)者難以接受新式引擎、油耗表現(xiàn)不佳等問題，讓這輛銷售低迷的機(jī)車在1976年壽終正寢。

荷蘭的機(jī)車進(jìn)口制造商方明（Van Veen）曾使用寇摩托公司（Comotor S.A.）制造的汪克爾引擎，在1978年至1980年間推出OCR-1000機(jī)車。不過自1980年代起，世上再也沒有任何機(jī)車制造廠將汪克爾引擎搭載在市售機(jī)車上。

飛機(jī)引擎世界上第一架實驗性汪克爾引擎飛機(jī)是美國陸軍在1968年至1969年間使用的QT-2偵察機(jī)，源自洛克希德公司（Lockheed Corporation）制造的Q-Star。它的引擎來自柯蒂斯-萊特公司RC2-60型汪克爾引擎，可輸出185hp的最大馬力。

汪克爾引擎也被應(yīng)用在軍用無人駕駛直升機(jī)上，譬如美國西科斯基飛機(jī)公司（Sikorsky Aircraft）研發(fā)的Cypher和Cypher II，使用UEL AR801型汪克爾引擎，最大馬力為50hp。Cypher II也曾是美國海軍采購無人飛行載具的候選者之一。

由于汪克爾引擎體積小巧、構(gòu)造簡單，美國柏克萊加州大學(xué)的微機(jī)電系統(tǒng)汪克爾引擎研究室已經(jīng)發(fā)展出直徑1mm、排氣量0.1c.c.的汪克爾引擎；組成的材質(zhì)包括硅和壓縮空氣。他們最終的目標(biāo)是開發(fā)出一具可以供應(yīng)100毫瓦特電力的內(nèi)燃機(jī)。

目前世上最大的汪克爾引擎是1975年至1985年間由美國英格索·蘭德（Ingersoll Rand）公司建造供應(yīng)，單顆轉(zhuǎn)子最大馬力550hp、雙轉(zhuǎn)子則達(dá)1100hp；其轉(zhuǎn)子直徑約一米，排氣量為41,000c.c.。它起源于柯蒂斯-萊特公司以前失敗的設(shè)計并加以改良：將引擎轉(zhuǎn)速限制成1,200rpm，且使用天然瓦斯做燃料。這個改進(jìn)方式很成功，因為這具世界最大的汪克爾引擎被用來驅(qū)動天然氣輸送管線的壓縮機(jī)。日本揚(yáng)馬柴油引擎公司（Yanmar Diesel Co. Ltd）則使用汪克爾引擎組裝在電鋸機(jī)或小船發(fā)動機(jī)等。

除了內(nèi)燃機(jī)的使用，最原始的汪克爾引擎原理也可應(yīng)用在氣體壓縮機(jī)和機(jī)械增壓器（supercharger）上，以作為內(nèi)燃機(jī)的輔助裝置。話說回來，假設(shè)以汪克爾式機(jī)械增壓器加諸在汪克爾引擎上，事實上只是將汪克爾引擎的規(guī)模擴(kuò)大成兩倍而已。最有趣的應(yīng)用實例是梅賽德斯-奔馳和大眾汽車將汪克爾引擎的原理使用在座位安全帶的預(yù)緊裝置（pre-tensioner system）上。在這些車款上，當(dāng)減速感應(yīng)器偵測到潛在危機(jī)時，微量的炸藥被電子裝置觸發(fā)爆開致使壓縮氣體灌入汪克爾引擎里，旋即拉緊座位安全帶，使得駕駛者和乘客在意外發(fā)生前即被固定在座位上。1

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

胡啟洲 - 副教授 - 南京理工大學(xué)