丁彥辭，郭朋彥

轉子發(fā)動機技術國內外現狀與趨勢

丁彥辭1，郭朋彥2

（1.中國汽車工程學會，北京 100055；2. 華北水利水電大學車輛與新能源技術研究院，河南 鄭州 450045）

轉子發(fā)動機發(fā)展和應用一直以來飽受爭議，其優(yōu)點與缺點一樣明顯。文章對比分析了轉子發(fā)動機在應用過程中的優(yōu)點和不足，回顧了轉子發(fā)動機不同階段的研發(fā)和應用狀況，同時從專利的角度分析了國內外專利申請人的研發(fā)狀況和技術進展。通過對國際轉子發(fā)動機當前的科技創(chuàng)新現狀進行分析，結合我國汽車產業(yè)發(fā)展實際情況，給出了未來轉子發(fā)動機技術的發(fā)展定位和應用建議。

轉子發(fā)動機；專利；發(fā)展歷程；應用趨勢

CLC NO.: TK45 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)16-06-04

前言

轉子發(fā)動機又稱為米勒循環(huán)發(fā)動機，也被稱之為汪克爾發(fā)動機，1950年代初期，由德國工程師菲力斯?汪克爾在NSU公司研制(NSU后來與汽車聯盟共同組成現今的奧迪公司)。與傳統(tǒng)活塞往復式發(fā)動機相比，轉子發(fā)動機結構簡單，主要通過三角轉子旋轉運動來控制壓縮和排放[1-2]。轉子發(fā)動機在上世紀60年代一度成為各大整車企業(yè)關注熱點，但由于轉子發(fā)動機存在的高油耗及高排放等問題，1970年石油危機之后，眾多企業(yè)對轉子發(fā)動機技術研發(fā)熱度降低。近年來，伴隨著增程式電動汽車研發(fā)熱潮，轉子發(fā)動機作為增程器具有體積小、重量輕等優(yōu)勢，再次成為行業(yè)關注的熱點。

1 轉子發(fā)動機技術原理

轉子發(fā)動機結構如圖1所示，主要由轉子外殼、轉子、偏心軸等部件組成。轉子外殼相當于傳統(tǒng)內燃機的缸體，三角形轉子將缸體內部空間分成三個工作室，這三個工作室的容積不停地變動，在擺線形缸體內相繼完成進氣、壓縮、燃燒和排氣四個過程。燃燒氣體的膨脹壓力作用在轉子側面，將三角轉子的三個面之一推向偏心軸中心，從而帶動偏心軸輸出動力。由于轉子三個面可同時進行不同四沖程周期，所以轉子轉一圈便完成三次四沖程周期，即做功三次。

圖1 轉子發(fā)動機結構圖

與傳統(tǒng)活塞往復式發(fā)動機相比，轉子發(fā)動機具有以下優(yōu)點：（1）結構簡單，體積及重量小：轉子發(fā)動機在工作時只有偏心軸和轉子工作，沒有曲柄連桿機構和復雜的配氣機構；（2）平順性好、震動及噪音少：由于沒有曲柄連桿等機構，運行起來更加平順，同時，震動和噪音也較好；（3）高轉速好、可靠性高：轉子和偏心曲軸三比一的轉速比決定了轉子發(fā)動機可以獲得更高轉速，且可靠性更高。

同時，與傳統(tǒng)活塞往復式發(fā)動機相比，轉子發(fā)動機也具有以下缺點：（1）能耗高，排放差：轉子發(fā)動機轉速高，混合氣（燃油與空氣）燃燒時間短、燃燒不完全，造成燃燒效率低，同時由于油封材料容易磨損而造成漏氣問題，也將大幅增加油耗與污染；（2）磨損嚴重，潤滑難，壽命短：三角轉子發(fā)動機相鄰容腔是通過一個徑向密封片間隔的，但由于徑向密封片與缸體始終是線接觸，且接觸位置不斷變化，容易造成徑向密封片的過快磨損。此外，由于潤滑問題較難解決，也造成發(fā)動機壽命短；（3）成本高，后期維修難：由于密封及潤滑等問題，導致轉子發(fā)動機需要極高制造精度，同時對部件材料也要求較高，成本相對較高；另外，由于轉子發(fā)動機技術應用較少，維修人員及地點也較少，造成后期維修相對較難；（4）低速扭矩小，適用性差：轉子發(fā)動機在低轉速時，扭力較小，導致其為動力直接驅動車輛時應用領域有一定局限性，即不適合大型商用車輛及走走停停的擁堵路況。

2 國外發(fā)展歷程及現狀

2.1 國外發(fā)展歷程及現狀

轉子發(fā)動機誕生以來吸引了眾多汽車企業(yè)開展研發(fā)工作。轉子發(fā)動機自誕生以來，就吸引了包括通用、奔馳、豐田、雪鐵龍、勞斯萊斯和鈴木等眾多汽車廠商的目光，企業(yè)根據自身優(yōu)勢及用途，開發(fā)適合自家產品的轉子發(fā)動機，例如：勞斯萊斯開發(fā)出柴油版轉子發(fā)動機，鈴木提高轉子壽命并將其應用在摩托車上，奔馳開發(fā)出燃油直噴型的三轉子發(fā)動機，并于1969年搭載在C111概念車上，最大功率280馬力，最高時速達到了260km/h。但由于轉子發(fā)動機存在的高油耗及高排放等問題，1970年石油危機之后，眾多廠商都停止了轉子發(fā)動機研發(fā)項目。

馬自達一直堅持轉子發(fā)動機研發(fā)，并開發(fā)出應用雙轉子發(fā)動機量產RX-8跑車。馬自達（前身：東洋工業(yè)有限公司）自1961年獲得NSU公司的研發(fā)授權許可以來，一直致力于轉子發(fā)動機的研發(fā)及應用。面對高油耗、高排放以及磨損嚴重等問題，馬自達克服了一個個技術難關，并于1968年推出了真正量產車型“Familia Rotary Coupe”；1971年則推出了跑車“RX-7”，從1978年下線到2002年停產，RX-7總共經歷了3代；2003年，馬自達發(fā)布了跑車RX-8，采用了代號為“13B-MSP Renesis”的雙轉子發(fā)動機，該款發(fā)動機2004、2005連續(xù)兩年獲得沃德十佳發(fā)動機稱號，該款發(fā)動機排氣量為1.308L（0.654L*2），壓縮比10∶1，最高轉速9000rpm，額定功率170 kW，最大扭矩211 Nm，可以看出，該轉子發(fā)動機與傳統(tǒng)發(fā)動機相比，動力性能上毫不遜色。但同時也存在著能耗大、成本高和排放高缺點，隨著全球日趨嚴苛的油耗與排放法規(guī)，讓馬自達倍感壓力。2012年，馬自達停產了RX-8，但對轉子發(fā)動機技術的研發(fā)工作還在繼續(xù)。

AVL研發(fā)出轉子發(fā)動機增程器，并應用到增程式電動汽車上。2010年，AVL在日本舉行的“人與車科技展2010”上展出了使用轉子發(fā)動機的增程器“AVL Pure Range Extender”，該款發(fā)動機排量為0.254升，功率性能為15kW，最低燃油消耗率達245g/kWh，壽命為到100小時，裝備在奧迪電動概念車A1e-tron上，并采用與發(fā)電機一體結構配備在車輛后軸上，整車排放達歐Ⅵ水平。在發(fā)動機5000rpm的穩(wěn)定轉速下，可保持在高效運行區(qū)間，并持續(xù)向發(fā)電機提供15kW的充電功率，與僅使用電池行駛相比，可有效延長續(xù)航里程約200km。馬自達公司也開展了轉子發(fā)動機在增程式電動汽車上的應用研究[3-4]。

2.2 專利情況

（1）國外專利情況

根據WPI數據庫統(tǒng)計，截至2016年12月，國外轉子發(fā)動機專利公開量共計4239件，與傳統(tǒng)發(fā)動機領域專利量相比，處于比較低的水平。轉子發(fā)動機專利公開量在1974年之前較少，處于起步階段；1975年后專利公開量開始增多，1986年至1992年期間，迎來小高峰，年均專利公開量保持在100件左右，隨后專利公開量大幅降低，1995-2002年期間，基本處于停滯狀態(tài)；進入2003年，專利公開量再次回升，保持快速增長態(tài)勢，但到2016年專利公開量又陷入低迷。

（2）國外主要申請人

國外轉子發(fā)動機專利申請人前七名全部來自日本企業(yè)。排名第一是馬自達公司（此處合并了東洋工業(yè)株式會社數據），專利數量遙遙領先于排名第二的本田公司。排名前七的企業(yè)共計1222件專利，表明轉子發(fā)動機專利技術相對分散。總體來說，國外大部分汽車企業(yè)都在不同時期從事過轉子發(fā)動機的研發(fā)工作，馬自達由于長期研發(fā)，專利數量最多。

圖2 國外轉子發(fā)動機專利申請人前七名

3 國內研究基礎及現狀

我國轉子發(fā)動機技術研究起步較早，但研發(fā)力量分散。上世紀60年代國外眾多企業(yè)開始了對轉子發(fā)動機的研發(fā)工作，我國部分企業(yè)也于60年代后期開始了對轉子發(fā)動機的研發(fā)工作，高峰時的研究單位超過百家。但由于技術難度較大、力量分散且缺乏統(tǒng)一組織及規(guī)劃，到70年代中后期，大部分研究單位都停止了研發(fā)。但部分單位仍堅持不懈研究，并在技術上取得了一定的成效，從80年代開始，我國將轉子發(fā)動機技術應用到軍用快艇、全浮式氣墊船等特殊領域。近年來，轉子發(fā)動機在我國得到了較好的研究和發(fā)展[5-9]。

近十年來，我國轉子發(fā)動機專利公開數量較多，但商業(yè)價值不高。轉子發(fā)動機相關專利公開量在很大程度上反映了其技術研究活躍程度。根據WPI數據庫統(tǒng)計，2003年以前我國轉子發(fā)動機專利公開量較少，近十年來則持續(xù)增長，并在2011年超過了80件，目前每年公開量維持在60件左右。統(tǒng)計2006-2016年我國轉子發(fā)動機專利可以發(fā)現：1）專利數量較多。每年我國專利公開數量占全球專利公開總量接近一半；2）個人申請者較多。根據WPI數據庫統(tǒng)計，國內前十名的專利申請人如下圖所示，可以看出，個人申請者占據7位，研究機構及企業(yè)占據3位，排名第一的申請人專利不足20件?？傮w來說，雖然我國轉子發(fā)動機專利申請數量較多，但技術研發(fā)力量相對分散，總體實力仍然薄弱，同時與國外創(chuàng)新主體為公司相比，國內個人申請有相當一部分與市場需求脫離，不具備商業(yè)價值。

圖3 國內轉子發(fā)動機專利分年度公開量

圖4 國內轉子發(fā)動機專利申請人前十名

近年來，國內企業(yè)同步開發(fā)了轉子增程器，但技術性能與國外相比相差較大。但隨著增程式電動汽車技術研發(fā)的進行，以奇瑞為代表的整車企業(yè)也開發(fā)了轉子增程器，并應用到奇瑞S18整車上，該款發(fā)動機同樣為雙缸轉子發(fā)動機，功率為8kW，最低燃油消耗率達320g/kWh，壽命為100小時。整車最高車速可達120km/h，純電動續(xù)航里程60km，啟動增程器后續(xù)航達到300公里。

4 轉子發(fā)動機發(fā)展趨勢

4.1 國外技術及應用趨勢

（1）在技術層面，AVL及馬自達等國外企業(yè)仍在不斷開發(fā)轉子發(fā)動機技術，如：應用新型材料解決密封及磨損、改進進排氣結構降低能耗及排放等。同時，近年來，以馬自達為代表的企業(yè)開始大力開發(fā)氫燃料轉子發(fā)動機技術[10-11]，與傳統(tǒng)發(fā)動機相比，轉子發(fā)動機的進氣和燃燒工作室彼此分離，有助于氫氣和空氣充分混合，非常適于氫的燃燒，且不會帶來回火，可有效解決能耗大及排放等問題。

（2）在應用層面，AVL等企業(yè)開始將轉子發(fā)動機應用到增程式電動汽車上。由于增程器在車上主要用于應急發(fā)電，且工況運行穩(wěn)定，應用轉子發(fā)動機可有效避免其低速扭矩小、壽命短等缺點，并可以充分發(fā)揮其體積小、重量輕、平順性好、震動及噪音少等優(yōu)點。另外，與往復式活塞發(fā)動機相比，轉子發(fā)動機具有高轉速、高功率、體積小、重量輕等特點，可以應用于小型無人機、移動小型動力裝置、高性能跑車、軍用設備等領域。

4.2 我國實際的發(fā)展定位

（1）在技術層面，我國轉子發(fā)動機技術研發(fā)力量分散，技術薄弱，主要申請專利的商業(yè)化價值不高，應用少。考慮到技術儲備情況，建議國家層面持續(xù)地鼓勵轉子發(fā)動機技術的基礎技術研發(fā)，如：轉子發(fā)動機密封材料改進、氫燃料轉子發(fā)動機開發(fā)等。

（2）在應用層面，目前轉子發(fā)動機技術仍有諸多難題未能解決，以汽油為燃料的轉子發(fā)動機不適合大規(guī)模應用在汽車動力系統(tǒng)上。但由于其高轉速、高功率、體積小、重量輕等特點，可應用于小型無人機、移動小型動力裝置、高性能跑車、軍用設備等領域。另外，近年來，國外企業(yè)開始將轉子發(fā)動機應用于增程式電動汽車上，目前仍是小批量驗證，同時考慮到技術中立原則，以及增程式電動汽車是新能源汽車的過渡性產品，建議不進行大力推廣應用，主要以市場為導向進行技術選擇。

5 總結

轉子發(fā)動機作為增程式電動汽車的動力源，近年來受到了較大的關注；同時，轉子發(fā)動機因其體積小、重量輕等優(yōu)點，在無人機、軍用設備等方面也受到了較大的青睞。本文介紹了轉子發(fā)動機的技術原理，分析了國內外轉子發(fā)動機的發(fā)展歷程，通過專利申請情況討論了國內外轉子發(fā)動機的發(fā)展現狀，在此基礎上探討了轉子發(fā)動機的國內外發(fā)展趨勢。對我國轉子發(fā)動機的行業(yè)發(fā)展與研究具有一定的促進意義。

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The Technology Situation and Development Tendency of Rotary Engines at Home and Abroad

Ding Yanci1, Guo Pengyan2
( 1.Society of Automotive Engineers of China, Beijing 100055; 2. Institute of Vehicles and New Energy Technology, North China University of Water Resources and Electric Power, Henan Zhengzhou 450045）

Rotary engines development and application has been controversial, its advantages and disadvantages as obvious. This paper summarizes the advantages and disadvantages of the rotary engine in the application process, reviews the development and application of the rotary engines at different stages, and analyzes the research status and technological progress of the patent applicants at home and abroad from the applicant for paten. Based on the analysis of the present situation of the current technological innovation of the international rotary engines and the actual situation of the automobile industry in China, the development orientation and application suggestions of the future rotary engines technology are given.

rotary engines; patents; developmentprocesses; trends of application

TK45

A

1671-7988 (2017)16-06-04

10.16638 /j.cnki.1671-7988.2017.16.003

丁彥辭 (1984-)，男，助理研究員，碩士，就職于中國汽車工程學會。主要從事汽車產業(yè)知識產權及技術標準研究。