转子发动机

不往复的发动机

四冲程发动机的活塞在上下止点停住再反向，曲轴、连杆、凸轮、气门都在为这一来一回服务。菲利克斯·汪克尔（1902–1988）想要一台只有转动的发动机。

1957 年 2 月 1 日，他在 NSU 公司的第一台机器 DKM 54 在试验台上启动。那台机器的缸体和转子都在转。NSU 研发部门随后把缸体固定，让转子装在一根偏心轴上绕着转。此后所有的转子发动机都是这个样子。

1957 年 2 月 1 日 DKM 54 首次运转 · 随后改为固定缸体、偏心轴

一条外旋轮线

转子的三个顶点到中心的距离都是 R，中心绕着轴线走一个半径 e 的圆，同时转子以三分之一的速度自转。顶点画出的曲线叫外旋轮线：x = e cos 3α + R cos α，y = e sin 3α + R sin α。缸壁就是照这条线加工的。

马自达 13B 的 R 是 105 毫米，e 是 15 毫米，所以缸长 240 毫米、宽 180 毫米，像一个束了腰的椭圆。R/e = 7，比值越小，腰越细、压缩越强，顶点密封也越难做。

x = e cos 3α + R cos α · y = e sin 3α + R sin α · R 105 · e 15 · b 80 mm

三比二

转子的一侧有一圈内齿轮，节圆半径 3e；它套在固定于端盖上的一个外齿轮上，节圆半径 2e。两圆的圆心正好相距 e，就是偏心轴的偏心量。

偏心轴每转一圈，转子在固定齿轮上滚过，自己只转三分之一圈。这对齿轮不传递动力，只管相位：让三个顶点始终贴着缸壁。燃气推转子，转子经偏心轴上的轴颈把力传给轴。

内齿轮 3e = 45 mm · 固定齿轮 2e = 30 mm · 轴转 3 圈，转子转 1 圈

三个腔，一起做四个冲程

转子把缸分成三个腔。每个腔随转子绕一圈，容积两次变大、两次变小：吸气、压缩、做功、排气。每个冲程占偏心轴 270 度。

三个腔相差三分之一圈，所以总有一个腔在做功。转子每转一圈点火三次，也就是偏心轴每转一圈点火一次。每个腔的最大和最小容积相差 3√3·e·R·b，13B 是 654 毫升，马自达把它写作 654 cc × 2。

新鲜混合气 · 压缩 · 燃烧 · 废气

没有气门

转子自己开关气口。开在两侧端盖上的叫侧气口，由转子的侧面盖住和让开；开在缸壁上的叫周边气口，由顶点密封扫过。

周边气口通道直、截面大，高转速下进气多，但进排气口同时开着的时间长，低速不稳。马自达的道路用 13B 进气走侧气口、排气走周边气口；2003 年的 Renesis 连排气也搬到侧面，进排气不再重叠。1991 年勒芒的 787B 用的是周边进气、周边排气。

顶点密封

三个腔之间只隔着顶点上一条细钢片。它在弹簧和离心力下压着缸壁，接触只有一条线，每转一圈要扫过整圈缸壁；13B 在 9000 转时，顶点的滑动速度最高约 47 米每秒。

缸壁是弯的，顶点密封和缸壁法线的夹角一直在变，最大到 arcsin(3e/R)，13B 是 ±25.4 度，所以密封的尖端要磨成圆的。早年的密封在缸壁上震出一道道波纹，马自达叫它「魔鬼的爪痕」。第一台量产的马自达转子机用浸铝的碳材料做密封，后来换成铸铁片；缸壁镀上硬铬。

密封倾角 = arcsin(3e/R) = ±25.4° · 9000 转时顶点最高约 47 m/s

又长又薄的燃烧室

压缩到最小时，燃烧室是一条约 190 毫米长、平均只有几毫米厚的弯缝，表面积和容积之比，约为同样压缩比、缸径 80 毫米的平顶活塞缸（四冲程发动机图版里那台发动机的缸径）的 1.7 倍。贴着冷壁的混合气烧不透，转子后半段的火焰也赶不上，未燃的碳氢化合物多，热损失也多。

马自达在每个转子上装前后两个火花塞，后面那个专门点燃拖在后面的混合气。1973 年 2 月，装热反应器的 RX-3 和 RX-4 通过了美国环保局按 1975 年标准做的测试；同年石油危机之后，马自达定下目标，把转子机的油耗降低 40%。

最小容积时：长约 190 mm，平均厚约 5 mm · 表面积/容积约为同压缩比平顶活塞缸的 1.7 倍

拆开来看

从前往后：皮带轮和前盖、前端盖、前缸体、中间隔板、后缸体、后端盖，十几根长螺栓把它们串起来。缸体是铝铸的，缸壁镀铬，外圈的长孔走冷却水；端盖是铸铁的，进气口就开在它们朝里的一面。

两个转子装在同一根偏心轴上，两个轴颈相差半圈，彼此平衡。每个转子有三条顶点密封、六个角密封、六条侧密封。

沿轴剖开

沿偏心轴剖开：两个转子一高一低，相差半圈；转子孔里的轴颈偏开 15 毫米，旁边是一大一小两个啮合的齿轮。整台机器里来回运动的只有密封片，其余的零件都在转。

小而有力

偏心轴每转一圈，每个转子都做一次功，像二冲程机那样密。所以 1.3 升的 13B 在比赛规则里要按 1.8 倍折算：787B 的四转子 R26B 是 654 cc × 4，按规则折算成 4708.8 cc。

R26B 在 9000 转时发出 700 马力。1991 年 6 月，55 号 787B 跑了 362 圈赢得勒芒 24 小时赛，这是日本厂商第一次赢下勒芒，也是转子发动机唯一一次。规则随后改变，那一年是转子赛车最后一次参加勒芒。

R26B：654 cc × 4 · 700 PS / 9000 rpm · 1991 勒芒 362 圈

它改变了什么

NSU 在 1963 年展出世界上第一辆量产的转子发动机汽车 Wankel Spider，共造了 2375 辆；1967 年的 Ro 80 用两转子发动机（2 × 497 cc，115 马力），获评 1968 年欧洲年度汽车，到 1977 年 4 月造了 37,374 辆。

马自达 1967 年推出 Cosmo Sport，一直做到 2012 年 RX-8 停产，转子机车型累计超过两百万辆。2023 年它以另一种身份回来：MX-30 R-EV 里一台 830 cc 的单转子机不驱动车轮，只带发电机。

1957 DKM 54 · 1963 NSU Spider · 1967 Ro 80、Cosmo Sport · 1991 勒芒 · 2012 RX-8 停产 · 2023 8C 发电