转子发动机技术国内外现状与趋势

丁彦辞，郭朋彦

转子发动机技术国内外现状与趋势

丁彦辞1，郭朋彦2

（1.中国汽车工程学会，北京 100055；2. 华北水利水电大学车辆与新能源技术研究院，河南 郑州 450045）

转子发动机发展和应用一直以来饱受争议，其优点与缺点一样明显。文章对比分析了转子发动机在应用过程中的优点和不足，回顾了转子发动机不同阶段的研发和应用状况，同时从专利的角度分析了国内外专利申请人的研发状况和技术进展。通过对国际转子发动机当前的科技创新现状进行分析，结合我国汽车产业发展实际情况，给出了未来转子发动机技术的发展定位和应用建议。

转子发动机；专利；发展历程；应用趋势

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

前言

转子发动机又称为米勒循环发动机，也被称之为汪克尔发动机，1950年代初期，由德国工程师菲力斯•汪克尔在NSU公司研制(NSU后来与汽车联盟共同组成现今的奥迪公司)。与传统活塞往复式发动机相比，转子发动机结构简单，主要通过三角转子旋转运动来控制压缩和排放[1-2]。转子发动机在上世纪60年代一度成为各大整车企业关注热点，但由于转子发动机存在的高油耗及高排放等问题，1970年石油危机之后，众多企业对转子发动机技术研发热度降低。近年来，伴随着增程式电动汽车研发热潮，转子发动机作为增程器具有体积小、重量轻等优势，再次成为行业关注的热点。

1 转子发动机技术原理

转子发动机结构如图1所示，主要由转子外壳、转子、偏心轴等部件组成。转子外壳相当于传统内燃机的缸体，三角形转子将缸体内部空间分成三个工作室，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。燃烧气体的膨胀压力作用在转子侧面，将三角转子的三个面之一推向偏心轴中心，从而带动偏心轴输出动力。由于转子三个面可同时进行不同四冲程周期，所以转子转一圈便完成三次四冲程周期，即做功三次。

图1 转子发动机结构图

与传统活塞往复式发动机相比，转子发动机具有以下优点：（1）结构简单，体积及重量小：转子发动机在工作时只有偏心轴和转子工作，没有曲柄连杆机构和复杂的配气机构；（2）平顺性好、震动及噪音少：由于没有曲柄连杆等机构，运行起来更加平顺，同时，震动和噪音也较好；（3）高转速好、可靠性高：转子和偏心曲轴三比一的转速比决定了转子发动机可以获得更高转速，且可靠性更高。

同时，与传统活塞往复式发动机相比，转子发动机也具有以下缺点：（1）能耗高，排放差：转子发动机转速高，混合气（燃油与空气）燃烧时间短、燃烧不完全，造成燃烧效率低，同时由于油封材料容易磨损而造成漏气问题，也将大幅增加油耗与污染；（2）磨损严重，润滑难，寿命短：三角转子发动机相邻容腔是通过一个径向密封片间隔的，但由于径向密封片与缸体始终是线接触，且接触位置不断变化，容易造成径向密封片的过快磨损。此外，由于润滑问题较难解决，也造成发动机寿命短；（3）成本高，后期维修难：由于密封及润滑等问题，导致转子发动机需要极高制造精度，同时对部件材料也要求较高，成本相对较高；另外，由于转子发动机技术应用较少，维修人员及地点也较少，造成后期维修相对较难；（4）低速扭矩小，适用性差：转子发动机在低转速时，扭力较小，导致其为动力直接驱动车辆时应用领域有一定局限性，即不适合大型商用车辆及走走停停的拥堵路况。

2 国外发展历程及现状

2.1 国外发展历程及现状

转子发动机诞生以来吸引了众多汽车企业开展研发工作。转子发动机自诞生以来，就吸引了包括通用、奔驰、丰田、雪铁龙、劳斯莱斯和铃木等众多汽车厂商的目光，企业根据自身优势及用途，开发适合自家产品的转子发动机，例如：劳斯莱斯开发出柴油版转子发动机，铃木提高转子寿命并将其应用在摩托车上，奔驰开发出燃油直喷型的三转子发动机，并于1969年搭载在C111概念车上，最大功率280马力，最高时速达到了260km/h。但由于转子发动机存在的高油耗及高排放等问题，1970年石油危机之后，众多厂商都停止了转子发动机研发项目。

马自达一直坚持转子发动机研发，并开发出应用双转子发动机量产RX-8跑车。马自达（前身：东洋工业有限公司）自1961年获得NSU公司的研发授权许可以来，一直致力于转子发动机的研发及应用。面对高油耗、高排放以及磨损严重等问题，马自达克服了一个个技术难关，并于1968年推出了真正量产车型“Familia Rotary Coupe”；1971年则推出了跑车“RX-7”，从1978年下线到2002年停产，RX-7总共经历了3代；2003年，马自达发布了跑车RX-8，采用了代号为“13B-MSP Renesis”的双转子发动机，该款发动机2004、2005连续两年获得沃德十佳发动机称号，该款发动机排气量为1.308L（0.654L*2），压缩比10∶1，最高转速9000rpm，额定功率170 kW，最大扭矩211 Nm，可以看出，该转子发动机与传统发动机相比，动力性能上毫不逊色。但同时也存在着能耗大、成本高和排放高缺点，随着全球日趋严苛的油耗与排放法规，让马自达倍感压力。2012年，马自达停产了RX-8，但对转子发动机技术的研发工作还在继续。

AVL研发出转子发动机增程器，并应用到增程式电动汽车上。2010年，AVL在日本举行的“人与车科技展2010”上展出了使用转子发动机的增程器“AVL Pure Range Extender”，该款发动机排量为0.254升，功率性能为15kW，最低燃油消耗率达245g/kWh，寿命为到100小时，装备在奥迪电动概念车A1e-tron上，并采用与发电机一体结构配备在车辆后轴上，整车排放达欧Ⅵ水平。在发动机5000rpm的稳定转速下，可保持在高效运行区间，并持续向发电机提供15kW的充电功率，与仅使用电池行驶相比，可有效延长续航里程约200km。马自达公司也开展了转子发动机在增程式电动汽车上的应用研究[3-4]。

2.2 专利情况

（1）国外专利情况

根据WPI数据库统计，截至2016年12月，国外转子发动机专利公开量共计4239件，与传统发动机领域专利量相比，处于比较低的水平。转子发动机专利公开量在1974年之前较少，处于起步阶段；1975年后专利公开量开始增多，1986年至1992年期间，迎来小高峰，年均专利公开量保持在100件左右，随后专利公开量大幅降低，1995-2002年期间，基本处于停滞状态；进入2003年，专利公开量再次回升，保持快速增长态势，但到2016年专利公开量又陷入低迷。

（2）国外主要申请人

国外转子发动机专利申请人前七名全部来自日本企业。排名第一是马自达公司（此处合并了东洋工业株式会社数据），专利数量遥遥领先于排名第二的本田公司。排名前七的企业共计1222件专利，表明转子发动机专利技术相对分散。总体来说，国外大部分汽车企业都在不同时期从事过转子发动机的研发工作，马自达由于长期研发，专利数量最多。

图2 国外转子发动机专利申请人前七名

3 国内研究基础及现状

我国转子发动机技术研究起步较早，但研发力量分散。上世纪60年代国外众多企业开始了对转子发动机的研发工作，我国部分企业也于60年代后期开始了对转子发动机的研发工作，高峰时的研究单位超过百家。但由于技术难度较大、力量分散且缺乏统一组织及规划，到70年代中后期，大部分研究单位都停止了研发。但部分单位仍坚持不懈研究，并在技术上取得了一定的成效，从80年代开始，我国将转子发动机技术应用到军用快艇、全浮式气垫船等特殊领域。近年来，转子发动机在我国得到了较好的研究和发展[5-9]。

近十年来，我国转子发动机专利公开数量较多，但商业价值不高。转子发动机相关专利公开量在很大程度上反映了其技术研究活跃程度。根据WPI数据库统计，2003年以前我国转子发动机专利公开量较少，近十年来则持续增长，并在2011年超过了80件，目前每年公开量维持在60件左右。统计2006-2016年我国转子发动机专利可以发现：1）专利数量较多。每年我国专利公开数量占全球专利公开总量接近一半；2）个人申请者较多。根据WPI数据库统计，国内前十名的专利申请人如下图所示，可以看出，个人申请者占据7位，研究机构及企业占据3位，排名第一的申请人专利不足20件。总体来说，虽然我国转子发动机专利申请数量较多，但技术研发力量相对分散，总体实力仍然薄弱，同时与国外创新主体为公司相比，国内个人申请有相当一部分与市场需求脱离，不具备商业价值。

图3 国内转子发动机专利分年度公开量

图4 国内转子发动机专利申请人前十名

近年来，国内企业同步开发了转子增程器，但技术性能与国外相比相差较大。但随着增程式电动汽车技术研发的进行，以奇瑞为代表的整车企业也开发了转子增程器，并应用到奇瑞S18整车上，该款发动机同样为双缸转子发动机，功率为8kW，最低燃油消耗率达320g/kWh，寿命为100小时。整车最高车速可达120km/h，纯电动续航里程60km，启动增程器后续航达到300公里。

4 转子发动机发展趋势

4.1 国外技术及应用趋势

（1）在技术层面，AVL及马自达等国外企业仍在不断开发转子发动机技术，如：应用新型材料解决密封及磨损、改进进排气结构降低能耗及排放等。同时，近年来，以马自达为代表的企业开始大力开发氢燃料转子发动机技术[10-11]，与传统发动机相比，转子发动机的进气和燃烧工作室彼此分离，有助于氢气和空气充分混合，非常适于氢的燃烧，且不会带来回火，可有效解决能耗大及排放等问题。

（2）在应用层面，AVL等企业开始将转子发动机应用到增程式电动汽车上。由于增程器在车上主要用于应急发电，且工况运行稳定，应用转子发动机可有效避免其低速扭矩小、寿命短等缺点，并可以充分发挥其体积小、重量轻、平顺性好、震动及噪音少等优点。另外，与往复式活塞发动机相比，转子发动机具有高转速、高功率、体积小、重量轻等特点，可以应用于小型无人机、移动小型动力装置、高性能跑车、军用设备等领域。

4.2 我国实际的发展定位

（1）在技术层面，我国转子发动机技术研发力量分散，技术薄弱，主要申请专利的商业化价值不高，应用少。考虑到技术储备情况，建议国家层面持续地鼓励转子发动机技术的基础技术研发，如：转子发动机密封材料改进、氢燃料转子发动机开发等。

（2）在应用层面，目前转子发动机技术仍有诸多难题未能解决，以汽油为燃料的转子发动机不适合大规模应用在汽车动力系统上。但由于其高转速、高功率、体积小、重量轻等特点，可应用于小型无人机、移动小型动力装置、高性能跑车、军用设备等领域。另外，近年来，国外企业开始将转子发动机应用于增程式电动汽车上，目前仍是小批量验证，同时考虑到技术中立原则，以及增程式电动汽车是新能源汽车的过渡性产品，建议不进行大力推广应用，主要以市场为导向进行技术选择。

5 总结

转子发动机作为增程式电动汽车的动力源，近年来受到了较大的关注；同时，转子发动机因其体积小、重量轻等优点，在无人机、军用设备等方面也受到了较大的青睐。本文介绍了转子发动机的技术原理，分析了国内外转子发动机的发展历程，通过专利申请情况讨论了国内外转子发动机的发展现状，在此基础上探讨了转子发动机的国内外发展趋势。对我国转子发动机的行业发展与研究具有一定的促进意义。

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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

丁彦辞 (1984-)，男，助理研究员，硕士，就职于中国汽车工程学会。主要从事汽车产业知识产权及技术标准研究。