马自达转子发动机发展历史及相关车型

马自达转子发动机属于无活塞回旋式四行程内燃机的其中一种。自1961年2月27日日本东洋工业（现称马自达汽车公司）向德国NSU车厂（今奥迪汽车〔Audi〕的前身之一）和菲力斯·汪克尔签约取得汪克尔发动机的授权许可以来，即不断投入人力心血改良开发，并以rotary engine（原文写作“ロータリーエンジン”，转子发动机之意，但常略称为“RE”）称呼之。


转子发动机断面

目前最新量产实用化的转子发动机代号为13B-MSP型，原厂亦称Renesis。2010年10月公开的16X型曾因各国日趋严苛的废气排放法规而推迟量产计划，但原厂仍持续研发以找出克服之道。2015年10月29日开幕的第44届东京车展上，原厂公开“RX-VISION”概念车，所搭载的次世代转子发动机“SKYACTIV-R”结合创驰蓝天技术，但并未公开动力细节。2016年4月传出原厂向美国提出新款转子发动机的专利申请书曝光，显示原厂仍积极投入开发。

发展的历史

丰田发展的试验用转子发动机

最初汪克尔所发明的汪克尔发动机专利权原是属于德国NSU车厂拥有，虽然1960年1月19日汪克尔在德国工程师学会（Verein Deutscher Ingenieure，常缩写成VDI）的会议上向世人公开发表这具无活塞回转式发动机的新发明，吸引了包括美国通用汽车（General Motor）、德国戴姆勒·奔驰（Daimler Benz）和日本丰田（Toyota）等车厂的目光，但经过试验发现量产实用化的困难度比预期还要高后，他们纷纷打了退堂鼓。

第二次世界大战结束后，位于广岛市有一座帜町广岛和平纪念教堂（幟町広島平和記念聖堂），其教会钟楼的和平之钟乃当时的德国总理康拉德·阿登纳（Konrad Adenauer）赠送，于是透过康拉德·阿登纳的这层关系与NSU车厂搭上线。在1961年2月为了签约取得专利授权许可，马自达接受的苛刻条件如下：

1、10年的签约金额为2亿8千万日圆，当时约可支付马自达8,000位员工的一个月薪资。
2、马自达必须无条件提供产品专利权给NSU车厂。
3、每一辆搭载汪克尔发动机的汽车上市后，须向NSU车厂交付权利金。

同年7月该公司指派8位技术人员远赴当时位于西德的NSU车厂接受技术细节的培训，其中包括后来被任命为“RE研究部”部长的山本健一。NSU车厂人员在运转的汪克尔发动机上置放一枚铜板却屹立不倒，向马自达的技师们展示这具发动机的静肃性。不过他们稍后却发现运转一段时间后，转子室缸壁会出现转子顶点菱封所造成的波状磨痕；解决此问题才能正式实用量产化。1963年（昭和38年）马自达成立“RE研究部”，并任命山本健一率领46位工程师研究改良汪克尔发动机。此47人后来被称呼为“转子四十七士”（ロータリー47士），含有仿效赤穗四十七浪士不成功便成仁的意涵。在此同时，因面临乘用汽车进口自由化的压力，日本通商产业省（今经济产业省）于1965年主动提出整并国内汽车界的构想。屈迫于这种被合并的危机，当时松田恒次社长提出“技术永远是革新”（技術は永遠に革新である）的口号，更激发RE研究部的决心。

由于汪克尔发动机的构造独特，转子以偏心圆的方式在椭圆形空间里回转。为了让它的三个面与缸壁之间保有一定的气密性，其三个端点必须装设一种由“菱封”（apex seal）与“角封”（corner seal）组成的的立体机构。菱封的作用类似活塞环，内部的弹簧片会配合菱封与缸壁间的空隙伸缩。经过日积月累的偏心圆运转，菱封对缸壁会造成波状刮伤（chatter mark，被戏称为“恶魔的爪痕devil's fingernails”）。换句话说，改善菱封材质的进程俨然为汪克尔发动机的改良发展史。

这个研究团队经过不断的测试发现，波状磨痕的间隙与菱封固有震动数值相同，因此他们改变菱封的形状，在接近顶端处横向开孔，并在交叉方向另开一纵向孔，称为交叉孔（cross hollow）菱封。实验证实菱封与缸壁的共振频率被改变，300小时内不会出现波状磨痕，总算初步解决这个问题。接着1964年夏天日本碳素公司（日本カーボン株式会社）开发出新碳素材料，马自达遂以混入碳素的铝合金材质取代原先的菱封材质。1967年5月上市的Cosmo Sport即采用碳铝材质制成的菱封，成为世界上第一部将转子发动机实用化的量产汽车。

1960年代起，美国洛杉矶盆地地区陆续发生空气污染而造成天空笼罩白灰尘沙，美国联邦政府自1965年起实施汽车空气污染管制法（Motor Vehicle Air Pollution Control Act of 1965）。因转子发动机的构造特殊，产生的氮氧化物（oxides of nitrogen，简称NOx）很少，但相对地会增多碳氢化合物（hydrocarbons，简称HC）。为了顺利通过最大市场美国的废气排放标准，马自达采取“温控反应器”（thermal reactor）将废气中残余的碳氢化合物混合空气后再度燃烧，使得转子发动机车种于1969年10月正式登陆美国市场。然而1970年12月美国国会又通过由埃德蒙·马斯基（Edmund Muskie）提案、俗称“马斯基法案”的修正清洁空气法（Clean Air Act Amendments of 1970），限制1975年后在美国销售的汽车必须将碳氢化合物减少至现行十分之一以下。马自达的技术人员立刻着手改良此一问题，并于1973年2月于美国市场推出油耗表现较佳、空气污染较轻微的REAPS（Rotary Engine Anti-Pollution System的缩写）型转子发动机搭载车款第二代Luce。
除此之外，转子发动机要克服的课题还包括油耗表现与低速扭力问题。先前量产的13B-REW型转子发动机之进、排气埠都是使用“外环气埠”（peripheral port），造成混合的燃油与空气在低转速域间无法充分燃爆，甚至不易点燃。因此为了解决油耗表现与低速扭力的问题，马自达自13B-MSP Renesis型开始将原本位于转子外壳圆周的进、排气埠移到侧边，称之为“侧边气埠”（side port）。另外，点火系统改为双火星塞设计，提升燃油与空气混合的点火效率。所以这些改良措施提高了转子发动机的低速扭力表现，也解决了油耗问题。

1991年马自达开发并测试了第一辆氢动力转子发动机原型车，名为马自达HR-X；1993年更发表了改良过的马自达HR-X2。后来在2004年的底特律国际车展上，马自达介绍了RX-8 Hydrogen RE（RE就是rotary engine之缩写）概念车，这是一部氢气及汽油双燃料转子发动机车。2006年2月时，日本国土交通省批准了RX-8 Hydrogen RE的租赁业务，马自达生产了一批此型的RX-8交付给岩谷产业、出光兴产等两家公司使用。而在2009年4月，马自达参加了挪威的HyNor计划（在挪威首都奥斯陆至西岸沿海的Stavanger之间，打造一条580公里长的氢气实验道路，于沿途设置氢气加气站，以利氢气动力车辆补充燃料），交付30辆氢气燃料车进行实路测试。

历年转子发动机型号

40A型
马自达发展出来的第一颗试验用转子发动机是40A型，排气量386c.c.，转子半径90毫米、偏心量14毫米、深度59毫米。这是一颗非常近似NSU KKM 400型的单转子发动机，却只能连续运转40小时，完全称不上量产实用化。虽然此颗发动机未曾正式量产，却帮助马自达工程师迅速意识到两个难题：转子顶端的气封刮伤缸壁而造成“恶魔的爪痕”（devil's fingernails），及因密封性不佳引起严重的油气污染问题。

L8A型
L8A型转子发动机
L8A型转子发动机首先面世的时刻为1963年的第十届全日本汽车展览（全日本自動車ショー，即现今的东京国际车展），翌年在同一个展览会上随着Cosmo原型车与世人见面。马自达改以空心铸铁制造菱封，以改变菱封摩擦缸壁的共振频率、消除震动，解决“恶魔的爪痕”问题。这颗发动机采用干式油底壳润滑（dry sump lubrication），转子半径为98毫米、深度56毫米。而这颗发动机也衍生出几种亚型，做为试验之用途：
1、单颗转子：称为0353型
2、二颗转子：称为L8A型
3、三颗转子：称为3804型
4、四颗转子：称为3805型，最大马力160ps / 6,000rpm

10A型
10A型转子发动机
10A型转子发动机是马自达1965年正式量产、实用化的汪克尔发动机，分成数种亚型，但它们皆是491c.c. X 2双转子发动机，而且共同点是深度60毫米。缸体采用铝合金翻沙铸模，其铝合金经过碳化处理以加强刚性。为了耐磨，缸内更经过硬质镀铬表面处理；偏心轴以铬钼钢制成，转子本体则由铸铁制成，其顶端的菱封与角封则采用与缸体相同的碳化铝合金制作。

0810型
第一具10A型转子发动机是0810，重量141公斤，搭载于通常被称作L10A的第一代Cosmo前期型上。转子半径105毫米、偏心量15毫米、深度60毫米；最大马力110ps / 7,000rpm、最大扭力13.3kg·m / 3,500rpm。此型发动机使用双侧面进气口，且各转子由四腔化油器之一供油。为了节省油耗，在低转速的情况下只开启一个进气埠。其冷却系统采用轴流式，已经和NSU原始的星形设计迥然不同。
使用车款：
1967年-1968年：Cosmo Sports L10A

0813型
该亚型在1968年7月随着第一代Cosmo Sports后期型登场，为了提升吸气效率而改变排气埠的正时，使得最大马力提升至128ps / 7,000rpm、扭力峰值14.2kg·m / 5,000rpm。
使用车款：
1968年-1972年：Cosmo Sports L10B

0820型
该亚型发动机使用于1968年6月以Familia车身为基础的R100。为了降低制造成本，做了许多变更：缸体侧边改以铸铁、缸体本身从铝合金翻沙铸模改为一般铸模、偏心轴改用铬合金。排气埠位置不变，但排气道不再围绕着转子室。最大马力为100ps / 7,000rpm，扭力峰值为13.5kg·m / 3,500rpm。乘坐5人时，从0加速至400米耗时16.4秒；不过降低成本的结果导致总重量从102kg增加至122kg。
使用车款：
1968年-1973年：R100

0866型
这是10A型的最后一个亚型，出现于1971年登场的RX-3。不同点在于转子室空间采用新的涂覆工法，用喷雾方式涂上铬，以延长转子发动机的寿命。最大马力105ps / 7,000rpm，扭力峰值达13.7kg·m / 3,500rpm。
使用车款：
1971年-1973年：RX-3 S102

3A型

3A型转子发动机
完成于1970年的3A型乃属单转子发动机，排气量356c.c. X 1，可输出最大马力38ps ／ 6,500rpm、扭力峰值4kg·m ／ 3,500rpm。原本马自达打算将这颗单转子发动机搭载于轻型车Chantez上，但受到同业阻挠而作罢。

13A型
13A型双转子发动机排气量为655c.c. X 2，是专门为了前轮驱动车所设计的，最大马力为126ps / 6,000rpm，扭力峰值为172N·m / 3,500rpm。转子半径达120毫米、偏心量17.5毫米，但深度维持60毫米。另一个特点是，13A型装置了水冷式机油冷却器。此型发动机仅搭载于外销版称为R130的Luce Rotary Coupe上，从此以后，马自达再也没有推出过前置前驱的转子发动机车款了。
使用车款：
1969年-1972年：Luce Rotary Coupe / R130

12A型
573c.c. X 2的12A型算是10A型的加长版，转子半径维持不变，但深度加大至70毫米，偏心量15毫米。最大马力120ps / 6,500rpm、最大扭力16.0kg·m / 3,500rpm。此型发动机自1970年五月迄1985年，共生产了15年。由于采用新的技术工法和改良材料，转子室缸壁更加硬化。同时，12A型也是第一具非西欧或美国地区生产，却完成利曼24小时耐力赛的发动机。

为了符合汽车废气排放标准，早期的12A型和前述的0866亚型一样装置了温控反应器（thermal reactor），接着1979年日本地区改成稀薄燃烧亚型（lean-burn），而1980年美国地区则加装触媒转换器因应。1981年马自达发表6PI亚型（6 port induction的缩写），也就是利用气门运作来控制进气的系统。

使用车款：
1970年-1973年：R100
1970年-1974年：RX-2
1974年-1978年：RX-3
1972年-1974年：RX-4
1972年-1974年：第二代Luce
1978年-1979年：第一代RX-7
稀薄燃烧（lean-burn）使用车款：
1979年-1985年：第一代RX-7（日本）
1980年-1985年：第一代RX-7（美国）
6PI使用车款：
1981年-1982年：第四代Luce
1981年-1982年：第三代Cosmo
12A型涡轮增压

第三代Cosmo搭载的12A型涡轮增压发动机

此类发动机是12A的最终版本，搭载于第四代Luce、第三代Cosmo和第一代RX-7上。供油系统为半缸内直喷技术，同时可为两颗转子注入燃油；且安装了被动式爆震感知器，可消除发动机爆震。最大马力可达165hp / 6,000rpm、最大扭力23.5kg·m / 4,000rpm，不过这颗涡轮增压转子发动机的油耗也很惊人。

使用车款：
1982年-1983年：第四代Luce
1982年-1983年：第三代Cosmo
1983年-1985年：第一代RX-7
12B型
1974年问世的12B型生产时间很短暂，主要搭载于RX-2和RX-3上。拿它跟10A型和12A型相较，其稳定性比较高，且使用单配电盘（10A型和12A型皆为双配电盘）。
使用车款：
1974年-1978年：RX-2
1974年-1978年：RX-3后期型
13B型

13B型的转子特写
此型转子发动机是马自达迄今产量最多的，生产周期已经超过卅年。13B型跟13A型没有任何关系，反而是12A型的加长改良版，转子深度80mm，排气量为654 c.c. X 2。此型发动机从1972年的RX-4一直使用至2002年的RX-7，可分成许多亚型：

13B-AP型
“AP”即为anti-pollution的缩写，为了因应当年各国政府制订日趋严格的汽车废气排放标准，特别改良其废气排放，且在车名后头加上“AP”。
使用车款：
1972年-1978年：第二代Luce / RX-4
1975年-1981年：第二代Cosmo AP / RX-5
1975年-1979年：Roadpacer
1974年-1977年：Rotary Pickup
1974年-1976年：Parkway Rotary 26
13B-RESI型

13B型的菱封特写
“RESI”取自于“Rotary Engine Super Injection”的缩写，此型发动机搭配了首次获得改良的进气系统，借由开、闭进气埠时在双层集气箱内所产生的海耳姆赫兹氏共振（Helmholtz resonance）达到类似机械增压的效果。此亚型发动机亦采用Bosch公司的L-Jetronic燃油喷射系统，最大马力135hp、扭力峰值180N·m。
使用车款：
1983年-1986年：第四代Luce
1983年-1990年：第三代Cosmo
1984年-1985年：RX-7 FB
13B-DEI型
此亚型发动机同时具有6PI与DEI可变气门系统，且装置了四喷油嘴式电子燃料喷射装置。最大马力达146hp / 6,500rpm，最大扭力187N·m / 3,500rpm。
1986年出现涡轮增压的13B-DEI型，安装更新颖的四喷油嘴式电子燃料喷射装置，却去除了可变气门系统。1985年至1988年的双废气入口涡轮增压器采用二段机械式排气阀，1989年开始采用改良过的涡轮增压器，以分开的多头管驱动双废气入口结构。
自然进气型使用车款：
1985年-1988年：RX-7 FC，146hp
1989年-1991年：RX-7 FC，160hp
涡轮增压型使用车款：
1985年-1988年：RX-7 FC，185hp
1989年-1991年：RX-7 FC，205hp - 215hp
1986年-1991年：第五代Luce

13B-REW型
13B-REW型除了自然进气版本外，另采序列式双涡轮增压系统（sequential twin turbocharged system），并降低压缩比，使得最大马力达255ps / 6,500rpm，最大扭力30.0kg-m / 5,000rpm。不过此亚型转子发动机常被讹称为“13B-RE”，因为在进气歧管外面铸了这几个字样。另外，此亚型发动机最重要的特点为：第一是重量轻，本体净重仅81公斤，加上涡轮系统、进气冷却器、进排气歧管、发电机等元件后的总重量才148公斤；第二是马力大：譬如RX-7 FD发展到1999年的后期第五型，最大马力已提升至日本车厂马力自主上限的280ps了。

虽然第三代RX-7和Eunos Cosmo都搭载这具含序列式双涡轮增压系统的13E-REW型转子发动机，但两者的涡轮尺码不同：

RX-7 FD采用两颗日立HT-12型涡轮，一开始先将所有废气集中在第一颗直径51mm的小涡轮，使该涡轮在低转速时（约1,800rpm）作动，减少涡轮迟滞（turbo lag）的现象。当接近第一颗涡轮的最大工作转速时，废气开始被导入第二颗直径57mm的大涡轮；一旦发动机转速达到其作动范围（约4,000rpm），所有废气被集中在此涡轮而全力作动。

Eunos Cosmo采用一大（日立HT-15型）、一小（日立HT-10型）的双涡轮，作动原理同上段所述。

使用车款：
1990年-1996年：Eunos Cosmo，最大马力230ps / 6,500rpm，最大扭力30.0kg-m / 3,500rpm
1991年-1995年：Ẽfini RX-7，最大马力255ps / 6,500rpm，最大扭力30.0kg-m / 5,000rpm
1996年-1998年：Ẽfini RX-7，最大马力265ps / 6,500rpm，最大扭力32.0kg-m / 5,000rpm
1999年-2002年：RX-7，最大马力280ps / 6,500rpm，最大扭力32.0kg-m / 5,000rpm
20B型

Eunos Cosmo搭载的20B型发动机

此发动机乃自13G型演变而来，而13G型为1985年马自达757参加利曼24小时耐力赛所使用的三转子发动机，最大马力450ps / 8,500rpm。接着1987年11月767取代退役的757时，马自达将13G型更名成20B型，且将原本的外环气埠（peripheral port）设计改良成新型的侧边气埠（side port）。
20B-REW型是马自达唯一量产化的涡轮增压三转子发动机，且仅使用于Eunos Cosmo。它的排气量是654c.c. X 3，压缩比9.0:1，涡轮压力0.7 bar（70 kPa），可榨出280ps / 6,500rpm的马力、41.0kg·m / 3,000rpm的扭力。
使用车款：
1990年-1996年：Eunos Cosmo，最大马力280ps / 6,500rpm，最大扭力41.0kg·m / 3,000rpm

13J型
马自达开发的第一颗赛车用四转子发动机13J型出现于1987年JSPC全日本运动原型赛车耐久锦标赛的最终役“富士500公里锦标赛”，搭载于以马自达757延长轴距而来的757E原型赛车上。翌年出现改良版的13J-M型（M即为Modified修改之意），搭载于参加C组赛车系列赛里利曼24小时耐力赛的767，最大马力550ps / 8,500rpm。隔年更发展出可变进气系统的13J-MM型，最大马力630ps / 9,000rpm，但是13J型的先天体质设计不佳，后来被26B型取代。

R26B型

四转子发动机R26B型用以取代前述的13J型，基本上是将两具13B型双转子发动机连结在一起，采外环气埠（peripheral port）设计，但每个转子都附有三个火星塞。1991年搭载R26B型发动机的787B赢得利曼24小时耐力赛的综合优胜，是第一部日本车厂制造，也是第一部搭载转子发动机的赛车获得此项殊荣。总排气量为2,616c.c.（654c.c. x 4），可产生最大马力700hp / 9,000rpm，峰值扭力54kgm / 7,500rpm。

13B-MSP Renesis型

搭载在RX-8上的转子发动机被原厂称为Renesis，事实上仍以13B型为基础，加以改善燃油效率与降低零件损耗，故开发代号称作13B-MSP型。其中“MSP”为“multi side port”的缩写，表示该具发动机将进、排气埠位置转移到侧边外壳上。13B-MSP型自13B-REW型的自然进气版本进化而来，除了承袭前代体积小、轻量化优点外，也将进、排气埠改到侧边外壳上，以便改良空气污染的问题。因为13B-REW型的进、排气埠设于转子外壳上，产生重叠角，导致混合油气燃烧不完全而造成严重的空气污染。

再者因转子三个顶点的菱封气密性不佳，导致低转速的扭力过弱，所以13B-MSP型的压缩比提高到10.0：1，以提高低速的扭力。另外，特别将菱封材质经过热处理强化来解决气密性这个问题。在发动机的润滑工作上，13B-MSP型的机油槽向外延伸，并设计折流板以限制机油移动，并加高偏心轴位置以泼洒搅拌机油，使得润滑度大幅精进，提高其耐用度。这具转子发动机曾于2004年、2005年间连续获得华德十大最佳汽车发动机的殊荣，亦曾于2004年5月获得日本机械学会颁赠之奖章。
使用车款；
2003年-2012年：RX-8，250ps
RSC 26BDS-TT型
德国转子超级跑车公司（Rotary Super Cars）采用两具马自达13B-MSP型之部分元件，加以改造成四转子发动机，排气量2,600c.c.，称呼为RSC 26BDS-TT型发动机。搭配八速R-Shift变速箱，按自然进气、RS单涡轮增压系统及双涡轮增压系统调校出三种动力：
GT-S车型：500hp
GT-RS车型：800hp
GT-RSR车型：1,200hp，可于3秒内加速至100km/hr

16X型
16X型于2007年随着概念车大气对外公开，目前仅知排气量扩大成800c.c. X 2、转子室空间的宽幅缩减、侧边外壳由铝制成、采用缸内直喷技术等。可是如此一来，二氧化碳的排放量便大幅增长，难以通过诸多国家日趋严苛的环保标准。2013年11月新上任的第15任社长小饲雅道接受美国Automotive News访问时明确表示：“目前暂时没有推出转子发动机的计划，一旦采行，它必须是可行的方案，而且每年至少有10万辆的销售量，才有可能让公司保持获利。”。不过在2015年9月举办的法兰克福车展上，小饲接受采访时证实该公司仍持续研发新世代转子发动机，并着手克服二氧化碳排放量、低转速时扭力不足等难题。

SKYACTIV-R型
2015年10月29日开幕的第44届东京车展上，原厂公开“RX-VISION”概念车，所搭载的次世代转子发动机“SKYACTIV-R”结合创驰蓝天技术，但并未公开动力细节。2016年4月原厂向美国提出新式转子发动机的专利申请书曝光，证明原厂仍持续其开发工作。