柯蒂斯-莱特（Curtiss-Wright）公司对转子发动机“贡献巨大”：

讲到转子发动机，大多数人马上想到了发明转子发动机的德国工程师菲加士·汪克尔（FelixWankel）和NSU公司，想到了将转子发动机发扬光大的日本马自达和日本转子发动机之父山本健一，但却不知道还有美国美国柯蒂斯-莱特（Curtiss-Wright）公司和美国转子发动机之父马克斯·本特勒（Max Bentele）。 该公司生产了世界上第一台“柴油”转子发动机，并将转子发动机推向“军事应用”。究其原因，主要是由于马自达玩的是“民用”、“小功率”、“汽油”转子发动机，主要应用于商用汽车领域，也因此被众人熟知。而莱特公司玩的是“军用”“大功率”“柴油”转子发动机，主要应用于军事领域，由于涉及到军事秘密，因此这方面报道也很少，因此很多人都不知道莱特公司的柴油转子发动机。 由于是军事应用，也就没有了排放污染等限制问题，也可以忽略其它任何缺点（如高油耗、高成本、高维护等），也因此不会像马自达的转子汽车因排放问题、高油耗问题和低寿命等问题而最终被淘汰出局。 在转子发动机军事应用领域内，要远比我们想象的精彩。世界各军事强国和心存军事野心的国家当仁不让，主要有日本、德国、英国、法国、俄罗斯、以色列、瑞士、意大利、加拿大、奥地利、韩国、捷克、印度等都在研制军用转子发动机，而且每个国家研制厂家众多，大有蜂拥而至、占领转子发动机军事领域内的制高点之势。 本文重点讲述美国转子发动机的总体发展历程。 1958年，NSU公司宣布，Wankel转子发动机获得了极大成功。这一消息在世界汽车界激起了千层浪，转子引擎成为了那个时代的明星，全世界近100家公司争先恐后向Wankel和NSU公司提出技术合作意向，拟将转子发动机纳入其产品序列之中。美国先后共有四家分公司向Wankel和NSU公司购买了转子发动机许可证技术。 柯蒂斯-莱特（Curtiss-Wright）公司 没错，这个公司就是发明飞机的莱特兄弟和美国"海上飞行之父"格伦·柯蒂斯(Glenn Curtiss)于1929年合并而成的新公司，堪称航空界的活化石。1958年10月21日，美国柯蒂斯-莱特（Curtiss-Wright）公司以210万美元的价格成为全球第一家购买德国NSU公司的转子发动机的许可证生产商，开发内容包括“大功率”汽油转子机和柴油转子机。 1960年，德国NSU公司和美国Curtiss-Wright公司又签署了一项联合开发协议， NSU将专注于中低功率转子发动机的开发，而基于Curtiss-Wright拥有数十年设计和生产飞机发动机的经历和经验，由Curtiss-Wright负责开发航空用大功率发动机。为此，Curtiss-Wright还专门招募了Max Bentele来领导他们的设计团队。 1959年首先对Wankel汽油发动机结构进行了“革命性”改进，使得发动机变得更简单，体积、重量和零件数量减少一半以上。接着对燃烧系统进行了研究，提出了“Rotating Combustion，RC”理论，制造出了“RC”转子发动机。1970年代又提出了“分层充气燃烧”（stratified charge combustion）理论，并由此发明了全球第一台“柴油”转子发动机。 基于这些重大贡献，Curtiss-Wright公司的转子团队负责人，德国工程师马克斯·本特勒（Max Bentele）被誉为美国转子发动机之父。从70年代末，Curtiss-Wright停止了转子发动机的研发，彻底退出转子发动机领域。如果想了解更多更详细关于Curtiss-Wright研制转子发动机的内容，请关注我们该系列后续的文章 1984年2月，美国John Deere公司以1400万美元的象征性费用获得了Curtiss-Wright许可证，后购买了有关转子发动机的全部技术和资产，原来属于柯蒂斯·莱特公司的新泽西州（New Jersey）伍德里奇（Wood Ridge）的转子发动机研究所也成为John Deere转子发动机研究分部。 1936年成立的舷外船舶公司（Outboard Marine Corp，OMC）是世界上最大的舷外发动机制造商和供应商，也是第二大摩托艇生产商（第一生产商Brunswick Corporation）。 60年代初，OMC开发了采用Wankel发动机驱动的雪地摩托车。当时全球第一大雪地车生产商美国北极猫公司（Arctic Cat Inc.）生产的雪地摩托车，采用的就是德国Fichtel & Sachs AG公司（1960年12月29日购买了Wanke许可证，为继Curtiss-Wright之后全球第二家许可厂家）专门为其研制的KM48 型303cc Wankel转子发动机，但在使用过程中，Wankel引擎表现出动力不足，也不可靠。1966年3月1日，OMC与Felix Wankel签订了转子发动机许可证专利，许可范围为50-400 Ps的汽油转子机。 除了上述两家公司之外，美国通用汽车（GM）和美国汽车公司（AMC）也分别于70年代初购买了转子发动机许可证专利。可惜的是，基于这两家公司主要业务是“汽车”领域，引进许可证技术又不逢时（1973年世界石油危机），加上无法满足当时提出的排放问题，最终都无疾而终。 1970年11月10日，美国通用汽车（GM）支付了5000 万美元购买了NSU转子发动机许可证专利，许可范围为除了飞机用发动机之外的所有应用。通用汽车总裁埃德科尔（Ed Cole）最初预计将在三年内发布商业汽车版本，后来被视为是非常轻率的声明。该发动机最初的目标是 1973 年 10 月在 1974 年雪佛兰 Vega 中作为发动机选项或运动版的标准引入。 后GM对此项目进行了大肆报道宣传。1972年5月，美国《大众科学》（Popular Science）杂志发表了一篇题为“1974年Vega的GM旋转发动机”的文章，大肆宣传、预测GM未来的旋转发动机，可惜这些预测最终证明都是错误的! 因此，GM对于这一段历史视为耻辱，之后避而不谈当年研制转子发动机的经过。 1972年8月，GM旋转燃烧发动机(GMRCE)的最终设计方案被确定下来，为RC2-206 Wankel转子汽油机，批量生产和满足排放标准的责任被移交给通用汽车液压机械部门（Hydra-Matic），两个转子排量206立方英寸（3380cc），6000rpm时净功率150 hp。 1973 年初，GM第一代汪克尔发动机取得了较大进展，为了满足排放标准，GM不得不放弃了其“大间距双火花塞”（widely-spaced dual spark plugs）的设计理论（该理论实际上相当于Curtiss-Wright公司的“分层充气燃烧”理论），并将转子室容量尽量接近日本马自达（因马自达于1973年初成为继日本本田Honda公司之后，全球第二家达到排放法规的公司）。 到1973年12月21日，RC2-206Wankel发动机既没有完成生产认证，也没有准备好进行排放认证。该公司第一次宣布项目推迟。1974年9月24 日，埃德科尔（Ed Cole）推迟了汪克尔转子发动机项目，表面上是由于排放不达标原因。他同月退休。而GM承认，是由于转子发动机的燃油经济性低于标准，因此推迟生产，以支持进一步开发。 后Pete Estes接替Ed Cole担任通用汽车总裁，由于对转子发动机不感兴趣，加之1973年开始，日本马自达推出的转子发动机汽车成功打入了美国，GM转子发动机项目最终都被搁置放弃。 通用汽车放弃转子发动机也影响了美国AMC，AMC原计划从GM这里购买转子机，并设计了拟于1975年推出的 AMC Pacer汽车以使用GM的新型转子发动机，基于此因， AMC 被迫销售原搭载有古老的直列六缸发动机的汽车。 唯一一款安装在公开展示的汽车上的GM Wankel发动机是 1973 年的中置发动机雪佛兰 AEROVETTE 概念车（为了搭载GM-Wanke发动机，1975年推出雪佛兰 Monza 2+2），它使用了2转子RC2-206 发动机的4转子版本，但由于燃油经济性和排放合规性问题，发动机被取消，取而代之的是省油的4.3升V8发动机选项。 第二次世界大战后，美国数十家汽车公司经过整合形成三大汽车公司，即通用、福特和克莱斯勒，所有的汽车公司都挂靠在这三大汽车公司之下。但独有一家，这就是1954年成立的“American Motors Corporation，简称AMC”，译为“美国汽车公司”，这是当时唯一没有被三大巨头收购，成为美国第四家也是最后一家汽车制造商。 1971年，AMC这家苦苦挣扎的公司，决定冒险尝试一些全新的东西，开始研究一款新车-Pacer。为了保持Pacer的快速和轻便，AMC计划为其提供以德国工程师Felix Wankel命名的Wankel旋转发动机。对于Wankel旋转发动机，采取两条途径，一是前期先从通用汽车公司购买的，二是自己引进Wanke许可证生产。 1973年2月3日，AMC以150万美元的价格从德国NSU那里获得了20-200马力的汽油旋转发动机的制造许可。他们计划在一段时间后用自己的设计取代通用汽车发动机。 可惜AMC引进许可证生不逢时，当时正是第一次石油危机。最后，AMC决定向已取得许可的通用汽车公司采购。没料到GM于1974年10月搁置了转子发动机的研制，这让AMC措手不及，后AMC又与Curtiss-Wright协商无果，最终被迫销售原搭载有古老的直列六缸发动机的汽车。AMC虽然引进了Wankel旋转发动机许可证技术，但在转子发动机方面基本上没有进行过相关研究。 汽油机，最容易起火，汽油的运输、储存等也存在安全隐患，特别是用于军事装备时，如战斗机、坦克、军舰等，炮弹一打就爆，因此有“气体打火机”之绰号。为此，除非不得已，否则不会采用汽油机作为动力，都会选择更为安全的煤油、柴油等“重质燃油”。 从前面介绍可以看出，美国引进Wankel旋转发动机许可证技术之后，同时开始了汽油机转子和柴油转子机在汽车、摩托车、飞机三大领域内的应用开发。其中Curtiss-Wright重点研制军事用途的飞机用大功率“柴油”发动机， GM、AMC目标是汽车用中等功率“汽油”转子机，而OMC目标是雪地摩托车用更小功率的“汽油”转子机。在汽车市场，由于70年代的排放标准，使得GM、AMC由于排放不达标而停止了汽油转子机的进一步研发。因此只有Curtiss-Wright和OMC两家公司继续坚持。 Curtiss-Wright 柯蒂斯·莱特公司从1962年就开始研制柴油转子发动机。 分层充气燃烧（STRATIFIED CHARGE）概念源于将汽油机和柴油机的“融合”， “STRATIFIED CHARGE”，意思为“分层进料”、“分层喷油”之意。“分层充气”意指燃料喷入空气中“充气”从而形成“可燃混合气体”；而在导弹及固体火箭发动机业界，更多意为“分层装药”。 1973年石油危机之后，内燃机的研究转向具有更高效率的“燃烧”理论研究。与此同时，Curtiss-Wright的工程师们产生了一个“想法”，对60年代中期开发的两款不成功的柴油转子机“联姻”：将RC2-60UI0转子机的低工况性能与另一款RC2-90的高工况性能相结合，即在低功率、低转速工况时采用RC2-60UI0的“进气、喷油和燃烧模式”，而在高功率、高转速工况时采用RC2-9的“进气、喷油和燃烧模式”，这样就可以使发动机在一个由低到高的全工况范围都能实现良好运行。 从1973年底开始到1974年初，Curtiss-Wright经过几次尝试竟然“意外”获得了成功。这也是Curtiss-Wright分层充气、分层燃烧技术的源头。 分层充气燃烧系统从此成为Curtiss-Wright的核心专利技术并闪亮登场。这在当时，绝对是一项划时代的技术创新。 1977年初，Curtiss-Wright成功研制出世界上第一台柴油转子机RC1-60。 到了70年代末80年代初，在多燃料转子发动机机即将取得更大成功时，Curtiss-Wright公司失去了对军方的期望，放弃了坚守了26年（1958年至1984年）的转子阵地，彻底退出了发动机市场。 John Deere John Deere公司（译为迪尔公司、强鹿公司等），全球著名的农机巨头，一家农用机械制造公司，以“跳跃的小鹿”商标闻名全球。1984年2月，美国JohnDeere公司以1400万美元的象征性费用获得了许可证，后购买了有关转子发动机的全部技术和资产，原来属于柯蒂斯·莱特公司的新泽西州伍德里奇（Wood Ridge）的转子发动机研究所也成为John Deere转子发动机研究分部。 为此，John Deere专门成立了一家名为John Deere Technologies InternationalInc.（简称JDTI）的全资子公司来管理这些工作。 分层进气燃烧系统是Curtiss-Wright公司开发出来的“柴油”燃料版本，在此基础上，通过“涡轮增压技术+电子燃油喷射系统+分层进气燃烧系统”的组合，JDTI开发出了“多种燃料”（omnivorous）版本的分层进气燃烧系统（Stratified Charge omnivorous Rotary Engine，缩写为SCORE），从而产生了JDTI的SCORE系列转子发动机。该系统既解决了柴油转子发动机高压缩比带来的密封问题，又可实现发动机多种燃料性能要求。SCORE系列发动机可以燃用1号、2号柴油、JP4、JP5、JP8喷气动机燃油、汽油、煤油和酒精等多种燃料。 JDTI的贡献不仅在于开发了SCORE多燃料分层充气燃烧技术，还与普林斯顿大学等一起完成了“转子发动机”+三维计算机流体动力分析（CFD）软件的开发，并从1987年开始付诸应用。 CFD计算分析软件不仅用来优化燃油喷束和改进喷嘴设计，还用于改进点火系统、优化增压器与发动机的匹配、辅助设计先进的转子燃烧室凹坑形状等等。为JDTISCORE系列多燃料转子发动机的发展做出了重要贡献。 经过7年的转子机开发业务，迪尔国际（JDTI）最终还是选择放弃，在转子发动机领域内与军方打了7年之久交道之后，最终决定退出军方市场，退出转子发动机的进一步开发，于1991年4月将“转子发动机研究部门”出售给了2000年代初倒闭的美国旋转动力国际公司“Rotary Power International，Inc.，简称RPI”。 关于JDTI转子发动机的详细情况，请参阅《JDTI 公司SCORE系列转子发动机》。 随着John Deere公司的成功，同时，随着多种燃油的雾化、燃烧机理的突破，重油转子发动机迎来了新生。 在美国军方的推动下，美国的众多发动机巨头们也都开始了重油转子发动机的开发，其中以RPI公司最具代表。 美国旋转动力国际公司（Rotary Power International,Inc.，简称RPI），是一家科技公司，成立于1991年10月23日。美国在此前后成立了约20多家名称中带有“Rotary Power”的公司，极易混淆。该公司成立目的就是为了购买约翰迪尔技术国际公司（"JDTI"）旋转发动机部门的几乎所有资产和业务。RPI由此成为JDTI和Curtiss-Wright所有旋转发动机资产的唯一所有者，包括两家公司开发的所有专有技术。 RPI的贡献在于，除了完善了JDTI 公司的SCORE产品型谱中有关产品的开发，更是在JDTI 公司尝试天然气发动机的基础上，开发成功天然气燃料转子发动机。此外，在高压共轨、电控燃油喷射技术、新型金属陶瓷缸体、废气涡轮增压中冷等技术，都是代表了当代柴油机采用的最尖端的技术，使美国的柴油转子发动机达到世界最高的技术水平。 该公司截止2002年共拥有约18项专利，涵盖其旋转发动机的设计、材料和制造。随着这些专利的到期，RPI认为终止这些不会对公司的业务产生重大影响，因此目前已不再持有有关转子发动机的任何专利。 关于RPI转子发动机的详细情况，请参阅该系列后续文章。 Curtiss-Wright的“RC”燃烧理论 Curtiss- Wright公司开发的转子发动机以“RC”命名，“RC”是“Rotating Combustion”的简称。内燃机，顾名思义，最核心的就是“燃烧系统”。Curtiss- Wright公司首先从燃烧系统入手，提出了“Rotating Combustion，RC”理论。 得益于“RC”燃烧系统，1959年，Curtiss- Wright设计了一个超越了德国NSU公司和Wankel的排量为980cm的单转子31RC6汽油发动机，这台发动机表现出了“惊人”的性能：在5500rpm时发出100bhp的功率。 这么一个小排量引擎能发出如此之高的功率，这在当时简直难以想象，就连NSU公司也大为惊叹。这一水平相当于NSU在5年之后于1964年推出的双转子995cc在5500rpm时发出116 hp的功率，马自达在6年之后于1965年推出的10A系列982cc双转子在7000 rpm时为110hp。柯蒂斯-莱特从此像“明星”一样以“领导者”姿态开始在转子发动机领域内闪亮登场。 OMC公司Curtiss-Wright/ OMC RC系列 在1970-71年的冬天， OMC意识到四冲程发动机比二冲程机具有更好的燃料消耗和更低的排放，在的雪地摩托车市场，二冲程汽油机已经没有了竞争力。为此，OMC瞄准转子发动机，与Curtiss -Wright签订了50马力以下的小功率汽油转子机开发合同。 为此，公司开始研究D471转子发动机项目，使用 Curtiss Wright 专利许可，开发出用于Johnson雪地摩托车的小型发动机Curtiss-Wright/ OMC RC35。35马力的OMC Wankel的转速为528cc，是第一台专门为雪地摩托开发的旋转发动机，是当时最强大的旋转式雪橇，也是北美建造的第一台量产旋转发动机。然而，它基本上与非常受欢迎但功能不那么强大的Sachs 303 Wankel的尺寸和重量相同。 1972 年，OMC 推出了他们的旋转动力 Evinrude RC-35-Q ，推出了Evinrude和Johnson Phantom 雪地摩托车。1973年，OMC开发了4转子OMC2120cc -300hp版本（单转子530 cc）并将其用于舷外赛艇，并在水面赛艇上占主导地位，这方面的历史非常精彩（当时美国舷外赛艇在两大霸主Mercury和OMC之间展开白热竞争）。他们也开发了OMC 530 cc水冷版本，但从未生产销售。1974年，OMC对 D471进行了重新设计，开发了型号为Curtiss-Wright/ OMCRC45，压缩率为8.5:1，转速5500rpm，在不增加排量的情况下产生45马力。 OMC的贡献在于：该公司是美国有史以来唯一批量生产过Wankel汽油转子发动机的公司，他们为雪地摩托系列生产了超过150000台Wankel发动机，远超当时的Curtiss-Wright公司。除了自己使用之外，还为当时全球第一大雪地车生产商美国北极猫公司（Arctic Cat Inc.）提供转子发动机。 到了1980年，由于OMCWankel引擎未能满足更为严格的排放标准，OMC被迫出售其转子发动机资产。1984年，美国John Deere公司收购Curtiss-Wright公司转子发动机所有业务，其中也包括Curtiss-Wright/OMC wankel业务。1985年，美国保罗·穆勒（Paul Moller）创建的MI Research公司（Freedom Motors）购买了OMC Wankel 雪地摩托车发动机生产技术和硬件设备，并且拥有 John Deere在1984年收购 OMC wankel业务后所做的所有开发。Freedom 开发的530 cc转子机几乎与风冷版的 OMC 530完全相同。 在2000年代初，美国诞生了“Rotapower® Engine”品牌的转子汽油机和重油机，这是前面介绍的OMC公司的转子机技术的延续，是Paul S. Moller博士收购OMC并在此基础上进一步改进的结果。 保罗·穆勒（Paul Moller）博士，从1963年到1975年是加州大学戴维斯分校的机械力学和航空空气动力学教授。 1968年，Moller创建了“MI Research”公司，以开发由Wankel旋转引擎驱动的个人通勤飞机为目的，也从此开始了转子发动机的研究与开发。1985年，MI Research公司购买了前面介绍过的OMC 公司转子发动机的生产技术和硬件设备。 1999年，Rotapower®发动机展示了使用酒精、柴油和天然气的能力，关键技术已获得专利，尤其是涉及转子发动机和免润滑涂层的几项专利。Moller博士个人持有43项专利，涉及空中汽车、内燃机和转子发动机，目前专利由Freedom Motors 公司持有。 从2000年开始，MI Research公司演变为“Freedom Motors，简称FM”公司，致力于Wankel旋转发动机的开发与生产。2003年，穆勒国际推出了skycar M400空中汽车，其中关键技术是Aerobot（空中机器人）和Wankel转子发动机。M400共有8台转子汽油机，总功率为860马力。其中4台发动机供正常飞行用，另外4台备用。 在汽油机的基础上，Freedom公司应美国陆军总部和航天总署要求，开发了650cc和530cc系列可燃用柴油、航空煤油等多种燃料的发动机，用于超轻小型便携式发电机组和军用无人机。 关于Freedom Motors转子发动机的详细情况，请参阅该系列后续文章。 前面介绍的每一家公司，技术上都是源于引进德国NSU公司和Wanke的转子技术。但唯独一家，这就是美国转子发动机新秀-液体活塞公司(LPI)。 2003年，Nikolay Shkolnik博士和Alexander Shkolnik博士发明了创新的HEHC热力学循环，并以此循环开发了发动机初始设计，创建了液体活塞公司(Liquid Piston,Inc.，简称LPI)，一个新型、充满实力的科技公司。 该公司在转子发动机领域，掀起了转子发动机的颠覆性的创新、颠覆性的革新。 2011年，LPI公司发明并设计了一种新的发动机架构，即"X"型旋转发动机。 液体活塞公司发展了一个新的热力循环，称为高效混合循环（High Efficiency Hybrid Cycle，简称HEHC）。 传统的Wankel转子发动机，采用的是Otto循环或Diesel循环。而HEHC的核心：阿特金森循环+Wankel转子发动机的结合。这是两种完全不同的热力学循环，因此HEHCX与Wankel发动机不同。 阿特金森循环，Atkinson cycle，是1882年英国工程师詹姆斯·阿特金森“James Atkinson”为了规避Otto循环的专利而提出的。 除了热力循环创新之外，液体活塞公司更对“发动机结构”进行了颠覆性的创新。他们设计的，其结构类似于“内外对调”的Wankel转子发动机。汪克尔转子发动机是目前主流的转子发动机结构形式，由一个椭圆形的外壳包裹着一个三角形的内部转子。而X发动机则刚好相反，由一个三角形的外壳包裹着一个椭圆形的转子。 X发动机的体积和质量只是传统柴油发动机的1/10，而燃油效率是燃气涡轮发动机的2倍。如此技术“逆天”、结构“逆天”和性能“逆天”的高科技，美国国防部当然不会放过。 2015年4月23日，美国国防部国防高级研究计划局（DARPA）授予美国流体活塞公司（LiquidPiston）一份总金额99,1557美元的合同，为美军发展高效、轻质、采用重油燃料的转子发动机技术，海陆空通吃。 2016年，LPI公司开发了动力密集、接近零振动、安静的X Mini型70cc“汽油”动力旋转四冲程发动机。这标志着发动机首次在实验室外运行，也是公司的一个重要里程碑 “高效率的重油发动机需要高压比，我们建造了40马力的X4的核心，并验证了高达26:1的压比”，26:1的压比，这对转子机而言绝对“逆天”，无论是早期的Curtiss-Wright、JDTI，还是较近的RPI公司、Freedom Motors柴油机，其压比皆为10:1左右，26:1，这绝对是数量级上的进步。 2019年7月，LPI公司向美国陆军交付混合式 JP8 燃料2kW混合动力发电机，使用重燃料运行。2019年10月，燃用喷气式 A 燃料实现首飞，首次在55磅无人机上演示了重型燃料的混合eVTOL（Electric Vertical Take-off，电动垂直起降）能力。 目前，在军事领域内，除美国之外，德国、英国、奥地利等也已实现商品化，广泛应用于导弹、无人机、特种车辆的推进装置和辅助动力装置、军用移动电源等。