轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀與趨勢(shì)

丁彥辭，郭朋彥

轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀與趨勢(shì)

丁彥辭1，郭朋彥2

（1.中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì)，北京 100055；2. 華北水利水電大學(xué)車輛與新能源技術(shù)研究院，河南 鄭州 450045）

轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展和應(yīng)用一直以來(lái)飽受爭(zhēng)議，其優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)一樣明顯。文章對(duì)比分析了轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)在應(yīng)用過(guò)程中的優(yōu)點(diǎn)和不足，回顧了轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)不同階段的研發(fā)和應(yīng)用狀況，同時(shí)從專利的角度分析了國(guó)內(nèi)外專利申請(qǐng)人的研發(fā)狀況和技術(shù)進(jìn)展。通過(guò)對(duì)國(guó)際轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)當(dāng)前的科技創(chuàng)新現(xiàn)狀進(jìn)行分析，結(jié)合我國(guó)汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展實(shí)際情況，給出了未來(lái)轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的發(fā)展定位和應(yīng)用建議。

轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)；專利；發(fā)展歷程；應(yīng)用趨勢(shì)

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

前言

轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)又稱為米勒循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)，也被稱之為汪克爾發(fā)動(dòng)機(jī)，1950年代初期，由德國(guó)工程師菲力斯?汪克爾在NSU公司研制(NSU后來(lái)與汽車聯(lián)盟共同組成現(xiàn)今的奧迪公司)。與傳統(tǒng)活塞往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)相比，轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，主要通過(guò)三角轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)來(lái)控制壓縮和排放[1-2]。轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)在上世紀(jì)60年代一度成為各大整車企業(yè)關(guān)注熱點(diǎn)，但由于轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)存在的高油耗及高排放等問(wèn)題，1970年石油危機(jī)之后，眾多企業(yè)對(duì)轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)研發(fā)熱度降低。近年來(lái)，伴隨著增程式電動(dòng)汽車研發(fā)熱潮，轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)作為增程器具有體積小、重量輕等優(yōu)勢(shì)，再次成為行業(yè)關(guān)注的熱點(diǎn)。

1 轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)原理

轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由轉(zhuǎn)子外殼、轉(zhuǎn)子、偏心軸等部件組成。轉(zhuǎn)子外殼相當(dāng)于傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)的缸體，三角形轉(zhuǎn)子將缸體內(nèi)部空間分成三個(gè)工作室，這三個(gè)工作室的容積不停地變動(dòng)，在擺線形缸體內(nèi)相繼完成進(jìn)氣、壓縮、燃燒和排氣四個(gè)過(guò)程。燃燒氣體的膨脹壓力作用在轉(zhuǎn)子側(cè)面，將三角轉(zhuǎn)子的三個(gè)面之一推向偏心軸中心，從而帶動(dòng)偏心軸輸出動(dòng)力。由于轉(zhuǎn)子三個(gè)面可同時(shí)進(jìn)行不同四沖程周期，所以轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)一圈便完成三次四沖程周期，即做功三次。

圖1 轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)圖

與傳統(tǒng)活塞往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)相比，轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積及重量小：轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)在工作時(shí)只有偏心軸和轉(zhuǎn)子工作，沒(méi)有曲柄連桿機(jī)構(gòu)和復(fù)雜的配氣機(jī)構(gòu)；（2）平順性好、震動(dòng)及噪音少：由于沒(méi)有曲柄連桿等機(jī)構(gòu)，運(yùn)行起來(lái)更加平順，同時(shí)，震動(dòng)和噪音也較好；（3）高轉(zhuǎn)速好、可靠性高：轉(zhuǎn)子和偏心曲軸三比一的轉(zhuǎn)速比決定了轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)可以獲得更高轉(zhuǎn)速，且可靠性更高。

同時(shí)，與傳統(tǒng)活塞往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)相比，轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)也具有以下缺點(diǎn)：（1）能耗高，排放差：轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速高，混合氣（燃油與空氣）燃燒時(shí)間短、燃燒不完全，造成燃燒效率低，同時(shí)由于油封材料容易磨損而造成漏氣問(wèn)題，也將大幅增加油耗與污染；（2）磨損嚴(yán)重，潤(rùn)滑難，壽命短：三角轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)相鄰容腔是通過(guò)一個(gè)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(guò)快磨損。此外，由于潤(rùn)滑問(wèn)題較難解決，也造成發(fā)動(dòng)機(jī)壽命短；（3）成本高，后期維修難：由于密封及潤(rùn)滑等問(wèn)題，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)需要極高制造精度，同時(shí)對(duì)部件材料也要求較高，成本相對(duì)較高；另外，由于轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)應(yīng)用較少，維修人員及地點(diǎn)也較少，造成后期維修相對(duì)較難；（4）低速扭矩小，適用性差：轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)在低轉(zhuǎn)速時(shí)，扭力較小，導(dǎo)致其為動(dòng)力直接驅(qū)動(dòng)車輛時(shí)應(yīng)用領(lǐng)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(guó)外發(fā)展歷程及現(xiàn)狀

2.1 國(guó)外發(fā)展歷程及現(xiàn)狀

轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)誕生以來(lái)吸引了眾多汽車企業(yè)開展研發(fā)工作。轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)自誕生以來(lái)，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(jù)自身優(yōu)勢(shì)及用途，開發(fā)適合自家產(chǎn)品的轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)，例如：勞斯萊斯開發(fā)出柴油版轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)，鈴木提高轉(zhuǎn)子壽命并將其應(yīng)用在摩托車上，奔馳開發(fā)出燃油直噴型的三轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)，并于1969年搭載在C111概念車上，最大功率280馬力，最高時(shí)速達(dá)到了260km/h。但由于轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)存在的高油耗及高排放等問(wèn)題，1970年石油危機(jī)之后，眾多廠商都停止了轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)項(xiàng)目。

馬自達(dá)一直堅(jiān)持轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)，并開發(fā)出應(yīng)用雙轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)量產(chǎn)RX-8跑車。馬自達(dá)（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(quán)許可以來(lái)，一直致力于轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā)及應(yīng)用。面對(duì)高油耗、高排放以及磨損嚴(yán)重等問(wèn)題，馬自達(dá)克服了一個(gè)個(gè)技術(shù)難關(guān)，并于1968年推出了真正量產(chǎn)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(chǎn)，RX-7總共經(jīng)歷了3代；2003年，馬自達(dá)發(fā)布了跑車RX-8，采用了代號(hào)為“13B-MSP Renesis”的雙轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)，該款發(fā)動(dòng)機(jī)2004、2005連續(xù)兩年獲得沃德十佳發(fā)動(dòng)機(jī)稱號(hào)，該款發(fā)動(dòng)機(jī)排氣量為1.308L（0.654L*2），壓縮比10∶1，最高轉(zhuǎn)速9000rpm，額定功率170 kW，最大扭矩211 Nm，可以看出，該轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)與傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)相比，動(dòng)力性能上毫不遜色。但同時(shí)也存在著能耗大、成本高和排放高缺點(diǎn)，隨著全球日趨嚴(yán)苛的油耗與排放法規(guī)，讓馬自達(dá)倍感壓力。2012年，馬自達(dá)停產(chǎn)了RX-8，但對(duì)轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的研發(fā)工作還在繼續(xù)。

AVL研發(fā)出轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)增程器，并應(yīng)用到增程式電動(dòng)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(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的增程器“AVL Pure Range Extender”，該款發(fā)動(dòng)機(jī)排量為0.254升，功率性能為15kW，最低燃油消耗率達(dá)245g/kWh，壽命為到100小時(shí)，裝備在奧迪電動(dòng)概念車A1e-tron上，并采用與發(fā)電機(jī)一體結(jié)構(gòu)配備在車輛后軸上，整車排放達(dá)歐Ⅵ水平。在發(fā)動(dòng)機(jī)5000rpm的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速下，可保持在高效運(yùn)行區(qū)間，并持續(xù)向發(fā)電機(jī)提供15kW的充電功率，與僅使用電池行駛相比，可有效延長(zhǎng)續(xù)航里程約200km。馬自達(dá)公司也開展了轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)在增程式電動(dòng)汽車上的應(yīng)用研究[3-4]。

2.2 專利情況

（1）國(guó)外專利情況

根據(jù)WPI數(shù)據(jù)庫(kù)統(tǒng)計(jì)，截至2016年12月，國(guó)外轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)專利公開量共計(jì)4239件，與傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域?qū)＠肯啾龋幱诒容^低的水平。轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)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(lái)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(jìn)入2003年，專利公開量再次回升，保持快速增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，但到2016年專利公開量又陷入低迷。

（2）國(guó)外主要申請(qǐng)人

國(guó)外轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)專利申請(qǐng)人前七名全部來(lái)自日本企業(yè)。排名第一是馬自達(dá)公司（此處合并了東洋工業(yè)株式會(huì)社數(shù)據(jù)），專利數(shù)量遙遙領(lǐng)先于排名第二的本田公司。排名前七的企業(yè)共計(jì)1222件專利，表明轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)專利技術(shù)相對(duì)分散。總體來(lái)說(shuō)，國(guó)外大部分汽車企業(yè)都在不同時(shí)期從事過(guò)轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā)工作，馬自達(dá)由于長(zhǎng)期研發(fā)，專利數(shù)量最多。

圖2 國(guó)外轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)專利申請(qǐng)人前七名

3 國(guó)內(nèi)研究基礎(chǔ)及現(xiàn)狀

我國(guó)轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)研究起步較早，但研發(fā)力量分散。上世紀(jì)60年代國(guó)外眾多企業(yè)開始了對(duì)轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā)工作，我國(guó)部分企業(yè)也于60年代后期開始了對(duì)轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā)工作，高峰時(shí)的研究單位超過(guò)百家。但由于技術(shù)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(jiān)持不懈研究，并在技術(shù)上取得了一定的成效，從80年代開始，我國(guó)將轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)應(yīng)用到軍用快艇、全浮式氣墊船等特殊領(lǐng)域。近年來(lái)，轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)在我國(guó)得到了較好的研究和發(fā)展[5-9]。

近十年來(lái)，我國(guó)轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)專利公開數(shù)量較多，但商業(yè)價(jià)值不高。轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)專利公開量在很大程度上反映了其技術(shù)研究活躍程度。根據(jù)WPI數(shù)據(jù)庫(kù)統(tǒng)計(jì)，2003年以前我國(guó)轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)專利公開量較少，近十年來(lái)則持續(xù)增長(zhǎng)，并在2011年超過(guò)了80件，目前每年公開量維持在60件左右。統(tǒng)計(jì)2006-2016年我國(guó)轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)專利可以發(fā)現(xiàn)：1）專利數(shù)量較多。每年我國(guó)專利公開數(shù)量占全球?qū)＠_總量接近一半；2）個(gè)人申請(qǐng)者較多。根據(jù)WPI數(shù)據(jù)庫(kù)統(tǒng)計(jì)，國(guó)內(nèi)前十名的專利申請(qǐng)人如下圖所示，可以看出，個(gè)人申請(qǐng)者占據(jù)7位，研究機(jī)構(gòu)及企業(yè)占據(jù)3位，排名第一的申請(qǐng)人專利不足20件。總體來(lái)說(shuō)，雖然我國(guó)轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)專利申請(qǐng)數(shù)量較多，但技術(shù)研發(fā)力量相對(duì)分散，總體實(shí)力仍然薄弱，同時(shí)與國(guó)外創(chuàng)新主體為公司相比，國(guó)內(nèi)個(gè)人申請(qǐng)有相當(dāng)一部分與市場(chǎng)需求脫離，不具備商業(yè)價(jià)值。

圖3 國(guó)內(nèi)轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)專利分年度公開量

圖4 國(guó)內(nèi)轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)專利申請(qǐng)人前十名

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)企業(yè)同步開發(fā)了轉(zhuǎn)子增程器，但技術(shù)性能與國(guó)外相比相差較大。但隨著增程式電動(dòng)汽車技術(shù)研發(fā)的進(jìn)行，以奇瑞為代表的整車企業(yè)也開發(fā)了轉(zhuǎn)子增程器，并應(yīng)用到奇瑞S18整車上，該款發(fā)動(dòng)機(jī)同樣為雙缸轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)，功率為8kW，最低燃油消耗率達(dá)320g/kWh，壽命為100小時(shí)。整車最高車速可達(dá)120km/h，純電動(dòng)續(xù)航里程60km，啟動(dòng)增程器后續(xù)航達(dá)到300公里。

4 轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展趨勢(shì)

4.1 國(guó)外技術(shù)及應(yīng)用趨勢(shì)

（1）在技術(shù)層面，AVL及馬自達(dá)等國(guó)外企業(yè)仍在不斷開發(fā)轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)，如：應(yīng)用新型材料解決密封及磨損、改進(jìn)進(jìn)排氣結(jié)構(gòu)降低能耗及排放等。同時(shí)，近年來(lái)，以馬自達(dá)為代表的企業(yè)開始大力開發(fā)氫燃料轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)[10-11]，與傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)相比，轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)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(huì)帶來(lái)回火，可有效解決能耗大及排放等問(wèn)題。

（2）在應(yīng)用層面，AVL等企業(yè)開始將轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用到增程式電動(dòng)汽車上。由于增程器在車上主要用于應(yīng)急發(fā)電，且工況運(yùn)行穩(wěn)定，應(yīng)用轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)可有效避免其低速扭矩小、壽命短等缺點(diǎn)，并可以充分發(fā)揮其體積小、重量輕、平順性好、震動(dòng)及噪音少等優(yōu)點(diǎn)。另外，與往復(fù)式活塞發(fā)動(dòng)機(jī)相比，轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)具有高轉(zhuǎn)速、高功率、體積小、重量輕等特點(diǎn)，可以應(yīng)用于小型無(wú)人機(jī)、移動(dòng)小型動(dòng)力裝置、高性能跑車、軍用設(shè)備等領(lǐng)域。

4.2 我國(guó)實(shí)際的發(fā)展定位

（1）在技術(shù)層面，我國(guó)轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)研發(fā)力量分散，技術(shù)薄弱，主要申請(qǐng)專利的商業(yè)化價(jià)值不高，應(yīng)用少。考慮到技術(shù)儲(chǔ)備情況，建議國(guó)家層面持續(xù)地鼓勵(lì)轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的基礎(chǔ)技術(shù)研發(fā)，如：轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)密封材料改進(jìn)、氫燃料轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)等。

（2）在應(yīng)用層面，目前轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)仍有諸多難題未能解決，以汽油為燃料的轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)不適合大規(guī)模應(yīng)用在汽車動(dòng)力系統(tǒng)上。但由于其高轉(zhuǎn)速、高功率、體積小、重量輕等特點(diǎn)，可應(yīng)用于小型無(wú)人機(jī)、移動(dòng)小型動(dòng)力裝置、高性能跑車、軍用設(shè)備等領(lǐng)域。另外，近年來(lái)，國(guó)外企業(yè)開始將轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用于增程式電動(dòng)汽車上，目前仍是小批量驗(yàn)證，同時(shí)考慮到技術(shù)中立原則，以及增程式電動(dòng)汽車是新能源汽車的過(guò)渡性產(chǎn)品，建議不進(jìn)行大力推廣應(yīng)用，主要以市場(chǎng)為導(dǎo)向進(jìn)行技術(shù)選擇。

5 總結(jié)

轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)作為增程式電動(dòng)汽車的動(dòng)力源，近年來(lái)受到了較大的關(guān)注；同時(shí)，轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)因其體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，在無(wú)人機(jī)、軍用設(shè)備等方面也受到了較大的青睞。本文介紹了轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)原理，分析了國(guó)內(nèi)外轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展歷程，通過(guò)專利申請(qǐng)情況討論了國(guó)內(nèi)外轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀，在此基礎(chǔ)上探討了轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的國(guó)內(nèi)外發(fā)展趨勢(shì)。對(duì)我國(guó)轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的行業(yè)發(fā)展與研究具有一定的促進(jìn)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(guó)汽車工程學(xué)會(huì)。主要從事汽車產(chǎn)業(yè)知識(shí)產(chǎn)權(quán)及技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)研究。