解读马自达转子发动机

作为无活塞旋转式四冲程内燃机中的一种，转子发动机似乎与生俱来就存在着一种独有的魅力羡煞旁人，也许因为它充满艰辛与荆棘的成长历程，抑或是它特殊的机械结构与运转方式。总之，作为人类历史上的一个伟大发明，它有理由被人们深刻了解与铭记。2012 年 6 月 22 日，最后一台转子发动机在位于广岛宇品的马自达工厂下线，它意味着这种另类却又全球唯一的发动机类型在历经半个多世纪的沧桑后，停止了自己的“心跳”。相关阅读： 痛楚中的无奈 马自达停下转子的脚步与世界上很多发明、公式、定律都以创造者的名字来命名一样，转子发动机也以其缔造者的名字被称为汪克尔发动机。这位出生于 1902 年的德国工程师菲力斯汪克尔从小就对机械有着浓厚的兴趣，且蕴藏丰富的想象力与创造力。正是天赋与勤奋，使他创造出世界上与众不同的新型内燃机。上个世纪五十年代初，汪克尔加盟德国 NSU 车厂（NSU 后来与汽车联盟共同组成现今的奥迪公司），并开始全力研发转子发动机。1960 年，汪克尔向世人宣布了这个颠覆想象力的新型内燃机，对于嗅觉敏锐的商家来说，新技术往往意味着巨大的商机，所以它着实吸引了包括通用、奔驰以及丰田等众多厂商的目光。但不幸的是，这个“新生儿”存在着诸多先天性缺陷，如果想立刻将其量产并装备在车辆上几乎是不可能的，而且改造它的困难度也远远高于预期，即使这样依然有众多厂商与 NSU 签署了转子发动机的研发授权许可。这种新型内燃机当时被广泛应用在诸如割草机、摩托车乃至船舶上，每个获得授权许可的公司根据自己的技术优势以及用途，开发出适合自家产品的转子发动机。其中劳斯莱斯汽车公司开发出柴油版的转子发动机，日本的铃木公司通过技术手段提高转子的寿命后，将其应用在自家的摩托车上。同时像雪铁龙、保时捷、雅马哈、阿尔法罗密欧等厂商都参与了转子发动机的研发，可谓形成一种百花齐放的姿态。奔驰公司也曾向 NSU 车厂取得了授权许可，且基于自己的技术优势开发出燃油直喷型的三转子发动机，它于 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，1970 年奔驰更是制造出四转子发动机，其最大功率 350 马力，极速可达290km/h。但是奔驰始终也没有解决转子发动机先天性的高油耗以及高排放的问题。除了借助新技术对公司进行更好的宣传外，我们不能排除某些公司真心要把转子技术发扬光大，但是在面对上个世纪 70 年代突如其来的第一次石油危机时，众多公司的做法可见对转子技术的忠诚度，历经危机后，转子发动机也被众多厂商无情的抛弃了。然而远在东方的日本广岛市，一家名不见经传的“东洋工业有限公司”（马自达前身）最初也对这项技术垂涎三尺。公司的社长松田恒次很清楚当时的处境，并力争通过转子这最后一根稻草来挽救公司被吞并的命运，所以他不惜一切代价要为公司取得转子发动机的授权制造许可。1961 年 2 月，马自达如愿获得了转子的研发授权许可，但是公司也付出了颇为沉重的代价：1、马自达需要向 NSU 车厂缴纳 2 亿 8 千万日圆，在当时，这些资金大约可支付马自达8000 位员工一个月的薪水。2、马自达必须无条件提供产品专利权给 NSU 车厂。3、每一辆搭载转子发动机的汽车上市后，必须向 NSU 车厂交付一定的使用金。同年 7 月，马自达公司指派 8 名技术人员远赴当时位于西德的 NSU 车厂去接受有关转子发动机的技术培训，这其中就包括后来被任命为“转子研究部”部长的山本健一。当时 NSU 车厂的工作人员将一枚铜板放在运转中的转子发动机上，铜板可以屹立不倒，他们借此向马自达的技术人员展示这种发动机运转的平稳性。不过马自达的技术人员稍后却发现转子发动机在工作一段时间后，转子室内的缸壁会出现超乎想象的波纹状磨痕，而这台转子发动机的寿命甚至只有几十个小时，他们深刻意识到此问题是转子发动机实现量产道路上最大的障碍。1963 年，马自达成立“转子研究部”，并任命山本健一率领精心挑选的 46 名工程师针对转子发动机进行研究与改良，这 47 人也被称为“转子 47 壮士”。因为面对当初与NSU 签订的“不平等条约”以及公司自身所面临的巨大竞争压力，松田恒次社长深知这是最后的豪赌，可谓不成功便成仁，并提出“技术永远是革新”的口号，以此来激发转子研究部取得胜利的决心。 转子发动机的构成相对活塞往复式的传统内燃机，转子发动机的结构要简单很多，什么曲柄连杆机构、配气相位机构等，在转子发动机上纷纷被割舍掉，因此也造就了其体积小、重量轻的特点。转子发动机主要由转子外壳、转子、侧边外壳、偏心轴、气封等部件构成。转子外壳通常由铝合金制造，它相当于传统内燃机的缸体，内部呈“8”字形，内表面有特殊的电镀涂层以增强其耐磨性，通常在外壳的一侧设计有进气口和排气口，在另一侧则安装有火花塞。转子被设计成弧形边缘的三角形，它相当于传统内燃机中的活塞，它在外壳内做偏心旋转运动。转子的内表面上会有内齿圈，而在转子的三个面上则设计有凹槽，它的大小也直接关乎转子发动机的压缩比。偏心轴类似于传统内燃机中的曲轴，它将动力直接输出给传动系统，转子在 8 字气缸内转动，产生偏心旋转运动，推动偏心轴旋转。在转子的三个顶点上布置有气封（Apex Seal），它类似于活塞环，正是通过它的密封，才将气缸分成三个独立的腔室，气封底部的弹簧可以使其始终与转子外壳的内壁紧密接触。 转子发动机的工作原理转子发动机的基本结构是在一个近似“8”字型的空间中，放入一个三角锥状的转子，转子安装在偏心轴上，当偏心轴旋转时，会带动转子进行偏心旋转运动。在运动的过程中，转子的三个面恰好将内部空间划分为三个独立的腔室。被分隔出来的腔室在转子的运动过程中，其容积会不断地改变，也只有这样才可以使转子发动机利用密闭空间的变化来完成传统四冲程内燃机运转时所进行的进气、压缩、做功以及排气的过程。而这种巧妙的运动特性的产生则要归功于偏心轴以及“8”字型的空间结构的特殊设计。传统的四冲程往复式活塞发动机中的任意一个汽缸进行一次完整的工作循环，曲轴需要旋转两周，但对于转子发动机来说，这却是另一番崭新的世界。三角转子每旋转一周，可以完成三次进气、压缩、做功、排气的过程，也就是做功三次，而偏心轴则已经旋转了三周，也就是说曲轴与三角转子的转速比为 3:1。这看上去有些令人匪夷所思，而其中的奥秘就蕴藏在简单的机械原理中，通常转子的内齿圈的齿数与中心齿轮的齿数之比为 3:2，如果是常规的两个内啮合齿轮的话，二者永远会保持 3:2 的转速比，而转速比最终定格在 3:1，一是基于精心设计的齿数比，另外很重要的则是特殊的偏心旋转运动，即三角转子在自转的过程中还会产生公转运动。 搭载转子发动机的经典马自达车型 虽然规模与财力都略显单薄，但凭借着一股“蛮劲”，马自达公司竟率先完成了转子发动机的量产，惊艳车坛的 Cosmo Sport 110S 跑车在 1967 年 5 月发布，它采用一台双转子发动机，排量为 0.982L（0.491L*2），最大功率 110 马力，最大扭矩 130Nm，它的推出比“转子老祖宗”NSU 的第一款转子汽车 Ro80 还早了四个月。作为日系经典跑车之一的 RX-7（欲详细了解请点击），从第一代起就搭载了代号为12A 的双转子发动机，最大功率 105 马力，到了 1984 年推出 13B 发动机的版本，动力也提升至 135 马力。此车风阻系数为 0.36，车身仅重 1065 公斤，并且前后重量已经达到完美的 50：50。第二代 RX-7，同样搭载 13B 双转子发动机，动力最高提升至 200 马力。到了第三 RX-7，还是搭载了 13B 的发动机，但是在双涡轮增压器的作用下，最大功率已跃升至至规定的280 马力上限。马自达 RX-8 采用了代号为 13B-MSP Renesis 的双转子发动机，它是以第二代 RX-7 的13B 型发动机为基础，排气量依旧为 1.308L（0.654L*2），但两者主要的差异在于 13B-MSP 型将排气移至燃烧室的侧面，这个改变也减小了碳氢化合物的排放，同时压缩比提升至 10:1，增加了在低转速时的扭矩，该款发动机荣获 2004 和 2005 两年的沃德十佳发动机的称号。历史上，马自达是唯一夺得过勒芒 24 小时耐力赛总冠军的亚洲汽车制造商。纵观勒芒大赛历史，前 58 届的冠军均被欧美车手垄断。1991 年的第 59 界比赛中，搭载马自达 R26B 2.6L（0.654L*4）四转子发动机的 787B 赛车，以领先第二名两圈的巨大优势夺得冠军。虽然 787B 不是当时实力最强的勒芒赛车，但在对手的赛车纷纷出现故障时，它却以稳定的可靠性坚持到最后，而 勒芒 24 小时耐力赛最考验的正是赛车的可靠性。通过此项赛事足以奠定马自达 787B 在日本赛车史上的传奇地位。 转子发动机的优劣优点整个转子发动机在工作时只有两个转动部件（偏心轴和转子），这跟一般的四冲程往复式发动机相比，简化的结构可以使发动机的体积更小、重量更轻，故障率也大为减少。另外，由于转子发动机没有往复式运动，所以其不需要精密的曲轴平衡就能达到较高的转速，而且其转速相比往复式发动机提升得更快。正是得益于转子发动机小巧的特点，故可以将其布置在车辆前轴靠后的位置，以更好的平衡车辆的整体配重。转子旋转的轴向运动比活塞往复式发动机的水平直线运动要来得更加平顺，故转子发动机的震动与噪音都比较小。由于偏心轴的转速始终是转子转速的 3 倍，所以从这一点可以看出，当转子发动机达到 9000rpm 时，三角转子不过才 3000rpm，相比往复式活塞发动机 9000rpm 时，活塞每分钟要上下 9000 次，相当于活塞每秒钟要完成 300 个冲程，这也使得转子发动机可以轻易获得更高的转速。劣势因燃烧时间短暂，且混合气燃烧不完全，同时做功行程偏心轴所转过的角度只有活塞往复式发动机的一半，所以转子发动机的耗油量要远远高于传统式内燃机，而且转子发动机在启动与低转速时会排出大量的碳氢化合物，这与现今严格的排放法规可谓格格不入。此外，点火系统也是转子发动机的弱点之一，因为它的燃烧室在移动运转，爆炸的过程中火焰传播的型态并不理想，这也就对点火系统提出了更高的要求，不仅要提高点火能量，同时点火正时以及火花塞的位置也非常重要。虽然转子发动机具有排量小、转速高的工作特性，但由于其工作原理与往复式发动机不同，所以世界各国在制订发动机排量的缴税法规时，皆是以转子发动机的实际排气量乘以 2 来作为其最终认定的排量，更高的税赋也意味着转子将面临更多的壁垒而无法大规模的普及开来。 马自达对转子发动机的贡献为了让三角转子与缸壁之间的腔室保有良好的气密性，在转子的三个顶点必须安装一种由“”（apex seal）与“角封”（corner seal）组成的立体机构，它也被称为气封。但经过日积月累的偏心旋转，菱封对缸壁造成的波状刮痕，也被戏称为“恶魔的爪痕。应该说，针对气封材质的改进是转子发动机改良与发展的重要一环。马自达的研究团队经过大量测试后发现，波状刮痕的间隙与菱封固有的振动频率相同，因此他们改变菱封的形状，并通过开孔的方式来改变菱封与缸壁的共振频率，同时通过材料学的开发，不断地将更加耐磨的材料用于气封上移改进和提高转子发动机的气密性和使用寿命。针对燃油经济性以及低速扭矩差的情况，马自达特别对进气系统进行了改进，通过增加进气孔的数量，且采用类似本田 VTEC 的三段式设计，再配合倾斜燃烧技术，从而大大降低了燃油消耗且弥补了发动机在低转速区间扭矩的不足。 转子的未来这个世界上往往存在着诸多的机缘巧合，但有些或许是冥冥之中早有注定。马自达最初正是从 NSU 车厂获得转子的授权许可并将其发扬光大，时光荏苒，在马自达准备停下转子的脚步之际，由 NSU 与汽车联盟合并而来的奥迪公司却继续扛起了转子的大旗，将其应用在自家的 A1 e-tron 增程式电动车上，不过它的使命不再是直接驱动车轮而是为电池组充电。在愈加严格的排放法规以及节能减排的全球大背景下，转子发动机与生俱来的“脾气秉性”很难融入当今的社会，特别是在商业化高度发达的今天，单靠马自达一家的力量很难有大的突破，无法商业化量产也就无力继续加大投入研发，至此陷入了一种恶性循环，最终导致其被抛弃