杜克为什么愿意花20年,将这款“鱼雷专供”发动机移植上汽车?

  • 发表于: 2016/06/02 01:15:54 来源:车云网

圆筒式设计与特殊的运动方式,让轴向发动机在输出性能、轻量化与小型化有自己的优势,但离商业化还有点远。

编者按:前不久,有车云用户在后台提问:“可否请车云菌详细解读一下杜克发动机”?于是这篇选题应运而生。车云菌觉得这是一个很好的方式,准备推出一个新栏目,专门回答小伙伴们的提问。

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自工业革命以来,发动机就一直扮演着一个很重要的角色,并不局限在汽车行业。在汽车行业之外,各种不同的应用场景与需求也让发动机有了各种各样的变化。与汽车上中规中矩的发动机相比,会有一些新奇的变化产生。

比如今天要介绍的这款发动机,就是其中一例。这款发动机与现在车辆上用的发动机类似,也是活塞发动机,遵循进气-压缩-燃烧-排气循环,最大的不同在于气缸并非是直列、V型或者水平对置的,而是围绕着输出轴,呈圆形分布在输出轴周围。也就是说,活塞与输出轴平行,因而被称为轴向发动机(Axial Engine),也有根据其外形将其称为圆筒式发动机(Barrel Engine),或者根据曲轴样式称为Z型曲轴发动机(Z-crank Engine)。

杜克第三代轴向发动机杜克第三代轴向发动机

优势在于轻量化、高输出性能

1911年,世界上第一款轴向发动机由美国的Macomber Rotary Engine Company售出。这款发动机是由另外一家公司Avis Engine Company制造,在输出轴周围安排了7个气缸。那个时候,因为气缸是旋转的,也被称为旋转发动机。

从这之后,几乎所有制造或者出售这款发动机公司的目标市场基本都是航空行业,用在飞机上。而现在,这类发动机最常见的应用场景是在鱼雷之上,作为其推进器。

唯一一家试图将其移植到汽车行业的,是新西兰一家发动机公司——杜克(Duke)。这家公司从1993年开始研发轴向发动机,并进行了数次迭代与优化,1999年时曾将一款轴向发动机安装到车上进行试验。随后,杜克与发动机零部件供应商马勒进行合作,在马勒的美国与英国测试场对其发动机进行了试验。

杜克将其发动机命名为Duke Engine,即杜克发动机。先从杜克发动机来说一说气缸围绕输出轴呈圆形分布的这种形式,是怎么工作的。

*为视区别,下文将汽车上用发动机称为活塞发动机,本文介绍的发动机称为轴向发动机或杜克发动机。

从上面的视频中能够看出,杜克发动机与现在汽车上的活塞发动机有很大不同。活塞并不仅仅是做上下往复运动,还会围绕输出轴旋转。与活塞相连的连杆机构推动下方异型曲轴与气缸呈反方向旋转,因而最终输出轴的旋转方向也与活塞相反。

另外一个不同点在于,轴向发动机并非是给每个气缸配置一套进排气机构与点火机构,排气口、进气口与火花塞同样安装在可以视为缸盖的圆形固定零部件上。杜克发动机有五气缸,排量为3升,共布置有三套进排气与点火装置。在发动运转时,气缸会依次路过进气口、火花塞与排气口,在达到对应位置时,就如同现在常用的活塞发动机上的进气、点火与排气阶段,因而一个气缸旋转一周会完成3次燃烧。对应3个进气排气口,进排气歧管同样只有3根。

轴向发动机的特殊性就来自于此。首先,气缸运动方向与曲轴运动方向相反,可以减少发动机的振动。其次,气缸特殊的布置方式可以让整个发动机的结构变得紧凑,而这种进排气的方式同样能够减少发动机上的很多零部件,相比于汽车上常用的活塞发动机而言,凸轮轴配气机构、与曲轴相连的正时机构都省去了,零部件数目的减少可以不仅让发动机结构变得简单,降低设计时的复杂性,同样也可以让重量大幅度降低。

杜克第二代轴向发动机,圆筒式外形杜克第二代轴向发动机,圆筒式外形

为了知道具体差别,杜克公司在2012年完成对原型样机的测试之后,买了当时已经在汽车上量产的两款同排量活塞发动机进行对比。相较之下,重量要轻17%左右,而体积则要小三分之一。需要注意的是,杜克在进行体积对比时,并非精确测量发动机的体积,而是对比了刚好能够装下发动机的箱子,得出此结论。

当然还有在动力输出性能上的优势,相比于活塞发动机而言,轴向发动机的活塞运动速度较快,单位时间内做功次数增加,因而,杜克表示,他们的3升发动机,能够在性能上相当于传统3.6升活塞发动机的输出能力。这样的话,发动机在重量与小型化上的优势更加明显。

这种特殊的布置方式也给轴向发动机带来一些附加优势,比如因为取消了进排气阀门,火花塞又安装在了缸盖上,那么燃烧室的形状设计上就有了更大的自由度;再比如从理论上来说,气缸的数目并不一定要是5个,可以更多或者更少,杜克采用五气缸布置是考虑到空间利用。

关键的是,这种点火方式,让燃烧室壁在燃烧时候可以保持相对温度较低。因而,杜克发动机还是一款可以使用多种燃料的发动机,且能够使用较高的压缩比,杜克发动机的压缩比就在14。在样机上,杜克公司使用了辛烷值不同的汽油(91-98),结果都发现运行良好,也可以使用一些新兴燃料,比如生物燃料、天然气等。杜克同样将不同性能的煤油拿过来进行了测试,结果也发现,可以不需要修改或优化直接使用,而如果想要使用柴油,则需要对发动机进行一些修改。

困难在于商业化之路

如果只是单纯看动力输出性能,又或者是轻量化与小型化带来的优势,这款发动机的优势确实让人垂涎不已。这应该也是杜克公司坚持了如此之久的原因,坚信有着这样优势的发动机一定会有用武之地。不过,轴向发动机并不是一款完美的发动机,其同样有一些困难需要克服。

首先,是密封问题。杜克的官方介绍中,其密封方式与两冲程发动机或转子发动机的密封方式相类似,可以采取类似的技术,但是因为进排气都是与相同的接触面有关,因而需要进行密封的地方有所减少。杜克发动机中使用的是滑动金属密封方式(在油膜上工作)。杜克并没有提到具体采用的金属材料,而是指从已经量产的发动机中有所选择。2012年3月的样机测试中,同样经过了密封测试,并且未来同样的密封组件会在后续的发动机中使用并进行进一步的密封测试。

其次,是曲轴的结构设计问题。这个异型曲轴在发动机中起到很重要的作用,一方面曲柄与连杆联动驱动输出轴旋转,另一方面还需要让其保持与气缸的旋转方向相反,这样才能起到减小振动的作用。因而曲轴的结构相对活塞发动机,要复杂得多。

最后,从发动机整体设计上来说,密封润滑、燃烧、进排气与点火时间设置等都与传统活塞发动机并不相同。从最早的概念设计,到制造出原型机,杜克在部件设计上就进行了很多修改,后续还需要更长的优化时间(即从样机走向量产)。

杜克从1993年开始研发轴向发动机,1995年开始进行概念试制,1996年第一代轴向发动机试运行成功,1998年在奥克兰大学进行测试,最大速度达到3500转,1999年装车的就是第一代轴向发动机;2001年开始进行第二代产品研发,2004年最大时速达到6500转;2005年开始第三代发动机的研发,2007年开始与马勒接触,部分测试工作从奥克兰大学转移到马勒进行,两者从2011年开始正式进行联合开发。现在的第三代发动机最大输出功率是215马力,最大到4500转能够保持最大输出扭矩339牛米,最大运转速度6000转。

2.png 左边为1996年第一次运行成功的发动机,右边为1998年在奥兰克进行测试的发动机左边为1996年第一次运行成功的发动机,右边为1998年在奥兰克进行测试的发动机

然而,在技术问题之外,最大的问题还在于商业化。从汽车上的应用来说,目前还并没有任何一款产品能够商业化,包括杜克。在2012年完成部分第三代发动机的测试工作后,杜克的官方网站还继续更新了一年多时间,包括提出了对第四代产品与技术的畅想,例如增加可变压缩比等。但是,信息的发布基本截止在2013年。

据杜克官方信息透露,在初始资金之外,杜克的财力支持来自于新西兰贸易发展局以及科技与创新部,还有一些私人企业在支持他们进行开发。杜克的联合创始人John Gravey在2014年接受采访时表示,公司并未进行过融资。因而,从1993年到2013年这20年间,所有的工作基本止步于开发与样机测试阶段,并没有再往下一步进行。其根本原因除了资金上的缺乏之外,还在于并没有找到自己的客户,并没有哪家车企表现出兴趣。

动力性能不错、轻量化又紧凑的发动机确实存在一定的吸引力,但是从完成样机测试到能够量产之间,本来就还有很长的研发与优化过程,需要投入大量的人力物力与财力。对于车企而言,这笔投资是否值得需要进行多方衡量。

更何况,2013年前后正是新能源动力驱动系统开始兴起的时候,车企们或在进行观望,或在暗地里为相关技术做准备。毕竟来自于法规的节能减排压力是最实际的。因而,对于杜克发动机,在汽车上的应用,前景并不看好。唯一有可能的,是插电式混合动力或者电动车上的增程发动机。比如车云菌此前报道过的微型燃料涡轮发动机,行业内在增程发动机上的新尝试,反而更多。更有可能的,依然还是在轴向发动机此前一直发挥作用的航空领域。

车云小结

这是一个动力系统百家争鸣的时代。混合动力逐渐证明自己的能力,纯电动的大规模应用还需要时间,不过也慢慢找到自己的位置,燃料电池只是开了个头……即便是在传统的活塞发动机上,希望有一竞之力的各类发动机也不少。

在杜克发动机的宣传视频下,有信息表示,杜克依然在寻找合适的投资方。或许最终杜克发动机不一定能够在汽车行业得到应用,又或许商业化本身就会异常艰难,但这是这种尝试,让人们对于动力系统的未来发展与变化,更加期待。

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