转子发动机「回归」,马自达做了什么?

  • 发表于: 2015/11/02 00:05:00 来源:车云网

东京车展一开展,就被马自达的转子发动机概念车刷了屏。为了让转子发动机重回到车辆上,马自达下了哪些功夫?

RX-Vision概念车的发布,对于跑车控和技术控来说都是件值得纪念的好事情——马自达打算让转子发动机焕发「第二春」。在此之前,马自达CEO山田宪昭(Takashi Yamanouchi)曾经说过,只要他还留在马自达,那么必然会有搭载转子发动机的车型问世,而且并不止一款。

于是,他们花了几年时间来兑现这个承诺。


没落的转子发动机


转子发动机也是内燃机的一种,同样是通过燃油的燃烧过程来做功,驱动车辆。与活塞发动机一样,同样拥有进气、压缩、燃烧做功和排气四个行程。不同的,是其“活塞”的运动方式。在转子发动机里,取代“活塞”作用的是三角转子。

Δ转子发动机工作原理图

Δ转子发动机内部结构图

这是转子发动机的工作原理图与内部结构图。可以看到,里面有两个啮合的齿轮,中间小的齿轮是三角转子的中心,外面的齿轮则是输出轴上的齿轮。三角转子围绕其中心旋转,而其中心又与外圈齿轮啮合驱动输出轴。可以理解为三角转子一边自转,一边还围绕输出轴公转。

在旋转过程中,三角转子将气缸内分成了几个部分。气体从进气口进入之后,随着三角转子而旋转,进而被压缩、点火进而膨胀做功。

从这个结构很容易发现,与活塞发动机的每一个气缸,在一个时间节点只处于某一个阶段不同,转子发动机的气缸之内会同时存在做功进程中的不同阶段。换句话说,转子发动机每时每刻都在做功。

两种完全不同的机制给转子发动机带来了很大优势:

  1. 1.结构简单,没有了曲轴和复杂的配气机构存在,尺寸小重量轻,且在震动和噪声上比活塞发动机有很大优势

  2. 2.时时刻刻都在做功,让转子发动机具有高功率的输出特性,尤其是低速下的功率区别,会更加明显

但所谓成也萧何,败也萧何,转子发动机最大的劣势同样来自于此:

高功率的代价是耐久与寿命,三角转子的工作环境其实十分恶劣,一直处于高温状态,这个高温状态影响的不仅是三角转子,还有输出轴;且易磨损,三角转子的三个角与气缸缸体之间有类似于活塞环的密封部件,但是却没有活塞环的润滑环境。恶劣的工作环境对材料和工艺有高要求,导致其研发成本和生产成本都会很高,如果无法适应,则会导致寿命与耐久无法满足要求,得不偿失。

另外,其运行状态也导致了压缩比相比活塞式发动机要低,这样的后果是燃油无法进行充分燃烧,于是热效率低、油耗高且排放污染重。

这些问题要说解决也并非完全无法解决。当初针对易磨损这个毛病,就有对气缸内壁表面陶瓷化的措施,来减小摩擦和高温耐性。然而,阻碍的因素更多。过于简单的机构导致无法随意添加装置,其输出轴的冷却就是个大问题。当然,更直接的原因还有,当时活塞发动机的技术发展已经日趋成熟,花大力气研发转子发动机很容易得不偿失。

最为热衷的马自达在1974年曾经取消了活塞发动机系列,全部精力投入到转子发动机上,而一度让企业陷入困境。后来在80年代又恢复了活塞发动机,转子发动机成为跑车和赛车专属。


马自达的坚持


马自达对转子发动机的研究是从54年之前,1961年开始的,那是马自达开始尝试将一款转子发动机商业化,并向奥迪的前身NSU公司获得授权许可。直到1967年,马自达才推出第一款基于转子发动机的量产车Cosmo,搭载了两台转子发动机。在接下来的35年时间里,马自达发布了转子发动机的系列车型RX系列,1978年的RX-7这款车是最为成功的一款。

直到1991年,马自达的787B赢得了24小时勒芒拉力赛,转子发动机的辉煌到达了定点。最新一款转子发动机的量产车是2003年的RX-8跑车,这款车在2011年停产,正是马自达CEO山田宪昭做出「不放弃转子发动机」表态的时候。

可以说,这四年里,马自达一直在寻找转子发动机的复活之路。不过,这次在东京车展上,马自达虽然发布了RX-Vision概念车,但是关于转子发动机,却并没有透露太多,除了名字SkyActiv-R。根据海外媒体采访到信息,可以知道的有几个关键词:新材料、涡轮增压以及混合动力

ΔRX-Vision概念车

新材料的加入是改善转子发动机在基础结构上存在问题的关键。如果材料本身就能够耐高温,耐磨损,并且改善摩擦状态,那么发动机的寿命与耐久都能够得到改善。如果新材料还能够以降低的成本获得,那么转子发动机才有在乘用车上量产的可能。

此外,在研发时,马自达通过电脑模拟控制发动机的点火系统与喷油系统,去观察在不同状态下发动机燃烧过程,来确定发动机在燃油经济性上的表现以及具体的控制逻辑。当然,研究发现,正在研发的转子发动机还有很大的发展空间。

至于涡轮增压,马自达提到会是未来如果量产的话,会是一个选项。这款据称很有可能要量产的RX-Vision概念车,据介绍,很可能是一款RX-7系列,其直接竞争对手会是保时捷的Cayman。

最后提到的混合动力。在两年前,马自达曾经将转子发动机作为电动车的増程器使用,不过却引来转子发动机粉丝的不满。技术控们认为,转子发动机首先要是一款合格的发动机,才能考虑其他用途。不论真实原因如何,马自达现在是按照这个原则来进行研发的。所以,虽然表示未来会考虑混合动力作为一个发展方向,但是目前并没有在研发,在这款发动机量产之前,应该是没戏了。

同样没有被透露的,是这款发动机具体的发布日期。马自达希望这款发动机能够在没有任何电气化手段助力下,能够达到非SkyActiv车型的排放与油耗水平。至于搭载转子发动机的具体车型,同样是个不确定的消息:转子发动机此前在可靠性与寿命上的问题已然成为阴影,所以马自达这次希望更保险一点,对于车辆会做2-3倍于其他车型的测试工作;在市场定位上,也会慎重考虑。


车云小结


似乎仔细研究下来,转子发动机的「复活」与否,还是个伪命题。不过,日系车企向来就有执着的传统,如同丰田之于混合动力,斯巴鲁之于水平对置,还有马自达之于转子发动机。尤其是在这个动力系统百花齐放的时代,梦想还是要有的,万一实现了呢?

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