转子不死!马自达转子发动机发展简史

原标题:转子不死!马自达转子发动机发展简史

说到转子发动机,大家可能会立刻想到《头文字D》中高桥兄弟的马自达RX-7 FC3S和FD3S。其实转子马自达研发转子发动机的历史早在五十多年前就开始,背景故事也十分耐人寻味。

60年代的日本,本土车厂林立,但许多车厂规模都非常小,他们没把精力放在技术研发上,而是大打价格战,所以日本车当时给人的感觉是价廉且质量差,根本无法与欧美汽车巨头抗衡。

日本通商产业省颁布新规,小规模的汽车公司需要与大公司合并以提升日本汽车产业的竞争力,除非该公司拥有一项特别的技术。当时的马自达属于被兼并的对象。为了摆脱被兼并的厄运,马自达决定引进当时很特别但并不成熟的转子发动机技术,转子发动机俨然成为了马自达的一根“救命稻草”,没想到的是,转子发动机在后来还真被马自达发扬光大了。

1961年7月,马自达派了8名技术人员赴当时西德的NSU公司(奥迪前身),参观学习备受众多厂商关注的“汪克尔转子发动机”构造。时德国人做的一个”硬币放在发动机上不倒“的演示,深深地震撼了马自达的技术员。

当年丰田、通用等汽车大厂也对转子发动机有兴趣,但通过试验发现实用量产化的难度比想象中要大得多,纷纷打了退堂鼓,只有马自达坚持了下来,因为马自达把不被兼并的希望全都寄托在这特别的新技术之上。

▲德国人汪克尔博士与他发明的转子发动机

转子发动机具有结构简单、小巧轻量、运转平顺安静等特点,同时在更小的排量下实现更大的功率输出。转子发动机没有活塞,只有一颗三角弧形转子在蚕茧形的气室内转动。气室被转子分成三分,旋转时每一份的大小会不断变化,变化量就是转子发动机的排气量。转子发动机同样属于四种程发动机,包括进气、压缩、做功和排气四个冲程,具体工作过程是:随着转子的转动,混合气从进气口吸入,在气室密封部分被压缩,火花塞点燃被压缩的混合气,膨胀推动转子旋转,最后废气从排气孔排出。

但跟传统往复式活塞发动机不一样的地方在于,蚕茧形气室分为三份,每一份在转子旋转一圈就做完成一个完整的四冲程做功,三份加起来转子旋转一圈一共做了三次功,相当于单转子发动机就相当于3缸的活塞发动机,双转子就相当于6缸活塞发动机,而且它比6缸活塞发动机无论在体积或重量上都要小得多。

因在转子发动机的气室内不断旋转的转子运动过程是连贯的,并不存把活塞推到顶部再做功拉回来这个惯性动能的损耗,同时因为没有了上下往复运动,所以振动和噪音都要小得多。此外,转子发动机不需要活塞发动机上的正时齿带、凸轮轴、摇臂、气门、气门弹簧等配件,结构简单,有利进一步减重,也有利于进一步减少振动和噪音。

单从结构原理来看,转子发动机应该是一种理想的发动机,但令众多厂商打退堂鼓,研发转子发动机当然也存在难以攻克的难题。三角饭团形状转子的三个顶点在旋转时会一直高速摩擦气缸内壁,一旦长时间运转,气缸壁就会出现像搓衣板的波纹状磨损,称为“颤痕”。由于当时气缸内壁密封环采用的是铸铁材质,为了寻找到不会损伤内壁的材质,马自达的工程师们做了大量的试验,柔软的金、镍等,非常坚硬的铬,最后无奈之下还异想天开地尝试了牛骨、马骨,但结果大家应该都想到了。

而转机出现在离最初研发过去3年后的1964年。当时日本碳素公司为新干线导电架的摩擦面开发出新的耐磨材料,马自达迅速行动与日本碳素公司成立了研发团队,经过反复试验和改进,最终成功地让魔鬼的足迹消失。

由马自达转子之父山本健一带领的马自达“转子47壮士”经过数年的艰苦研究,终于把转子发动机从模型变成量产的发动机。

1967年,世界上第一辆搭载转子发动机的马自达CosmoSport 110S诞生,随后即开启了马自达转子发动机的辉煌时代。

RX-3终结了日产GT-R日本赛事的50连胜,Familia Rotary Coupe让转子发动机走入寻常百姓家。

从第一代FB到大家熟知的第二代FC和FD,传奇跑车RX-7凭借转子发动机的独特魅力,时至今日仍受到众多玩家的热捧。(下图为RX-7 FB)

1991年,注定是马自达发展史上最重要的一年,同样也是转子发动机最高光的一年。经过18年的24小时耐力赛参赛及赛用转子发动机研发经验积累之后,马自达55号787B赛车,凭借在9000转时能爆发出690匹马力的2.6L的R26B四转子涡轮增压发动机,经过24小时的奋战,取得了勒芒24小时耐力赛的冠军,成为首个且唯一在勒芒24小时耐力赛获胜的日本汽车品牌,直至2018年丰田的胜出。

马自达惊艳夺冠后,勤芒就正式拒绝了转子发动机参加此项赛事,也就是著名的“马自达条款”。

RX-7于2002年8月正式停产后,2003年1月,变得“温和”了不少的接班人RX-8登场,搭载全新一代RENESIS转子发动机,采用对开门设计的RX-8十分特别。虽然转子发动机拥有结构简单、体积小、重量轻、功率高等众多优点,但就算到了RX-8年代,转子发动机相比传统往复活塞式发动机,仍存在诸多方面的问题,如耐用度低、油耗与排放水平高、与及机油消耗量大等。

转子发动机的主要缺点,在@思忆漫长的回答中也有提及到一部分,由于转子发动机转子旋转一圈做功三次,每个做功冲程的燃烧时间短,混合气得不到充分的燃烧,从而导致的耗油量偏高和排放超标问题,与及燃烧室形态的不断快速改变使火焰形态的控制变得困难,加上转子顶角密封(Apex Seal)材质和气缸壁之间润滑不足及材质一直没有重大突破导致的磨损速度过快,各种问题的综合结果,使RX-8最终于2012年宣布停产后一直未有后续的转子发动机车型出现。

但这是否意味着马自达转子发动机的历史就此结束呢?我想未必。马自达早在2008年就开始着手研发氢能源的氢转子发动机。转子发动机扁平的燃烧室非常适合使用氢气,并且进气室和燃烧室分离的结构不易出现回火现象。如何更好的地利用清洁的氢能源来驱动转子发动机,并提高发动机的耐用度,相信是现在马自达工程师正在攻克的课题。

首批30台RX-8氢转子发动机,已于2008年在挪威参与绿色交通运输试验。

这台特别的RX-5具有双燃油切换系统,能在氢气和汽油燃料之间切换。

“Mazda5氢转子混合动力车”是继“Mazda RX-8氢转子车型”之后,第二款投入商业实用化的氢动力转子发动机车型。

“Mazda5氢转子混合动力车”搭载了由氢转子发动机和电动马达组成的串联式混合动力系统,通过发动机输出驱动发电机运转,利用获得的电力驱动马达运行。该动力系统将车型续航里程提高到200km,最大输出功率提高近40%,达到110千瓦。同时,新车型车型还采用了多项前瞻性先进环保技术,包括马自达独有的“双燃料系统”,可在氢燃料不足时转换为汽油驱动,以及使用植物提取物生产内饰部件等。

但由于氢气的制造与存储技术仍未获得重大突破,打这之后马自达似乎已经搁置了转子发动机在搭载在新车上的进程。但2015年东京车展上,马自达转子发动机粉丝又看到了一线新希望,马自达带来了全新转子发动机概念跑车RX Vision。

2015年10月的东京车展上,RX-Vision率先身披马自达用心打造的水晶魂动红(Soul Red Crystal)首度公开。马自达打造出了动人心弦的“世界最美的红”,惊艳世人。

最备受世人关注的发动机是被称为Skyactiv-R的创驰蓝天转子发动机,虽然马自达并没有透露太多消息,但据闻Skyactiv-R为双转子1.6L排量,拥有超过335kw的最大功率,电动涡轮增压器和混合动力系统的加持,油耗、排放和机油消耗量过大等问题有望得到解决。

以RX命名的FR布局概念车RX-Vision,让车迷一下子兴奋地联想到搭载转子发动机的马自达新世代跑车,RX-9的复出的消息一时甚嚣尘上。但转过头理性点来看待,RX-Vision更重在传达马自达最新的美学设计概念。

但笔者始终深信,马自达转子发动机终有一天会在解决现存的主要问题后,再度回归市场。马自达粉丝们期待的RX-9到底什么时候才能跟我们见面呢?我们不妨拭目以待。

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小新技研的知乎专栏:玩车有志

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