三角转子的神话:转子发动机的崛起与悄然消逝

凭借三角转子实现无活塞运转的汪克尔发动机,尽管结构紧凑,却因油耗和密封问题而从乘用车中消失.
凭借三角转子实现无活塞运转的汪克尔发动机,尽管结构紧凑,却因油耗和密封问题而从乘用车中消失.

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汪克尔发动机是一种内燃机,活塞被一个三角形转子取代,转子在椭圆形壳体内沿轨道运转,其三个面依次承担进气、压缩、做功和排气任务.紧凑的壳体、极少的运动部件和几乎为零的振动,使它成为二十世纪最迷人的发动机架构;而高油耗和棘手的密封问题,则在本世纪末终结了它在乘用车上的生涯.

亮点

  • 1924: Felix Wankel设计出无活塞内燃机概念,并于 1936年获得首个专利.
  • 1964: NSU Wankel-Spider成为首款量产转子发动机汽车.
  • 1991: Mazda 787B凭借四转子发动机成为首辆赢得勒芒24小时耐力赛的日本汽车.
  • 2012: 随着RX-8停产,最后一辆以纯转子发动机为唯一动力来源的汽车也退出了历史舞台.
  • 2023: 汪克尔以发电机的形式在MX-30 e-Skyactiv R-EV中重获新生.

无活塞发动机的构想是如何诞生的?

在Felix Wankel的构想中,没有气缸和往复运动的活塞;燃烧室将是围绕旋转壳体开合的空腔.这位年轻工程师于 1924 年开始绘制这一概念, 1936年获得首个专利.然而,将想法变为金属实物却要等到第二次世界大战之后他与NSU建立的合作. 1954年原型研制工作开始, 1957年首台可运行的原型机 DKM 54 首次点火成功.

DKM 54实际上是一头实验室猛兽:发动机整个壳体与转子一起旋转,也就是说连更换火花塞都得拆解发动机.NSU的工程师Hanns-Dieter Paschke做出了一个细致却果断的动作:让转子沿轨道运转,将壳体固定.这一结构被命名为 KKM (Kreiskolbenmotor, 回转活塞发动机).Felix Wankel视这一简化为对他设计的背叛;但历史给出了明确答案:唯一投入量产的形式就是KKM,如今我们所说的"汪克尔发动机"其实就是Paschke的结构.

数量上的简洁令人惊叹.完成同等工作的往复式发动机要携带曲轴、连杆、气门、气门弹簧、挺柱和正时链条等数十个运动部件;而一台汪克尔发动机的运动部件只有三个:两个转子和一根偏心轴.

从NSU到Mazda: 转子进军乘用车

1964年,NSU Wankel-Spider作为首款量产转子发动机汽车上路.随后 1967年推出了单壳体车身轿车 Ro 80 ;其发动机在技术上令人印象深刻,但开发成本压垮了NSU,加上石油危机的经济逆风,这家公司退出了历史舞台.Ro 80的发动机第一次大规模地展示了技术承诺与现实之间的距离.

而这个故事真正的主人来自日本.Mazda的首个单转子原型机 40A'da面临两个严重问题:机身内振动的顶点密封片留下的被称为"恶魔指甲"的磨损痕迹,以及严重的机油消耗.机油问题通过耐热油封得到了解决. 1965年起投入批量生产的双转子 10A 在Cosmo上以总功率 110 hp 在 7000 rpm时输出, 982 cc的排量证明了这种结构可以做到多么紧凑.

RX系列与走向大众的转子

Mazda的过人之处在于,让转子发动机不再只是研究对象,而成为一种身份象征. 1978年问世的 RX-7首次将转子发动机介绍给全球跑车爱好者; 1985年加入涡轮增压进一步压榨动力, 1992年推出的双涡轮增压版本则将公路汽车的性能推向了极限.在此期间还有一段场外的佳话: 1974年, 12A 发动机作为首款完成勒芒的西方欧洲和美国以外发动机,在赛场上验证了其耐用性.

汪克尔发动机有哪些优势?

这种结构的魅力体现在可测量的数据上.转子发动机相对于自身尺寸和重量能产生极高的功率;功率密度高于同类活塞发动机,而由于没有往复运动质量,功率传递明显更为平顺.振动几乎为零,发动机在恒定转速下持续可靠地运转.正因如此,汪克尔发动机不仅在汽车之外,还在航空、无人机、发电机以及军事工业设备中找到了自己的位置.

用工程语言来表述这种对比,如下所示:

特性汪克尔(转子)活塞发动机
运动部件数量3(两个转子,一根偏心轴)数十个
故障特征逐渐功率下降可能活塞卡死,导致灾难性后果
振动几乎为零明显
功率密度高按尺寸计较低
薄弱环节顶点密封片磨损、排放成熟且低排放

转子发动机最沉稳、最宝贵的特性,在于即使在状态不佳时也不会像活塞发动机那样突然熄火,而是逐渐损失功率. 这在航空应用中尤其是一项无需多言的安全优势.

顶点密封片与油耗:技术问题从何而来?

转子三个角上的密封元件,即所谓 apex seal 的顶点密封片,是这种结构中最关键也最脆弱的部件.这些密封片仅靠接触面封闭燃烧室,要承受高压、高温和持续的摩擦.NASA 2010 年的分析客观地表明,顶点密封片的摩擦是发动机功率损失的重要因素.密封片磨损后的情形众所周知:压缩下降,发动机启动困难,机油消耗增加,排气管冒出蓝色烟雾.

第二个问题源于几何结构.汪克尔发动机拉长的月牙形燃烧室具有很高的面容比;火焰前锋无法像活塞式气缸那样高效地扫过这个空间,导致燃料无法完全燃烧.这带来两个代价:高油耗和尾气中过量的碳氢化合物.马自达 1968年为响应日本排放法规开发了 REAPS 系统,并在 1971年的 10A 0866 发动机上使用了铸铁热反应器;但这只是治标,而非治本.

RX-8车主非常熟悉的烧机油倾向也应放在这个框架下来理解:这是一种为了润滑转子表面而有意向燃烧室定量供给机油的设计,属于正常工作的组成部分.然而车主们误以为这是缺陷而加以批评,也损害了这款发动机在大众心目中的声誉.

马自达787B为何能赢得勒芒?

Mazda 787B, Le Mans tarihinin şu ana kadarki tek rotary motorlu zaferini kazanarak Wankel mimarisinin yarış pistindeki potansiyelini kanıtladı.

1991年6月23日是转子发动机的巅峰之日.马自达 787B成为首辆赢得勒芒24小时耐力赛的日本汽车,此前从未有转子发动机车辆赢得过这场比赛.车辆核心的 R26B是一台排量 2.6升 (2616 cc)的四转子发动机,在 9000 rpm时输出 700 hp .周边进气口、连续可变几何进气歧管以及为每个转子增加的第三个火花塞,证明了这套架构在赛场上能被推到何种极限.

胜利之后生效的规则变更同样意味深长:FIA在次年将转子发动机排除出比赛.而且赛事组织方早已采用了将汪克尔发动机申报排量加倍的计算规则;根据这一分类,787B才能以26B发动机参赛.至今仍在论坛上争论的"胜利是否光明正大"这一问题,答案就在于此:马自达在规则规定的分类之内参赛并赢得了比赛.

排放法规为何摧毁了转子发动机?

马自达没有放弃. Renesis (13B-MSP)于 2004 车型年的 RX-8上投产,其设计目标直指汪克尔发动机最受诟病的两个问题:排放和燃油经济性.排气口的侧置化相比之前的 13B-REW使碳氢化合物排放减少了 35%-50 %,达到了美国的LEV-II标准.这一成果获得了认可: 2003年荣获国际年度发动机大奖,随后连续两年入选Ward's十佳发动机榜单.

但面对欧洲日益严格的标准,这仍然不够.RX-8因无法满足排放限值,被迫于 2010年退出欧洲市场;受销量下滑的影响,生产于 2012年终止.最后一款以转子发动机为唯一动力来源的量产汽车就此成为历史.这并非猝死:当这套架构与同尺寸的活塞式发动机相比,其排放输出已无竞争力之时,它便经历了自然淘汰.

氢能源尝试与2023年的回归

最早想到汪克尔并非落幕的正是马自达 - 因为这种结构最有趣的潜在优势正是在氢能中大放异彩:由于燃烧室无气门且进气温度较低,对于容易早燃的氢气来说,它比往复式活塞发动机提供了更为适宜的环境.马自达 1991年展示了首款氢转子概念车 HR-X, 1995年又在公开道路上测试了氢转子汽车,并于 2003年推出了全球首款量产氢燃料转子发动机车型 RX-8 Hydrogen RE.这款双燃料车型既可用汽油也可用氢气行驶,氢气以液态形式储存在第二个油箱中,直到双转子结构可输出 154 kW 的功率; 2009年首辆车交付至挪威.

而真正的回归则是以另一种角色登场. 2023年,马自达将转子发动机在 MX-30 e-Skyactiv R-EV 插电式混动车型中重新启用,作为增程器 - 即为驱动前轴的电动机供电的紧凑型发电机.这是一个巧妙回避该结构所有弱点的定位:在以恒定转速运转的发电机中,无振动和紧凑性转化为优势,而排放和燃油经济性的劣势则被控制在可控范围内.汪克尔退出了公路汽车的核心舞台,但在工程上并未消亡.

转子发动机今天还能告诉我们什么?

汪克尔的故事是一次罕见的实验,它衡量了一项技术的工程精妙与商业和法规现实之间的距离.转子发动机仅用相当于往复式发动机三分之一的活动部件就能更平顺、更有力地运转;但其几何结构天生带来的不完全燃烧,在日益严格的排放法规面前终究未能攻克.菲利克斯·汪克尔的愿景退出了公路汽车;如今它作为一台安静的发电机,在回答能量转换所承载的新问题中继续存在.两种情形下的启示是相同的:好的工程,应用于正确的问题时才有价值.

参考资料