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轉子發動機還有機會嗎?

提到轉子發動機,很多人第一時間想到的應該是馬自達,1991年6月23日舉行的勒芒24小時耐力賽上,搭載轉子引擎的馬自達787B賽車以領先第二名兩圈的巨大優勢奪冠,讓轉子發動機大放異彩。



但下一年年馬自達787B賽車便失去了參賽的資格,傳說是因為轉子發動機太過於“黑科技”而導致被禁賽。這好比因為博爾特擁有強大優勢奪取百米賽冠軍,就取消他的參賽資格一樣,讓人匪夷所思。



轉子發動機還有機會嗎?



我個人是非常欣賞轉子發動機的,因為它基本是原力驅動曲軸來做功。當汪克爾1956年發明轉子發動機,到1964年首次搭載在車上,就被當時各大汽車廠商瘋搶其研發、生產權,什至一度被認為會取代傳統的往復活塞式發動機,從這一點來看,轉子發動機的優越性能是得到普遍認可的。



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由於這是一項新興技術,需要大量資金投入,各大廠家權衡利弊之後,紛紛停止對其的研發,只有馬自達公司堅持下來,並在1992年的勒芒24小時耐力賽上一舉成名。



為賽道而生



轉子發動機得天獨厚的天賦就是為賽道而生,92年的勒芒24小時耐力賽成績足以證明。它是怎麼做到的?優勢在哪裡?



大家知道不久前東京車展上奔馳AMG Project ONE,擁有一顆F1賽車的引擎,為了達到12000轉速,1.6L做成V型6缸來克服近400G的加速度,而F1賽車發動機活塞需要克服的加速度至少在600G左右,因為曲軸的轉動,是由活塞在氣缸裡往復做直線運動,再通過曲柄連桿機構轉化而來。



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這是往復式活塞發動機的硬傷,特別是L型發動機,燃燒膨脹壓力最大的上止點,連桿的傳遞力與曲軸切向基本垂直。這將是一個巨大的挑戰。但是對轉子發動機而言,這些都是小兒科。



轉子發動機和常規的往復式四沖程發動機一樣,也需要完成,吸氣、壓縮、做功、排氣這四個循環,不同的是,常規往復式活塞發動機曲軸旋轉兩周完成這四個工作循環。



而轉子發動機轉子旋轉一周即完成這四個工作循環,工作效率提高了1倍,而且在轉子旋轉這一周之內,被轉子的頂角分成3個獨立空間的氣缸同時完成這四個工作循環,這點相當完美,無間斷的推動活塞做旋轉運動,這點正是賽車所需要的。



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根據下圖,燃燒氣體推動轉子做偏心旋轉運動,轉子對偏心軸施加旋轉力矩,直接驅動偏心軸旋轉做功。因為是旋轉力矩做功,所以無需克服任何慣性力,發動機的轉速可以極大的提高,



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另外,三角轉子轉動時,以三角轉子中心為中心的內齒圈與輸出軸中心為中心的固定齒輪嚙合,齒輪是固定在缸體上不轉動,內齒圈與齒輪的齒數比為3:2,由於兩者是內嚙合,且內齒圈始終都是以兩者的接觸點(如紅色點)為中心旋轉,所以旋轉半徑是內齒輪的3倍,由於這獨特的運動關系,輸出軸的轉速將是轉子自轉速度的3倍。



比如說曲軸轉速達到15000轉時,三角轉子的自轉速度只需要達到5000轉即可。而往復式活塞發動機曲軸轉速要達到15000轉,活塞在1分鐘之內要上下往復運動30000次,兩者優勢不言而喻。



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此外,在1W多以上的發動機高轉速下,常規往復式活塞F1賽車發動機的氣門開啟和關閉是用高壓氮氣壓力罐來驅動,因為常規鋼制彈簧完全不能勝任這項工作,但對於轉子發動機來說,根本不是事,因為轉子發動機壓根就沒有氣門、凸輪軸、搖臂、正時系統等這套進氣系統。



從這一點還可以說明,,由於沒有氣門、凸輪軸等運動噪聲,NVH相比傳統發動機將會優越很多,轉子發動機結構非常緊湊,如轉子發動機中,單轉子發動機長寬高只有1英尺左右,方便整車布置,相同排量的發動機至少減輕1/3的重量。



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所以轉子發動機就是為賽道而生不是憑空而造,據說德國Rotary Supercars 公司將推出一款八轉子四渦輪增壓發動機的超級跑車,而這款超跑從0加速到100KM/h僅耗時0.9秒。就是一眨眼的功夫,這款跑車已經完成百公里加速度,在它面前布加迪、蘭博基尼等超跑簡直是小兒科。



劣勢也很明顯



雖然轉子發動機擁有眾多優點,但也有不可忽視的缺點,這就是當今沒有批量民用化的原因:



1:燃燒不充分,由於轉子發動機的進排氣不是氣門驅動,是靠轉子的旋轉來打開和關閉進排氣門,就沒有正時VVT精確的控制空燃比,混合氣就燃燒就不完全,對當前排放日趨嚴格的法規來說是比較致命的。



2油耗非常高。1.3L左右的轉子發動機搭載在車上的油耗大約有12L/百公里,這點我要為轉子發動機伸冤一下,因為轉子發動機三角轉子在旋轉做功的過程中,即轉子旋轉一周,三個缸三次點火,三次噴油,但是往復式活塞發動機旋轉2圈才噴一次油,點火一次。當然油耗比同排量的往復式活塞發動機高,所以很多國家對轉子發動機的排量收稅為標值的排量乘以2來計算。



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3燒機油:其實對於轉子發動機來說,燒機油是無法避免。因為三角轉子的高速旋轉需要極速降溫和潤滑,機油就起到如此作用,在缸體上有一個小孔是專門噴射機油的,噴射機油到轉子的運動內壁面,靠三角轉子的頂角密封條均勻的塗抹在轉子的運動內壁上。當其中一缸點火燃燒時,自然的就把機油燃燒了,且轉子旋轉一周點火三次,所以機油就燃燒的很快。



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4:磨損嚴重,零部件壽命短:由於三角轉子引擎的相鄰容腔只有一個經向密封片,經向密封片與缸體始終是線接觸,並且經向密封片與缸體饑接觸的位置始終在變化,因此三個燃燒室非完全隔離,經向密封片磨損很快。而且缸體火花塞點火的位置始終時在同一處,缸體受熱不均,容易出現缸體輕微變形。



潛力依然巨大



但是隨著常規活塞式發動機潛力的不斷深挖,比如,高壓縮比,VVT,VVL 渦輪增壓,GDI EGR等等技術的運用,常規發動機的潛能已經發揮到極致,熱效率已經遇到瓶頸,所以轉子式發動機的不斷升級,研發來解決常規活塞式發動機的瓶頸並不是無稽之談。



只要能解決轉子發動機的短板問題,如為了解決轉子與缸體的磨損嚴重問題,目前工程師們正在研究采用超高音速等離子噴塗碳化鎢,形成超抗磨損的工作表面來解決磨損嚴重的問題。



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AL頻道小結



雖然目前轉子發動機作為發動機中的“非主流”產品,雖然沒有往復式發動機那樣廣為人知,但正是因為小眾使他更具雍容華貴的氣質和風度,轉子發動機更像一個醉心技術的科學家,一直攀登技術的高峰。



轉子發動機的研究催生了很多新興技術,而轉子發動機在航天上得到了比往復式活塞發動機更為廣泛的應用也證明了轉子發動機的研發潛力。相信隨著技術的不斷發展和新材料的不斷運用革新,轉子發動機的春天將會指日可待。



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