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马自达转子
神话将落幕追忆转子引擎的前世今生
第一章序
熟悉日系高性能车的车迷肯定不会忘记在日系殿堂级跑车中有这样一位特立独行的成员,他就是马自达RX-7。
他的与众不同就在于他使用的一台代号13B的双转子涡轮引擎,轻量的转子引擎配合RX-7轻量而低矮的车架,早就了RX-7神级的操控特性,其平衡度甚至超越了当年的GT-R。
直到现在,RX-7依然被作为改装的好胚子,比如日本的山路魔王争霸赛中,来自雨宫的RX-7爆发出强劲的势头,转子引擎特殊的工作特性功不可没。
然而马自达近日宣布,经典的RX家族将不再使用转子引擎,而将改用普通的活塞涡轮引擎,让人不禁唏嘘,转子引擎这个天才的杰作,却要屈服于市场和工艺的失败,一部神话,即将落幕。
第二章转子引擎的诞生和工作原理
从蒸气机,汽轮机再到内燃机,喷气发动机,火箭….每一次变革都足以写入人类的工业发展史,同时也驱动了人类文明的发展。
在包括内燃机在内的热机中,有些也堪称天才的发明,却没能扮演起重要的角色,比如今天要谈起的WankelEngine(转子引擎),就是这样一个充满血泪和遗憾的例子。
【Wankel引擎开缸后的样子】
Wankel之意来自于它的创始人菲力•汪克尔(FelixHeinrichWankel)的姓氏,转子引擎属于无活塞回旋型发动机的一种,在航空领域和摩托车的领域上早已经出现了实用化的旋转型发动机,历史已经超过百年。
【采用汪克尔旋转引擎的摩托车,注意车灯的造型】
而在汽车领域使用旋转引擎,其难度等同于将目前飞机上广泛使用的涡喷引擎移植到汽车上,所以无活塞的旋转式引擎首次出现在量产的汽车上要等到1964年,而搭载的正是由汪克尔发明的汪克尔转子引擎。
菲力•汪克尔(1902-1988)
菲力•汪克尔(FelixHeinrichWankel)出生于1902年,正值旋转式发动机出现的时代。
在第二次世界大战期间,汪克尔曾供职于德国军事技术开发部,专注于航空机及鱼雷旋转引擎相关的开发工作。
德国战败后,汪克尔则被同盟军收押数月,并禁止了军事用品的开发。
战后数年,汪克尔加入了当时德国制造商NSU(1969年被奥迪收购),由1951年开始从事汽车领域的旋转式发动机开发。
1954年,由汪克尔发明的,以三角转子旋转驱动方式代替传统往复式活塞驱动发动机的新品种发动机成功面世,它就是转子发动机的元祖汪克尔发动机DKM54。
DKM54引擎本体,可以看到三角形转子和椭圆形的旋转腔设计已经具备雏形
有必要科普一下转子引擎的工作原理,一台单转子引擎,三角形转子旋转一周与一台四冲程活塞引擎一个循环相当,也可以分解为吸压爆排四个冲程,和活塞引擎一样,转子引擎利用的也是混合气爆炸膨胀产生的能量驱动转子旋转起来,并由转子中央的齿轮机构减速化作输出轴的动力输出。
不同的是转子引擎通过改变转子和旋转腔之间空隙体积的大小产生旋转,而活塞引擎则是爆炸推动活塞运动,并通过连杆机构转将活塞的往复运动化为旋转运动。
转子引擎取消了活塞式引擎的往复运动,转而类似电动机一样在旋转时拥有源源不断的推力让其不断旋转并能够对外输出动力。
相比起当时的往复式发动机,转子引擎的动力输出方面更加流畅平顺,而且发动机本体的体积小,重量轻,结构简单,噪音小,转子旋转一圈便能做出往复式发动机四个冲程的动作,而平顺性是转子引擎最大的优势所在,有两台转子引擎串联而成的双转子引擎在一阶和二阶平衡度就超过了一台直列四缸引擎,和6缸引擎相当。
在1957年这台划时代引擎的消息传开后,成功吸引了国际级大车厂的眼球。
通用、福特、丰田、日产、奔驰等国际级汽车大厂纷纷对这款当时的划时代发动机表示出十分强烈的兴趣。
天才的发明和完美的工作原理却无法适应当时机械加工工艺和材料水平,转子引擎的弊端很快显现,汪克尔引擎的缸壁抗磨能力低、缸内气密性差导致缸内混合气和燃烧后的废气互相混合,由于高温导致所需配套增多等等负面因素,让其实用性遭到质疑。
耐久性成为汪克尔引擎相对于传统活塞引擎最大的致命伤。
从1957年首台双转子引擎横空出世,到第一台使用汪克尔引擎的汽车正是量产上市,其间经历了7年的时间。
虽然汪克尔引擎缺陷明显,但NSU公司依然看好这种理论上相比活塞引擎更加先进的引擎,一直在不断的改良生产工艺和细节。
1964年终于发布了上图这台NSUspider(spider即双门双座的roadster)。
从这台车的外观很可能被认为是一台FR布局的小跑车,但实际上转子引擎位于车尾,是一台后置后驱的车子,它采用一台500cc的单转子引擎。
轻量的设计让其拥有不错的操控性,其性能表现也能让人接受。
这台spider是历史上第一台搭载转子引擎的车型,但其命运依然充满辛酸,这台位于车尾的转子引擎依然没能解决最根本的耐久性问题,并且油耗相比同类车型高出不少,从1964年到1967年,其生命周期仅仅3年,而销量也只有区区2300多台,这台不成熟的车型,让第一批像尝鲜的车迷痛苦不已,转子引擎首次问世即遭遇滑铁卢。
在NSUSpider停产后,1967年NSU继续推出了第二款搭载汪克尔发动机车型,四门轿车NSU-Ro80。
从时间轴上来看,NSU-Ro80的发布虽然落后于MazdaCosmoSport,但它推出市面的时间却比MazdaCosmoSport要早。
Ro-80搭载双转子引擎,输出功率115匹,0-96KM/H加速12.5秒
相比于Cosmo的成功,Ro80上搭载的汪克尔发动机问题未解决,由于发动机故障多发的关系,很多Ro80需要被召回NSU厂房进行发动机更换。
被召回问题困扰的NSU陷入了经营危机,终于在1969年被收入大众旗下,与奥迪合并。
NSU-RO80采用前置引擎后轮驱动布局
NSU被奥迪收购后的次年,Ro80搭载的汪克尔引擎故障的问题得到解决,可惜备受召回问题困扰的Ro80的形象早已受损,加上1973年爆发的石油危机,Ro80的销量再无回天之力,直到1977年4月Ro80停产之际的统计所得,十年间的销量只有37204台。
NSURo80不能算一款成功的车型,也为NSU带来了沉重的代价,把一台未完成的引擎投入市场是NSU的失策。
但Ro-80的外形设计却成为了一代经典,对奥迪日后车型的外形设计产生了深远的影响。
东洋奇葩马自达RX车系辉煌历史回顾
当NSU为转子引擎付出沉痛代价的同时,在世界的另一边,有一个人却对NSU的转子引擎技术产生了巨大的兴趣,他就是东洋工业株式会社的社长松田恒次(TsunejiMatsuda)。
当年日本通产省打算推动汽车产业整并计划,而“东洋工业”正是被并掉的对象之一。
当松田恒次得知德国NSU将他们与菲力汪克尔博士拥有的转子引擎专利权有条件开放,以吸引外界资源与智慧继续研发,这一消息让松田恒次社长眼前一亮,他感到“东洋工业”的未来,可以寄托于这个计划。
运气总是垂青于有眼光的人,两个月后NSU同意与“东洋工业”讨论订约事宜。
松田恒次社长随即奔赴德国Neckarsulm与NSU订立草约,隔年日本政府也予同意,“东洋工业”正式成为NSU-Wankel转子引擎授权研发团队的一员,松田立即派遣技研小组前往Neckarsulm取经,带回蓝图、技术资料以及一具NSUKKM400转子引擎样本回广岛。
马自达对NSU和汪克尔的转子引擎进行了一系列的修改,这一深入研发的过程中就不得不提到号称Mazda转子引擎之父的山本健一(KenichiYamamoto)
1922年出生的山本健一,是帝国大学(现在的东京大学)机械工程系的高才生。
山本首先对位于转子活塞三个顶端的油封(相当于往复式引擎的活塞环)材质进行改进,舍弃NSU的铸铁构造,而改用碳铝合金材质,这是为了解决NSU转子引擎运转时容易刮伤气缸壁的困扰,而这也是山本健一格外重视材料科学的缘故。
这台转子引擎的每个燃烧室都比NSU的单火花塞配置增加了一个,达成双火花塞布局,以提高点火燃烧效率。
此外每组转子气缸进气道改设侧面,如此大幅度减少进气与排气开启的重叠,虽然动力峰值输出会因此下降,但是却能大幅度改善NSU转子引擎怠速剧烈抖动的问题与诟病。
转子引擎的完善是一项浩大的工程,其工作量难以想象,不是山本一个人能够完成的事情,上图中47位马自达的技术精英组成的RE(Rotaryengine)研究部,为转子引擎的研发走向实用化付出了难以想象的努力,他们被称为“转子47士”。
这些面孔应该被世人所铭记,这张罕有的合影记录了当年RE研究部所有成员。
很快,马自达的第一台转子引擎被研发出来,马自达将其名称改为RE(Rotaryengine),取代了wankel的命名,这台引擎型号为10A-8010。
10A采用双转子型设计,单个转子排量491cc,转子直径为60mm,造就了往后推出市面的主流转子尺寸。
10A的缸体采用铝合金砂铸,其铝合金经过碳化处理以加强刚性,为抗磨损,缸内更经过硬质镀铬表面处理;偏心轴采用昂贵的铬钼钢制成,转子本体则由铸铁制成,其顶端密封片则采用与缸体相同的碳化铝合金制作,综合以上技术,10A的连续运作时间成功地增加至400小时。
经过长年的研究,“恶魔的爪痕”最终被转子47士所击退。
1967年马自达的第一部实用性转子引擎量产车终于面世,它的名字叫MazdaCosmoSport
MazdaCosmoSport正式量产款上,搭载Mazda成功研发的量产化转子发动机10A。
事实上,CosmoSport是为了搭载转子引擎而特别开发的车型,从双A臂前悬挂与迪第安后轴(DeDion)构成的底盘开始,就都是全新的设计。
它所搭载的这款10A转子引擎,最大马力110匹,它的表现证明了Mazda开发转子发动机的成功,它是世界上首款成功实现实用并量产化的转子发动机。
1968年,Cosmo小改款,发动机改为马力为130匹的0813型10A发动机。
MAZDAR1001968~1973
Rotary Coupe/MazdaR100成为了Mazda第二台搭载转子发动机的车型。
与cosmo纯正跑车的定位不同,R100更加贴近家庭市场,采用familia(国内福美来323的前辈)底盘,并采用2+2布局,而R100的含义即为这辆车的马力达到100匹(77kw)。
配合913kg的车重,让R100的破百时间达到10.8秒,在70年代的算是非常不俗的成绩。
1970年第一台马自达RX车型发布,RX-2。
RX-2采用了一台全新的12A引擎,12A可以看做10A的扩缸版本,排量达到1146cc,最大马力120匹,让RX-2的百加成绩可以做到10秒多一点。
RX-2的发布正值70年代石油危机,人们对于油耗表现非常看重,而转子引擎在油耗方面始终是弱势,加之12A引擎依然未能彻底解决引擎的耐用性问题,易发生封口磨损导致漏油。
RX-2市场表现并不算出色。
但RX-2作为马自达RX车系开山始祖,其历史地位依然显赫。
1972年,RX-3发布,而10A系列的最后一款转子发动机0866则出现在MazdaRX-3Savanna上。
RX-3在性能上相对RX-2有所提升,轻量化的设计(864kg)让其获得了比RX-2更出色的推重比,RX-3在大赛上也取得了不错的成就,在房车赛上风头甚至胜过当年的SkylineGT-R,直到1976年RX-3赢得超过100场胜利。
RX-4和RX-3是同一时期的车型,不同的是RX-4体型更大,采用源自老929的底盘。
全面使用功率更大的12A转子引擎,车重达到了1188kg。
1975年cosmo也迎来了他的第二代车型,这台车在日本被成为cosmo,而在国际上名称则为RX-5,动力方面匹配1.1L的12A和1.3L的13B转子引擎,以及一台1.8LSOHC直4引擎。
诞生于80年代的第三代cosmo,采用当年经典的跳灯设计。
80年代马自达已经将转子引擎的重点转向RX-7,COSMO车系走向衰落。
动力方面也匹配12A和13B,并首次出现涡轮版本的12ATURBO转子引擎。
马自达RX车型真正迎来巅峰状态则要从RX-7开始谈起,而此前推出的COSMO和RX车型,只能算作RX-7成功之前的练手之作。
第三章MazdaRX-7成就转子引擎辉煌
1979年初代RX-7诞生,这台RX-7是作为RX-3的继任者身份推出的,因为RX-3头戴着无数赛事奖杯的光辉,RX-7也肩负着同样的使命。
MazdaRX-7SA/FB
应为定位于纯粹跑车,RX-7恢复了RX-3的轻量化设计,仅1000kg。
而动力方面则搭配100匹输出的12A和135匹输出的13BRE-EGI。
匹配13B引擎的RX-70-96公里每小时加速时间为9.2秒。
相比其加速能力,RX-7真正让人喜爱的则是其操控性能,拜轻量的转子引擎所赐,RX-7轻松达成了前后50对50的重量分布,并且拥有低矮的重心。
后轴采用了当年先进的四连杆悬架,并且带有瓦特连杆以改善车身侧倾,能让RX-7在定圆测试中达成0.779g的侧向加速度,这在当年非常优异。
RX-7在油耗方面也有不俗的表现,城市油耗为12.37L每百公里,而在高速上油耗表现仅为百公里8L出头,这一数值已经和当年同期的活塞引擎跑车相差无几,油耗问题已经不能成为转子引擎的劣势所在。
出色的外形,出色的动力,稳定可靠的质量,不错的油耗表现,都成为了让初代RX-7成为经典车型的理由,事实上转子引擎的辉煌正是从80年代开始。
初代RX-7获得包括caranddriver在内多家权威汽车媒体的肯定,RX-7一战成名。
MazdaRX-7FC
1986年马自达顺势推出了第二代RX-7,车型的命名不像过去RX车型那样数字继续递增下去,而将RX-7作为了这一车型独有的称谓。
这台RX-7代号FC。
这台车相信国内车迷非常熟悉了,日本国宝级漫画头文字D中,高桥凉介的座驾正是搭载13B涡轮引擎的RX-7FC3S
.
头文字D算是将日本的汽车文化带入了国内,虽然其中所表现的赛车驾驶技术有所虚构,但是其车辆的选择确实煞费苦心,堪称日本经典性能车的大杂烩。
RX-7车款多次出现在这部漫画中,足以看出RX-7在日本车坛的地位如何。
引擎方面,RX-7FC全面换装排量为1.3L的13B引擎,分为自然吸气和涡轮增压两种,自然吸气版本分为S4和S5两种动力版本,输出分布为109KW(146匹)和119KW(160匹)两种,而真正让FC强大的则是其涡轮增压版本,其中S5Turbo版本动力输出达到了202匹,驱动车身轻量的FC带来非常出色的动态性能。
FC的竞争对手锁定了当年保时捷944和924,因此在操控方面RX-7FC也在向保时捷看齐,包括 DynamicTrackingSuspensionSystem(DTSS)后轮转向系统出现在FC的多连杆后悬架上,带给RX-7更加出色的循迹能力。
RX-7FC3S使用的13BS5涡轮转子引擎,可以看到顶置的中冷器正好位于引擎盖进气孔的下方,短小的歧管设计带给13B涡轮机出色的响应性,配合转子引擎天生更加容易催动涡轮的特性,这台涡轮增压转子引擎足以列入日本十大铭机之列。
RX-7FC青出于蓝,其车型设计相比于上代车型更加优异,让其成为了赛事和车迷热衷的选择,即使到今天,仍能看到RX-7FC活跃在D1漂移赛等赛事中。
MazdaRX-7FD
时间进入90年代,日本高性能汽车迎来的井喷的年代,日本车企推出各自的高性能车型,出现百花齐放的局面。
马自达的旗舰车型RX-7FD于1992年发布。
第三代RX-7外形更加圆滑,更加注重空气空力学的效果。
车身尺寸相对上代车型更加宽大而低矮,配合更宽的前后轮距,让RX-7更加贴服地面,行驶更加稳定,成为弯道利器。
由上面的解剖图可以看出,RX-7FD的13B引擎几乎都落在了前轴之后,形成了FMR布局,使得RX-7FD的前后轴质量分布达到完美的50:
50。
这代RX-7的前后悬架也进行了大幅的升级,为前后双A臂式样,并且采用了更多的铝合金部件打造,FD有足够的资本列入90年代日本国宝级跑车的行列。
引擎方面,RX-7FD使用一台双涡轮增压的13B-REW引擎,初期引擎调教略微保守,仅255匹,从1993年开始,功率增长到280匹,这也是日系高性能车业内默认的最大马力数值,双涡轮的转子引擎带来更加出色的引擎响应能力,灵敏而线性的动力输出配合RX-7出色的底盘,让它成为了头文字D漫画中不可或缺的角色之一,是一台真正的山路魔王。
在速度与激情第三部《东京漂移》中,FD换上了一身定制的宽体套件,成为电影中的主角,足以看出RX-7FD在日本车坛中的地位。
RX-7FD在赛场上也显示出强大的威力,时至今日,RX-7FD依然活跃在赛场上,比如上图这台参加2010年GT3组别赛事的RX-7,最后夺取冠军。
RX-7甚至在80年代WRC赛场上也有过露面,并且以B组赛车的身份参赛,但那个4WD横行的年代,更适合公路行驶的RX-7不占有任何优势。
说起RX-7和转子引擎就不能不提到马自达的赛车787B,这台赛车以RX-7的底盘为基础,引擎为一台R26B四转子引擎,可以理解为两台13B双转子引擎合并而来,最大马力输出达到骇人的900马力,显示出转子引擎惊人的潜力。
787B在相当长的时间内活跃在包括勒芒在内的国际顶级赛事中,并取得了相当优异的成绩,因为转子引擎对应的组别为3.5L,而实际的动力输出却要高于同组别活塞引擎,FIA最终不阻止转子引擎参加勒芒赛事。
马自达RX-8
时间进入新千年,日系高性能车走过了最为辉煌的10年,RX-7昔日的对手包括GT-R,NSX,Supra相继停产,RX-7的历史也宣告终结。
03年马自达推出了RX-8,这台仅搭载自然吸气转子引擎的车子并未作为RX-7真正的继任者出现,而作为更低级的车型而出现,竞争对手从过去的GTR变为350Z,S2000,Z4这一层次。
虽然定位降低,但RX-8也并非毫无亮点,比如无B柱设计的四门对开设计,让后排座位更加实用,车身依然拥有良好的50:
50重量分配,前双A后多连杆的悬架设定,都让RX-8拥有相对于同级车辆中领先的操控能力。
RX-8获得了权威机构的认可,RX-8也首次正式进入中国市场,售价相对于它的竞争对手可谓低廉,当年售价仅30多万人民币。
但转子引擎维护难度大的问题很快在国内显现,因为国内汽修行业难以对于紧密的转子引擎,RX-8引擎一旦出现问题几乎就没有办法修好,让RX-8陷入尴尬局面,甚至有RX-8车主将转子引擎换成马自达自家马自达3MPS四缸涡轮引擎的情形出现。
转子引擎的未来
传言RX车系的继任者RX-9将不再使用转子引擎,转而使用四缸涡轮引擎,因为转子引擎限于先天结构,磨损的问题始终存在,导致耐久性始终无法与活塞引擎媲美,如果传闻变为现实,那么RX-8将成为最后一台搭载转子引擎的车型,成为绝唱。
结语:
转子引擎作为内燃机的一个细小分支,虽然设计精妙,但限于人类现有的制造工艺和材料技术,在从图纸转向实用的过程中,屡屡遭受打击。
得益于马自达在内这样用于探索和坚持的车企存在,转子引擎才有机会走到今天,并且创造了属于他自己的辉煌。
在新能源汽车成为汽车工业发展的热点的今天,转子引擎依然不能解决其油耗和耐久性方面的问题,这让他退出历史舞台成为了必然。
因此,转子引擎的历史就是一部充满辛酸的血泪史,他承担了太多人艰辛的付出,最后却黯然退出历史舞台。
谨以此文纪念这样一段让人尊敬,惊叹而又惋惜的历史。
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