1957年德国工程师汪克尔发布了世界上第一台转子发动机。这种发动机在工作原理和结构设计上的创新都是革命性的。其优点非常明显,结构简单重量轻,运转平稳功率高。但苦苦摸索了30多年后,人们才逐渐意识到转子发动机的缺点是难以突破的结界。
转子发动机的原理独特,结构上有先天优势
转子发动机是四冲程发动机,也需要进气、压缩、做功和排气四个过程。只是工作方式非常特别,通过三角转子在缸体中旋转实现。中间的小齿轮固定在缸体上不旋转,转子内部的齿圈与之啮合。通过齿轮的啮合和缸体的轮廓线,使转子保持自转和公转,然后通过偏心的主轴输出。
转子发动机有如下特点:
1、转子发动机主轴每旋转一圈,各个燃烧室点火一次。而普通活塞式内燃机曲轴旋转两圈,各个燃烧室点火一次。
2、三角转子本身就做旋转运动。直线运动的活塞还要通过连杆和曲轴转换出旋转运动。而且,活塞直线往复运动有很大的惯性,这是发动机振动的重要来源。
3、转子发动机不需要专门的进、排气机构,利用转子的侧面就可以控制进/排气口的开关。而普通发动机需要复杂的配气机构和气门正时。
以上特点就使得转子发动机输出功率高、转速高、运转平顺而且结构简单体积小。1957年第一台原型机的排量为125cc,最大功率达到25马力,最高转速超过17000转/分。对比之下,现在的125发动机大约只有11马力。
潜力无限前景诱人,全球研发热潮下英国人保守观望
转子发动机无限光明的前景掀起了一股技术浪潮,奔驰、保时捷、通用、丰田和日产等主流厂商纷纷购买专利授权投入研发。潮流席卷之下,好像没跟上就会被淘汰。国内高峰时期也有大大小小152家单位进行研制。然而英国人却格外淡定,他们选择保守观望甚至无视,全英只有两家公司去拿专利授权,其中一家便是劳斯莱斯。
劳斯莱斯要研制技术难度最高的柴油转子发动机,然后将其装备在空降坦克和空降装甲车上。研发的终极目标是体积小、功率高、油耗低,能用多种燃料。
劳斯莱斯自称用最优雅的方式,解决最困难的问题
柴油转子发动机、二冲程柴油发动机、V12风冷柴油机,烧柴油的机器容易走上邪门歪道。劳斯莱斯在军方合同的指引下,一干就是六年,也在技术弯路上越走越远······
燃烧室密封困难,机体零件磨损大,燃烧和排放条件差,这是转子发动机的通病,但并不是柴油转子发动机最困难的问题。普通柴油发动机将大量的空气压缩产生高温,然后喷入雾化的柴油实现燃烧。这就需要很高的压缩比,大致范围是14-22。而转子发动机由于几何轮廓的结构原因,压缩比通常只有8-11,根本达不到柴油着火温度。再加上燃烧室又扁又长,散热面积很大,损失热量更加不利。
这时,英国人灵机一动,空气压缩一次不够,那就再压缩一次。劳斯莱斯骄傲地提出了两级压缩的方案。即一个转子仅仅作为压气机用,不点火做功,高压空气充入另一个转子,再压缩一次后燃烧做功。在1970年的《AutoCar》相关文章中,他们自称这是最优雅的方式。如果不这样做,就要把转子做得非常庞大笨重。
样机如下所示,你猜哪个转子仅仅用作压气机?
下方较大的转子是压气机,它和上方的转子有固定的转动关系,增压是间歇性一阵一阵的。
从基础理论研究出发,他们提出30种燃烧室方案,6种喷油器方案,选择了100多种排列组合进行试验。最终的成品是2-R6,最大功率350马力@4500转/分,整机重量426公斤。现在玉柴350马力轻量化重卡发动机YC6L350-42的重量是780公斤。
公司要破产,技术太超前,双转子奇葩凋零
虽然劳斯莱斯把原型机造出来了,但是进度不到整个项目的一半,就此终结。一方面劳斯莱斯公司因为RB211喷气式发动机研发失败破产,1971年被政府接管并国有化。另一方面反坦克导弹在战场中的犀利表现,让英国人重新审视空降战车项目,配套的柴油转子项目自然砍掉。
从技术上说,柴油转子发动机的方向是可行的,但是当时的技术还支撑不起该项目。从电控高压共轨燃油喷射,到层状进气燃烧,再到合金材料和工艺方法,这些都还欠缺。即使是现在的柴油转子发动机,为了稳定燃烧,不得不使用一个1300°C持续发热的电热塞(类似于点烟器)。工作转速也高达5000-11000转/分,这对电控喷油系统都是极大的挑战。普通柴油机1200-1700转/分是输出最大扭矩的常用转速。而一万转的柴油机,就问你怕不怕?
热潮退去转子引擎降温,除了情怀还留下什么?
虽然马自达的转子发动机最出名,商品化也最成功,但是累计销量超过200万辆的RX系列跑车也黯然离场。马自达对转子发动机的偏执被许多车迷视作情怀。目前转子发动机在工业和军事领域仍有市场,在这方面投入最大成果最多的是美国。大到3000马力的柴油转子机,小到排量只有10ml的超微转子机。转子发动机领域比我们想象的精彩,并非只有马自达独步天下。
转子发动机并没有成功取代往复式内燃机,知道结果再去鄙夷技术先驱,显然是马后炮。劳斯莱斯在未知中用双转子探索柴油压燃,正如在黑暗的山洞中摸索出口,走过了才知道通不通。