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作者:徐業良(2002-01-21);推薦:徐業良(2001-01-21)
附註:本文發表於汽車購買指南雜誌,2002年五月號,史丹福專欄。

汽車工業中的“異端”—轉子引擎又回來了?!

馬自達的RX-8明年初將正式量產上市。

Mmmm,馬自達推出新車,很特別嗎?

特不特別,要看您從那個角度看一部新車囉!RX-8是一部轉子引擎的車子。

前一部轉子引擎的量產汽車也是馬自達的車子,您答對了,RX-7,大約是1995年的事情,七年之後,當所有車廠都把心力放在電動車、燃料電池車的開發時,馬自達以RX-8提醒全世界的汽車迷,轉子引擎還沒死哦!

汽車工業自亨利福特以來,就講究標準化、大量生產,也是自亨利福特以來,往復式活塞引擎便一直是汽車引擎的標準機械形式。轉子式引擎則一直是汽車工業中的“異端”,其優雅、簡單的動作與構造,深受機械迷、汽車迷的喜愛,還一度鬧起“革命”,幾乎有機會扳倒大巨人,取代往復式活塞引擎,成為汽車引擎的標準。

RX-7RX-8的故事相信許多新車介紹的文章都提過了,這個月的史丹福專欄想跟大家談一談這個汽車工業中的“異端”,迷人的轉子引擎。

轉子引擎其實也是一個標準的內燃機引擎,進氣、壓縮、點火、排氣,四個衝程動力產生的原理和標準的往復活塞式內燃機引擎完全相同。您如果瞭解活塞式引擎動作原理的話,可能就知道活塞式引擎整體搭配相當複雜,曲柄帶動活塞前後移動,搭配進排氣閥門適時開啟閉合來吸氣與排氣,點火系統也得配合準確點火產生動力,四個汽缸的動力衝程還得互相搭配,才能產生平順的動力輸出,一具四汽缸活塞式引擎至少需要四十個搭配精準的運動零件才行。

相對的,轉子引擎的構造就簡單許多,主要的運動零件只有一個偏心式的轉子在一個氣室中心轉動,取代了往復式引擎中所有活塞和汽缸。搭配著圖形來看,所謂“轉子”是一塊三角形的金屬零件,這個三角形轉子在曲線設計巧妙的氣室中轉動時,把器室分割成三個區間。

1. 轉子引擎動作示意圖[http://www.monito.com/wankel/rce.html]

三個區間中第一區間空間比較大,是屬於四個衝程中進氣的部分。轉子引擎的進氣口就只是氣室壁上的一個固定開口,不需要任何閥門、凸輪、挺桿、凸輪軸、正時皮帶之類的零件,轉子轉入此區間吸進油氣混合氣,而尖端掃過進氣口後,吸入的油氣混合氣便自然被封閉起來壓入第二區間。第二區間的空間遠較第一區間的空間小,油氣混合氣隨著轉子旋轉轉入這個區間的過程也自然被壓縮,而火星塞也就是裝置在此區間中心,直接被轉子帶動點火產生動力,推動轉子繼續轉入第三區間。第三區間的空間也漸漸變大,屬於膨脹、排氣的衝程,同樣是由氣室壁上固定的排氣口排氣。轉子引擎便是靠著這個轉子單一方向連續的旋轉運動,產生四個動力衝程。

Mmmm,轉動一圈便完成了四個衝程,您是不是也覺得轉子引擎的動作遠較往復式活塞優雅而簡單呢?!

往復式活塞引擎每一個衝程的動作都是明確分離的,轉子引擎卻把四個衝程混合在三個區間內連續地發生,而且一個轉子、一個氣室,卻有好幾個衝程同時在動作。簡單的說,轉子引擎最大的優點,也就是其能以更輕、更簡單、更小型化的設計,完成同樣的內燃機動力程序,省去了許許多多的運動零件,同樣排氣量的轉子引擎,動力輸出會是活塞式引擎的兩倍。而單方向連續旋轉的動作和較長的動力衝程,也使得轉子引擎遠較採用往復的移動動作、僅有四分之一動力衝程的活塞式引擎更為平順,轉速也可以提得更高。

如果您不太熟悉RX-7RX-8的故事,舉幾個數字給您聽聽,RX-8的引擎的規格是,排氣量1.3,最大馬力250匹∕8500轉。

和您熟悉的數字不太一樣吧!RX-7的轉子引擎有渦輪增壓才能達到250匹馬力的數字,RX-8則是完全自然進氣的引擎,重量比RX-7的引擎還輕了30%,體積也更小,號稱是有史以來動力密度(單位重量可以產生的動力)最高的引擎。

既然轉子引擎這麼好,為什麼至今仍然沒有取代活塞式引擎,成為汽車引擎的主流呢?

其中原因可以從兩方面解釋,首先,轉子引擎當然還是有一些缺點的。轉子引擎愛好者專為轉子引擎設立了一個網站(http://www.monito.com),其中提到轉子引擎有三個主要缺點,第一個缺點是前面提到轉子火星塞引擎點火的第二區間十分細長,火焰得要走一大段路才能將油氣混合氣完全燃燒,燃燒的熱效率較差。不過馬自達RX-7的轉子引擎採用雙火星塞點火,有的跑車車款甚至用三火星塞,已經改進了這個問題。這個網站上舉出轉子引擎的的第二、第三個缺點,是“在無知的設計上(in naive designs)”,轉子引擎比較耗油,且一氧化碳排放較高。對於耗油性方面的缺點網站上也同時提出辯護,表示這只是從1973年石油危機後反轉子引擎者對轉子引擎貼上的標籤,事實上RX-7和同級車相比耗油性已經不相上下了。另外馬自達也宣稱RX-8的轉子引擎比前一代更加省油,而且既然要量產上市,當然得符合所有嚴苛的廢氣排放標準。

所以轉子引擎的缺點,似乎不是這麼致命或者難以改進(想一想電池驅動的電動汽車,或是國內最近被環保署取消補助的電動機車)。轉子引擎沒有能夠取代活塞式引擎成為汽車引擎的主流,第二個原因便是,要取代一個已經成為標準的技術,實在是太難了。事實上現在汽車工業界投注了數以十億計的研發經費在電動車、燃料電池汽車的研發上,轉子引擎提供了一個足供警惕的好故事,為何這樣一個絕佳的科技卻沒能滿足大家的期待。

這中間有些有趣的歷史故事,二十世紀初期,德國是機械工業強國,出了好幾位機械天才,轉動式活塞引擎的概念便是在1927年一位當時年僅二十六歲的德國機械天才Wankel先生發明的,1929Wankel先生獲得了這項專利,1936Wankel先生又獲得了DKM轉子引擎的專利,所以轉子引擎也常被直接叫做“Wankel engine”。納粹統治德國和二次大戰的期間,轉子引擎並沒有受到重視,Wankel先生甚至還被關過兩次(戰前被納粹,戰後被法國)。不過Wankel先生始終沒有放棄轉子引擎的研究,直到1951年德國一家叫做NSU的製造廠看到了Wankel先生的工作,轉子引擎才開始有真正的生命。1957年,Wankel先生獲得專利二十一年後,才有第一具DKM型轉子引擎原型運轉測試,有21匹馬力輸出;1958NSU公司又做出了第一具KKM型轉子引擎,現代的轉子引擎都是屬於KKM型;1961NSU公司推出第一部使用轉子引擎的量產汽車Prinz,開啟了工程師對轉子引擎無限的想像。

接下來1960年代到1970年代初,是轉子引擎大紅大紫的年代。這裡有個時代背景必須要瞭解,60年代是追求動力的年代,噴射機取代了螺旋槳飛機,汽車尾翼一個比一個翹得高,駕駛人對性能的飢渴遠遠超過對省油性的要求。NSU公司轉子引擎在當時被認為是內燃機引擎革命的下一步,在轉子引擎熱潮極盛時期,各家公司生產的使用轉子引擎產品包括摩托車、遊艇、飛機、甚至割草機。

汽車方面的發展,NSU接下來又推出了一款搭配轉子引擎的Ro80轎車,當時美國的大汽車廠通用汽車和“American Motors”都有在量產車上採用轉子引擎的計畫(雖然計畫始終沒有實現)。日本馬自達汽車廠的前身“Toyo Kogyo”也是在此時發現了轉子引擎的未來性,在此時加入了轉子引擎的發展。1969Mercedes也著手發展一系列跑車,原型車測試時最高時速可以跑到180英里。轉子引擎在歐亞美三大洲都蓬勃發展中。

在那個節骨眼,看起來轉子引擎就快要扳大巨人,取代長久以來汽車工業的標準活塞式引擎。但是大巨人實在太大了,’50年代末期NSU開始對轉子引擎感興趣時,全美國活塞式引擎的數量已經超過抽水馬桶的個數,背後代表的使用者的習慣、既有的商業利益、和汽車業者在活塞式引擎上的投資等等阻力,大到無法想像。造成轉子引擎發展完全停頓的直接原因,則是1973發生的能源危機,整個汽車引擎研發的方向頓時從性能追求一百八十度轉向到省油、低污染,以高性能見長的轉子引擎還來不及改善其耗油和廢氣排放的缺點時,批判這兩項這兩項缺點的聲音便已經被高度放大,轉子引擎也就幾乎被判了死刑,所有車廠發展轉子引擎相關的program紛紛被取消,轉子引擎好不容易建立的脆弱的研發基礎完全崩潰。

只有馬自達仍然堅持到底(或者說只有馬自達是轉子引擎真正的信仰者?),此後三十年來仍然持續發展轉子引擎車,維持著轉子引擎技術的香火,也藉著製造轉子引擎車參與世界各地賽車,凝聚著一批轉子引擎的信仰者。更重要的是,這三十年的時間,馬自達有機會能夠持續改進轉子引擎的省油性、可靠性、和廢氣排放,RX-8的一項重要意義,便是馬自達向世人宣示他們的信仰沒有錯,轉子引擎性能比活塞式引擎更為優異,且同樣可以滿足相同標準的省油性、可靠性、和廢氣排放。

您說,這“持來的正義”是不是有點太遲了?現代汽車動力追求的是極低廢氣排放(ULEV),甚至是零廢氣排放(ZEV),新能源取代汽油引擎似乎是不得不然的趨勢,即使馬自達證明自己的堅持是對的,也不會有哪家車廠會回頭再發展轉子引擎…

汽車用乾淨的新能源中最受矚目的是氫燃料,氫燃料主要是提供燃料電池車輛發電之用,活塞式引擎並不能直接使用氫燃料。然而最近許多研究發現,由於轉子引擎的進氣區和燃燒區是分開來的兩個區域,使得轉子引擎特別適合使用氫燃料,馬自達已經有使用氫燃料的轉子引擎了,七年後下一部轉子引擎車(RX-9?)如果是使用同樣四衝程燃燒原理,但是使用氫燃料,排放出來的廢氣只有水蒸氣,您可不要過份驚訝。

看起來,轉子引擎不但沒死,可能還有機會找到自己的一片天了呢!