转子引擎复活这一次被马自达用在增程式电动车型上

2019-10-09 作者:责任编辑NO。谢兰花0258 责任编辑:责任编辑NO。谢兰花0258

文/张一

马自达对转子引擎是有感情的,在上世纪70年代到90年代,马自达在赛车场上取得的一系列辉煌几乎就是一部转子引擎的功勋史。但后来的事情我们都知道,转子引擎的风光其实没能持续多久,先是被勒芒耐力赛官方禁赛,而后转子引擎因为保有量小,维修费用高等原因停产……

不过,如今随着马自达的EV车型计划,转子引擎很可能在不久的将来再次回归大众视线。即将在今年10月底亮相的马自达首款EV新车型(或将被命名为马自达e-TPV)将有两个版本,一款为纯电驱动,动力系统将拥有105kW(143Ps马力)的最大功率和265N.m的扭矩,搭载一块容量为35.5kWh的锂电池组。

另一款为增程式电动车型,其增程引擎即为一台转子引擎。其实当年转子引擎被停产,简单说主要有两个原因,一是排放差油耗高,二是可靠性低不好修。这些是转子引擎自身的工作特性导致的。

但大家知道,一件事物往往缺点越大,伴随的通常就是它在其它某些方面有着寻常无法企及的优势,转子引擎即如此。首先我们理一理传统活塞式引擎(也就是我们大家现在常见的汽车引擎)和转子引擎的不同。

传统活塞式引擎输出动力的大致工作流程是,点火-气缸内的可燃气膨胀力推动活塞运动-曲柄连杆机构把活塞的的往复直线运动传递给曲轴,转化为旋转运动。

而转子引擎的燃烧室(不能称之为“气缸”)是椭圆形的——这和传统活塞引擎的气缸不一样,燃烧室里面有一个旋转的转子,转子的形状是三段圆弧组成的类似于等边三角形的形状,转子内直接通过齿轮与中间轴(即输出轴)啮合,转子不断地做离心运动。

而在三角转子运转的过程中,转子的顶角把汽缸分成三个独立空间,其中一个空间的混合油气被点燃爆炸的时候,就会把三角转子向反方向推开,这个时候第二个空间顺势完成排气,而第三个空间完成进气,周而复始。换句话说,三角转子自转一周,引擎点火做功三次,转子引擎的转速和效率绝不是普通活塞式引擎可以相提并论。一般来说,1.3L的自然吸气转子引擎,就可以达到3.0L自然吸气V6引擎的动力水平。

另外,在转子引擎内,三角转子转动时,以三角转子中心为中心的内齿圈与齿轮的齿数比为3:2,且内齿圈始终都是以两者的接触点为中心旋转,所以旋转半径是内齿轮的3倍,由于这种运动关系,输出轴的转速会是三角转子自转速度的3倍。举个例子,如果转子引擎的输出轴转速达到15000转,三角转子的自转速度只需要达到5000转即可,而往复式活塞引擎曲轴转速要达到15000转,活塞则要进行往复运动30000次。

好吧,上面的内容可能不太好理解,那我们简单归纳下来就是:首先,相比传统活塞式引擎,转子引擎可直接将可燃气的燃烧膨胀力转化为驱动扭矩。取消了曲柄连杆机构,导致了引擎机构大为简化,零部件也减少了,体积和重量都得到了很好控制。

其次,由于转子的结构特性,其转速能够轻松飙升到10000rpm以上。且转子旋转时的圆形运动幅度比传统火活塞引擎更加平顺,扭矩输出也更均匀,同时由于没有气门、凸轮轴、摇臂、正时系统等这套噪音源机构,震动和噪音也比较好控制。

浓缩成一句话就是:转子引擎体积小,结构简单,利于高转速输出,扭矩输出更均匀。不过最要命的事情在于,一辆车不是任何时候都能处于一个完美工况,走走停停,转速的频繁变化——尤其是起步,对于转子引擎来说都会产生很大的负荷。这一点和阿特金森引擎尤其相似,不过阿特金森引擎得优势是,在中高转速区间内,转速的变化对于阿特金森引擎引擎基本上没什么影响。

基于这一特性,阿特金森引擎可以在HEV和PHEV上直接通过机械结构驱动车辆行驶,但转子引擎不行。其实从根本上看,阿特金森引擎也可以作为增程电动车上的增程器来使用,那么马自达为啥依然选择转子引擎?情怀?当然不是。

如果作为一台增程引擎,转子引擎的优势简直太完美。第一是体积小可以方便整车布置,给电池、电驱系统留更多空间;而高转速大功率以及扭矩均匀输出特性,则有利带动发电机给电池组供电。最重要的是,在同等体积下,阿特金森引擎的功率输出无法和转子引擎相提并论。

传统的REV增程电动车都会有这样的问题,即增程引擎介入的时候,可以保证行驶,但频繁状态下加速持续性将大打折扣——这主要受限于驱动电机供电不足。而依照转子引擎的特性,绝对可以做到同时给电池充电的同时,还能保证“一脚油”随踩随到。发电机直接带动驱动电机的时候,转子引擎的动力可以在“充电-驱动”两种状态下自由分配——“油门”踩狠了,大部分电力用于驱动电机,充电电能减弱。反过来,大部分电力用于充电,少部分电力用于驱动……不管什么状态,转子引擎都处于一个理想的恒定转速区间。

我们或许可以这样来看,转子引擎是阿特金森引擎的高功率解决方案。相对于普通阿特金森引擎,搭载转子引擎的REV增程电动车,可以选择输出更高的驱动电机——这才符合马自达对于一辆REV增程电动车的运动性期待。

其实此前,网上曾爆出过马自达一份前驱布局的增程式混合动力系统专利图,在这份图中,可以看出前桥为电动机,车身后部依次为内燃机、发电机、油箱及逆变器。

图中编号为9的内燃机正是一款转子引擎。在电池组电量不足时,这台转子引擎将点火运转、带动发电机发电,电能通过逆变器输入电池组,从而为电池组充电。另外,和这份前驱布局的增程式混合动力系统专利图一起,马自达还曾申请过一项转子引擎停机控制系统——可以在转子引擎停机后通过发电机反向驱动转子到合适的“停机位置”,以保证进气道的隔绝,防止燃油、机油和尾气进入进气道当中。

如果这项技术能够成功应用,那么转子引擎在高转速工况,油气混合气体来不及完全燃烧,被排出缸外的现象或许可以得到有效避免。如果排放和油耗能得到有效优化,那转子引擎将是具有真正运动性的REV增程电动车的最佳选择——没有之一……

早之前奥迪的一款增程式电动车型A1 e-tron也曾使用一台排量为0.254L的转子引擎,其动力系统布局和马自达的方式类似。也是转子引擎的增程器在后备箱位置,电池和一个12L的油箱放置在底盘中后部,电动机位于前引擎舱内。而奥迪之所以选择转子引擎做增程器的理由,主要也是看重了转子引擎体积小、升功率高等特点。

其实,如果转子引擎仅仅作为一台增程器为电池组供电的话,在工况可以控制在相对单一的范围内,针对转子引擎排放、可靠性等方面的优化工作可以更好的进行。所以,对于马自达e-TPV这款增程式电动车型我们或许真的可以期待一下。

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