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馬自達轉子引擎

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轉子引擎斷面

馬自達轉子引擎屬於無活塞迴旋式四行程內燃機的其中一種。自1961年2月27日日本東洋工業(現稱馬自達汽車公司)向德國NSU車廠(NSU是今日奧迪汽車〔Audi〕的前身之一)和菲力斯·汪克爾簽約取得汪克爾引擎的授權許可以來,即不斷投入人力心血改良開發,並以rotary engine(原文寫作「ロータリーエンジン」,轉子引擎之意,但常略稱為「RE」)稱呼之。目前最新量產上市的轉子引擎代號為13B-MSP型,原廠亦稱Renesis;至於下一世代16X型則因故尚未正式搭載於量產汽車上[1],原廠也暫無意願推出[2]

發展的開端[编辑]

豐田發展的試驗用轉子引擎

最初汪克爾所發明的汪克爾引擎專利權原是屬於德國NSU車廠擁有,雖然1960年1月19日汪克爾在德國工程師學會(Verein Deutscher Ingenieure,常縮寫成VDI)的會議上向世人公開發表這具無活塞迴轉式引擎的新發明,吸引了包括美國通用汽車(General Motor)、德國戴姆勒·賓士(Daimler Benz)和日本豐田(Toyota)等車廠的目光,但經過試驗發現量產實用化的困難度比預期還要高後,他們紛紛打了退堂鼓。

第二次世界大戰結束後,位於廣島市有一座幟町廣島和平紀念教堂((日文)幟町広島平和記念聖堂),其教會鐘樓的和平之鐘乃當時的德國總理康拉德·阿登納(Konrad Adenauer)贈送,於是透過康拉德·阿登納的這層關係與NSU車廠搭上線[3]。在1961年2月為了簽約取得專利授權許可,馬自達接受的苛刻條件如下[4]

  1. 10年的簽約金額為2億8千萬日圓,當時約可支付馬自達8,000位員工的一個月薪資。
  2. 馬自達必須無條件提供產品專利權給NSU車廠。
  3. 每一輛搭載汪克爾引擎的汽車上市後,須向NSU車廠交付權利金。

同年7月該公司指派8位技術人員遠赴當時位於西德的NSU車廠接受技術細節的培訓,其中包括後來被任命為「RE研究部」部長的山本健一。NSU車廠人員在運轉的汪克爾引擎上置放一枚銅板卻屹立不倒,向馬自達的技師們展示這具引擎的靜肅性。不過他們稍後卻發現運轉一段時間後,轉子室缸壁會出現轉子頂點菱封所造成的波狀磨痕;解決此問題才能正式實用量產化。1963年(昭和38年)馬自達成立「RE研究部」,並任命山本健一率領46位工程師研究改良汪克爾引擎。此47人後來被稱呼為「轉子四十七士」((日文)ロータリー47士),含有仿效赤穗四十七浪士不成功便成仁的意涵[5]。在此同時,因面臨乘用汽車進口自由化的壓力,日本通商產業省於1965年主動提出整併國內汽車界的構想。屈迫於這種被合併的危機,當時松田恒次社長提出「技術永遠是革新」((日文)技術は永遠に革新である)的口號,更激發RE研究部的決心。

惡魔的爪痕

由於汪克爾引擎的構造獨特,轉子以偏心圓的方式在橢圓形空間裡迴轉。為了讓它的三個面與缸壁之間保有一定的氣密性,其三個端點必須裝設一種由「菱封」(apex seal)與「角封」(corner seal)組成的的立體機構。菱封的作用類似活塞環,內部的彈簧片會配合菱封與缸壁間的空隙伸縮。經過日積月累的偏心圓運轉,菱封對缸壁會造成波狀刮傷(chatter mark,被戲稱為「惡魔的爪痕devil's fingernails」)。換句話說,改善菱封材質的進程儼然為汪克爾引擎的改良發展史。

馬自達最早期的轉子引擎

這個研究團隊經過不斷的測試發現,波狀磨痕的間隙與菱封固有震動數值相同,因此他們改變菱封的形狀,在接近頂端處橫向開孔,並在交叉方向另開一縱向孔,稱為交叉孔(cross hollow)菱封。實驗證實菱封與缸壁的共振頻率被改變,300小時內不會出現波狀磨痕,總算初步解決這個問題。接著1964年夏天日本碳素公司((日文)日本カーボン株式会社)開發出新碳素材料,馬自達遂以混入碳素的鋁合金材質取代原先的菱封材質。1967年5月上市的Cosmo Sport即採用碳鋁材質製成的菱封,成為世界上第一部將轉子引擎實用化的量產汽車。

1960年代起,美國洛杉磯盆地地區陸續發生空氣汙染而造成天空籠罩白灰塵沙,美國聯邦政府自1965年起實施汽車空氣污染管制法(Motor Vehicle Air Pollution Control Act of 1965)。因轉子引擎的構造特殊,產生的氮氧化物(oxides of nitrogen,簡稱NOx)很少,但相對地會增多碳氫化合物(hydrocarbons,簡稱HC)。為了順利通過最大市場美國的廢氣排放標準,馬自達採取「溫控反應器」(thermal reactor)將廢氣中殘餘的碳氫化合物混合空氣候再度燃燒,使得轉子引擎車種於1969年10月正式登陸美國市場。然而1970年12月美國國會又通過由埃德蒙·馬斯基(Edmund Muskie)提案、俗稱「馬斯基法案」的修正清潔空氣法(Clean Air Act Amendments of 1970),限制1975年後在美國銷售的汽車必須將碳氫化合物減少至現行十分之一以下。馬自達的技術人員立刻著手改良此一問題,並於1973年2月於美國市場推出油耗表現較佳、空氣汙染較輕微的REAPS(Rotary Engine Anti-Pollution System的縮寫)型轉子引擎搭載車款第二代Luce

除此之外,轉子引擎要克服的課題還包括油耗表現與低速扭力問題。先前量產的13B-REW型轉子引擎之進、排氣埠都是使用「外環氣埠」(peripheral port),造成混合的燃油與空氣在低轉速域間無法充分燃爆,甚至不易點燃。因此為了解決油耗表現與低速扭力的問題,馬自達自13B-MSP Renesis型開始將原本位於轉子外殼圓周的進、排氣埠移到側邊,稱之為「側邊氣埠」(side port)。另外,點火系統改為雙火星塞設計,提升燃油與空氣混合的點火效率。所以這些改良措施提高了轉子引擎的低速扭力表現,也解決了油耗問題。

馬自達開發的氫轉子引擎燃燒室斷面

1991年馬自達開發並測試了第一輛氫動力轉子引擎原型車,名為馬自達HR-X;1993年更發表了改良過的馬自達HR-X2。後來在2004年的底特律國際車展上,馬自達介紹了RX-8 Hydrogen RE(RE就是rotary engine之縮寫)概念車,這是一部氫氣及汽油雙燃料轉子引擎車。2006年2月時,日本國土交通省批准了RX-8 Hydrogen RE的租賃業務,馬自達生產了一批此型的RX-8交付給岩谷產業、出光興產等兩家公司使用。而在2009年4月,馬自達參加了挪威的HyNor計畫(在挪威首都奧斯陸至西岸沿海的Stavanger之間,打造一條580公里長的氫氣實驗道路,於沿途設置氫氣加氣站,以利氫氣動力車輛補充燃料),交付30輛氫氣燃料車進行實路測試[6]

搭載轉子引擎的馬自達車種[编辑]

歷年轉子引擎型號[编辑]

40A型[编辑]

馬自達發展出來的第一顆試驗用轉子引擎是40A型,排氣量386c.c.,轉子半徑90毫米、偏心量14毫米、深度59毫米。這是一顆非常近似NSU KKM 400型的單轉子引擎,卻只能連續運轉40小時,完全稱不上量產實用化。雖然此顆引擎未曾正式量產,卻幫助馬自達工程師迅速意識到兩個難題:轉子頂端的氣封刮傷缸壁而造成「惡魔的爪痕」(devil's fingernails),及因密封性不佳引起嚴重的油氣汙染問題。

L8A型[编辑]

L8A型轉子引擎

L8A型轉子引擎首先面世的時刻為1963年的第十屆全日本汽車展覽((日文)全日本自動車ショー,即現今的東京國際車展),翌年在同一個展覽會上隨著Cosmo原型車與世人見面。馬自達改以空心鑄鐵製造菱封,以改變菱封摩擦缸壁的共振頻率、消除震動,解決「惡魔的爪痕」問題。這顆引擎採用乾式油底殼潤滑(dry sump lubrication),轉子半徑為98毫米、深度56毫米。而這顆引擎也衍生出幾種亞型,做為試驗之用途:

  1. 單顆轉子:稱為0353型
  2. 二顆轉子:稱為L8A型
  3. 三顆轉子:稱為3804型
  4. 四顆轉子:稱為3805型,最大馬力160ps / 6,000rpm

10A型[编辑]

10A型轉子引擎

10A型轉子引擎是馬自達1965年正式量產、實用化的汪克爾引擎,分成數種亞型,但它們皆是491c.c. X 2雙轉子引擎,而且共同點是深度60毫米。缸體採用鋁合金翻沙鑄模,其鋁合金經過碳化處理以加强剛性。為了耐磨,缸内更經過硬質鍍鉻表面處理;偏心軸以鉻鉬鋼製成,轉子本體則由鑄鐵製成,其頂端的菱封與角封則採用與缸體相同的碳化鋁合金製作。

0810型[编辑]

第一具10A型轉子引擎是0810,重量141公斤,搭載於通常被稱作L10A的第一代Cosmo前期型上。轉子半徑105毫米、偏心量15毫米、深度60毫米;最大馬力110ps / 7,000rpm、最大扭力13.3kg·m / 3,500rpm[7]。此型引擎使用雙側面進氣口,且各轉子由四腔化油器之一供油。為了節省油耗,在低轉速的情況下只開啟一個進氣埠。其冷卻系統採用軸流式,已經和NSU原始的星形設計迥然不同[8]

使用車款:

0813型[编辑]

該亞型在1968年7月隨著第一代Cosmo Sports後期型登場,為了提升吸氣效率而改變排氣埠的正時,使得最大馬力提升至128ps / 7,000rpm、扭力峰值14.2kg·m / 5,000rpm。

使用車款:

0820型[编辑]

該亞型引擎使用於1968年6月以Familia車身為基礎的R100。為了降低製造成本,做了許多變更:缸體側邊改以鑄鐵、缸體本身從鋁合金翻沙鑄模改為一般鑄模、偏心軸改用鉻合金。排氣埠位置不變,但排氣道不再圍繞著轉子室。最大馬力為100ps / 7,000rpm,扭力峰值為13.5kg·m / 3,500rpm。乘坐5人時,從0加速至400米耗時16.4秒[9];不過降低成本的結果導致總重量從102kg增加至122kg。

使用車款:

  • 1968年-1973年:R100

0866型[编辑]

這是10A型的最後一個亞型,出現於1971年登場的RX-3。不同點在於轉子室空間採用新的塗覆工法,用噴霧方式塗上鉻,以延長轉子引擎的壽命。最大馬力105ps / 7,000rpm,扭力峰值達13.7kg·m / 3,500rpm。

使用車款:

13A型[编辑]

13A型雙轉子引擎排氣量為655c.c. X 2,是專門為了前輪驅動車所設計的,最大馬力為126ps / 6,000rpm,扭力峰值為172N·m / 3,500rpm。轉子半徑達120毫米、偏心量17.5毫米,但深度維持60毫米。另一個特點是,13A型裝置了水冷式機油冷卻器。此型引擎僅搭載於外銷版稱為R130的Luce Rotary Coupe上,從此以後,馬自達再也沒有推出過前置前驅的轉子引擎車款了。

使用車款:

12A型[编辑]

573c.c. X 2的12A型算是10A型的加長版,轉子半徑維持不變,但深度加大至70毫米,偏心量15毫米。最大馬力120ps / 6,500rpm、最大扭力16.0kg·m / 3,500rpm。此型引擎自1970年五月迄1985年,共生產了15年。由於採用新的技術工法和改良材料,轉子室缸壁更加硬化。同時,12A型也是第一具非西歐或美國地區生產,卻完成利曼24小時耐力賽的引擎。

為了符合汽車廢氣排放標準,早期的12A型和前述的0866亞型一樣裝置了溫控反應器(thermal reactor),接著1979年日本地區改成稀薄燃燒亞型(lean-burn),而1980年美國地區則加裝觸媒轉換器因應。1981年馬自達發表6PI亞型(6 port induction的縮寫),也就是利用氣門運作來控制進氣的系統。

  • 稀薄燃燒(lean-burn)使用車款:

12A型渦輪增壓[编辑]

第三代Cosmo搭載的12A型渦輪增壓引擎

此類引擎是12A的最終版本,搭載於第四代Luce、第三代Cosmo和第一代RX-7上。供油系統為半缸內直噴技術,同時可為兩顆轉子注入燃油;且安裝了被動式爆震感知器,可消除引擎爆震。最大馬力可達165hp / 6,000rpm、最大扭力23.5kg·m / 4,000rpm,不過這顆渦輪增壓轉子引擎的油耗也很驚人。

使用車款:

12B型[编辑]

1974年問世的12B型生產時間很短暫,主要搭載於RX-2和RX-3上。拿它跟10A型和12A型相較,其穩定性比較高,且使用單配電盤(10A型和12A型皆為雙配電盤)。

使用車款:

13B型[编辑]

13B型的轉子特寫

此型轉子引擎是馬自達迄今產量最多的,生產周期已經超過卅年。13B型跟13A型沒有任何關係,反而是12A型的加長改良版,轉子深度80 毫米,排氣量為654 c.c. X 2。此型引擎從1972年的RX-4一直使用至2002年的RX-7,可分成許多亞型:

13B-AP型[编辑]

AP」即為anti-pollution的縮寫,為了因應當年各國政府制訂日趨嚴格的汽車廢氣排放標準,特別改良其廢氣排放,且在車名後頭加上「AP」。

使用車款:

13B-RESI型[编辑]

RESI」取自於「Rotary Engine Super Injection」的縮寫,此型引擎搭配了首次獲得改良的進氣系統,藉由開、閉進氣埠時在雙層集氣箱內所產生的海耳姆赫茲氏共振(Helmholtz resonance)達到類似機械增壓的效果。此亞型引擎亦採用Bosch公司的L-Jetronic燃油噴射系統,最大馬力135hp、扭力峰值180N·m。

使用車款:

13B-DEI型[编辑]

此亞型引擎同時具有6PI與DEI可變氣門系統,且裝置了四噴油嘴式電子燃料噴射裝置。最大馬力達146hp / 6,500rpm,最大扭力187N·m / 3,500rpm。

1986年出現渦輪增壓的13B-DEI型,安裝更新穎的四噴油嘴式電子燃料噴射裝置,卻去除了可變氣門系統。1985年至1988年的雙廢氣入口渦輪增壓器採用二段機械式排氣閥,1989年開始採用改良過的渦輪增壓器,以分開的多頭管驅動雙廢氣入口結構。

自然進氣型使用車款:

渦輪增壓型使用車款:

13B-REW型[编辑]

13B-REW型除了自然進氣版本外,另採序列式雙渦輪增壓系統(sequential twin turbocharged system),並降低壓縮比,使得最大馬力達255ps / 6,500rpm,最大扭力30.0kg-m / 5,000rpm。不過此亞型轉子引擎常被訛稱為「13B-RE」,因為在進氣歧管外觀上鑄了這幾個字樣。另外,此亞型引擎最重要的特點為:第一是重量輕,本體淨重僅81公斤,加上渦輪系統、進氣冷卻器、進排氣歧管、發電機等元件後的總重量才148公斤;第二是馬力大:譬如RX-7 FD發展到1999年的後期第五型,最大馬力已提升至日本車廠馬力自主上限的280ps了。

雖然第三代RX-7和Eunos Cosmo都搭載這具含序列式雙渦輪增壓系統的13E-REW型轉子引擎,但兩者的渦輪尺碼不同:

  1. RX-7 FD採用兩顆日立HT-12型渦輪,一開始先將所有廢氣集中在第一顆直徑51mm的小渦輪,使該渦輪在低轉速時(約1,800rpm)作動,減少渦輪遲滯(turbo lag)的現象。當接近第一顆渦輪的最大工作轉速時,廢氣開始被導入第二顆直徑57mm的大渦輪;一旦引擎轉速達到其作動範圍(約4,000rpm),所有廢氣被集中在此渦輪而全力作動。
  2. Eunos Cosmo採用一大(日立HT-15型)、一小(日立HT-10型)的雙渦輪,作動原理同上段所述。

使用車款:

  • 1990年-1996年:Eunos Cosmo,最大馬力230ps / 6,500rpm,最大扭力30.0kg-m / 3,500rpm
  • 1991年-1995年:Ẽfini RX-7,最大馬力255ps / 6,500rpm,最大扭力30.0kg-m / 5,000rpm
  • 1996年-1998年:Ẽfini RX-7,最大馬力265ps / 6,500rpm,最大扭力32.0kg-m / 5,000rpm
  • 1999年-2002年:RX-7,最大馬力280ps / 6,500rpm,最大扭力32.0kg-m / 5,000rpm

20B型[编辑]

Eunos Cosmo搭載的20B型引擎

此亞型引擎乃自13G型演變而來,而13G型為1985年馬自達757參加利曼24小時耐力賽所使用的三轉子引擎,最大馬力450ps / 8,500rpm。接著1987年11月767取代退役的757時,馬自達將13G型更名成20B型,且將原本的外環氣埠(peripheral port)設計改良成新型的側邊氣埠(side port)。

20B-REW型是馬自達唯一量產化的渦輪增壓三轉子引擎,且僅使用於Eunos Cosmo。它的排氣量是654c.c. X 3,壓縮比9.0:1,渦輪壓力0.7 bar(70 kPa),可榨出280ps / 6,500rpm的馬力、41.0kg·m / 3,000rpm的扭力。

使用車款:

  • 1990年-1996年:Eunos Cosmo,最大馬力280ps / 6,500rpm,最大扭力41.0kg·m / 3,000rpm

13J型[编辑]

馬自達開發的第一顆賽車用四轉子引擎13J型出現於1987年JSPC全日本運動原型賽車耐久錦標賽的最終役「富士500公里錦標賽」,搭載於以馬自達757延長軸距而來的757E原型賽車上。翌年出現改良版的13J-M型(M即為Modified修改之意),搭載於參加C組賽車系列賽裡利曼24小時耐力賽的767,最大馬力550ps / 8,500rpm。隔年更發展出可變進氣系統的13J-MM型,最大馬力630ps / 9,000rpm,但是13J型的先天體質設計不佳,後來被26B型取代。

R26B型[编辑]

R26B型轉子引擎

四轉子引擎R26B型用以取代前述的13J型,基本上是將兩具13B型雙轉子引擎連結在一起,採外環氣埠(peripheral port)設計,但每個轉子都附有三個火星塞。1991年搭載R26B型引擎的787B贏得利曼24小時耐力賽的綜合優勝,是第一部日本車廠製造,也是第一部搭載轉子引擎的賽車獲得此項殊榮。總排氣量為2,616c.c.(654c.c. x 4),可產生最大馬力700hp / 9,000rpm,峰值扭力54kgm / 7,500rpm。

13B-MSP Renesis型[编辑]

Renesis型轉子引擎

搭載在RX-8上的轉子引擎被原廠稱為Renesis,事實上仍以13B型為基礎,加以改善燃油效率與降低零件損耗,故開發代號稱作13B-MSP型。其中「MSP」為「multi side port」的縮寫,表示該具引擎將進、排氣埠位置轉移到側邊外殼上。13B-MSP型自13B-REW型的自然進氣版本進化而來,除了承襲前代體積小、輕量化優點外,也將進、排氣埠改到側邊外殼上,以便改良空氣汙染的問題。因為13B-REW型的進、排氣埠設於轉子外殼上,產生重疊角,導致混合油氣燃燒不完全而造成嚴重的空氣汙染。

再者因轉子三個頂點的菱封氣密性不佳,導致低轉速的扭力過弱,所以13B-MSP型的壓縮比提高到10.0:1,以提高低速的扭力。另外,特別將菱封材質經過熱處理強化來解決氣密性這個問題。在引擎的潤滑工作上,13B-MSP型的機油槽向外延伸,並設計折流板以限制機油移動,並加高偏心軸位置以潑灑攪拌機油,使得潤滑度大幅精進,提高其耐用度。這具轉子引擎曾於2004年、2005年間連續獲得華德十大最佳汽車引擎的殊榮,亦曾於2004年5月獲得日本機械學會頒贈之獎章。

使用車款;

  • 2003年-2012年:RX-8,250ps
RSC 26BDS-TT型[编辑]

德國轉子超級跑車公司(Rotary Super Cars)採用兩具馬自達13B-MSP型之部分元件,加以改造成四轉子引擎[10],排氣量2,600c.c.,稱呼為RSC 26BDS-TT型引擎。搭配八速變速箱,按自然進氣、RS單渦輪增壓系統及雙渦輪增壓系統調校出三種動力:

  • GT-S車型:500hp
  • GT-RS車型:800hp
  • GT-RSR車型:1,200hp,可於3秒內加速至100km/hr

16X型[编辑]

16X型於2007年隨著概念車大氣對外公開,目前僅知排氣量擴大成800c.c. X 2、轉子室空間的寬幅縮減、側邊外殼由鋁製成、採用缸內直噴技術等[11]。2013年11月新上任的第15任社長小飼雅道‎接受美國Automotive News訪問時明確表示:「目前暫時沒有推出轉子引擎的計畫,一旦採行,它必須是可行的方案,而且每年至少有10萬輛的銷售量,才有可能讓公司保持獲利。」[12]

內部連結[编辑]

外部連結[编辑]

參考資料[编辑]