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▲ 转子引擎跟活塞引擎一样有进气、压缩、动力、排气四个动作。不同的是,一个转子有三面,转一圈就完成三次循环。

  马自达RX-8是继日产350Z后,另一部有世界级叫座力的日本跑车。它可以真正坐4人,轻松慢开可当一部代步车来用,快跑起来一至四档也可让你感受8千转以上的疯狂,内外设计细致优雅,又有正宗跑车驾驶味道。这里并不是介绍它这款车的性能,而是着重介绍它的引擎--世界上著名的转子引擎!

  罗马不是一天造成的

  我一直在想,MAZDA这颗RX-8用的转子引擎说穿了依旧是从RX-7改良过来的,如果直接讲这中间的改良会有几个问题。首先就是差异不大,不管MAZDA如何宣传,说真的,要在一代的间隔内让转子引擎有突飞猛进的进展,你我都知道不可能。第二就是篇幅太短,如果不加上一些打混摸鱼的虚字,可能连一页的版面都充不了。第三个问题就是:“看不懂!”,直接讲RX-8的转子引擎改良了哪些东西,除非你原本就对RX-7那颗转子引擎滚瓜烂熟,要不然本篇文章将会像中文天书一样,大家有看没有懂,那除了表示该编辑好像很厉害外,对读者一点意义都没有。所以,我们还是从基础讲起吧!


  ▲ 由于转子的转速只有驱动轴的1/3,所以转子转一圈,飞轮要转三圈(1080°),而四冲程活塞引擎只要两圈(720°)就能完成一次循环。


  转子引擎基本常识

  我们都知道,一般车辆使用的是四行程活塞引擎,引擎要上下各两次才能完成一次循环,所以被称为四行程引擎。而转子引擎并没有活塞,有的是一颗三角弧型的转子。当然也没有汽缸壁,而是一个8字型的气室,而转子就是在这8字型的气室内咕噜咕噜的转动。

  是的!转子在气室内不是规规矩矩的绕著同一个轴心转动的,如果转子真的是绕著固定轴心转动,那气室的形状将会是圆形,进气、压缩、动力、排气的内燃机四大基础动作将不存在,所以转子的驱动轴是偏心的,也就因为驱动轴是偏心的,所以转子才会忽上忽下忽左忽右的旋转,因此气室才会形成8字型。

  这时气室就被三角弧型的转子分成了三份,而且大小会有变化,这大小的变化量就是转子引擎的排气量。这时只要在气室的腰部上下开孔,孔就会因转子膨胀或压缩气室内的空间而变成进排气孔,而没开口的腰部,空气就会被压缩及膨胀,这时只要有火星塞就可以引爆汽油混合气,这样转子引擎就有了进气、压缩、动力、排气四个基础行程而可以运作。

  而且因为转子是三角形的,所以有三个独立运作的空间,于是转子转一圈就会有三次的动力行程,媲美三缸活塞引擎。除了8字型气室与三角型转子外,转子引擎还有一个很重要的比例,那就是转子齿与驱动齿的齿比绝对是‘2:3’。于是,这又带出一个转子引擎的绝对现象,就是转子转1圈驱动轴转3圈。等等!齿比不是2:3吗?怎么转速比不是3:2而是3:1。

  原因很简单,当转子转1圈时,驱动轴除了被带动的自转外还有公转运动,所以转子转1圈驱动轴不是转1.5圈,而是两倍的3圈。这也讲到转子引擎容易高转速化的优点,例如引擎转速9000rpm时,转子才3000rpm而已,不像活塞引擎在9000rpm时,活塞每分钟上下9000次共18000行程!


  ▲ 这张图看起来很复杂,但请注意Secondary Auxiliary Port,这就是MAZDA最早的两阶段三进气孔设计的滥觞。

  知道转子转速与驱动轴转速的比例后,我们就能比较转子引擎与四行程活塞引擎的相对关系,当转子转1圈的时候驱动轴转3圈,驱动轴转3圈就代表飞轮转了3圈,而转子转一圈有三次动力行程,也就是说飞轮每一转就有一次动力。而四行程活塞引擎要运转两圈才有一次,若要达到每一转就有一次动力则需要两缸,也就是说相同的转速下,一个转子相当于两缸。不过,MAZDA一直对外宣称双转子相当于6缸引擎又是怎么一回事呢?这就要看动力时间了。

  四行程引擎由于每两转完成四个行程,所以动力行程为半圈180°,而转子转一圈驱动轴转了三圈,所以动力行程为3/4圈270°,每次动力行程较四行程活塞引擎多了50﹪,再加上同转速下一个转子相当于两缸,就变成动力时间长度相当于3缸引擎,所以双转子就拥有与六缸引擎等长的动力重叠时间,等于运转平顺度同于六缸引擎。但这个270°的动力行程也成为转子引擎的致命伤,相对于四行程活塞引擎的180°,转子引擎多了1.5倍的燃烧时间,使得平均压力降低了约18.76﹪,说白点就是扭力只有同排气量活塞引擎的81.24﹪。

  算到最后可以得知转子引擎的动力相当于1.625倍同排气量的活塞引擎,可是同时间的耗油量却是两倍,注定了转子引擎耗油的宿命。综合来说,转子引擎有著很小的体积、很轻的重量、简单而扎实的结构,有著同排气量活塞引擎1.625倍的动力、2倍的油耗,动力平顺、震动与噪音都较活塞引擎低,具有超高转速的潜力等,如果油耗不是问题的话,转子引擎几乎都优于活塞引擎。

  ▲ 利用前后转子的时间差,就能多出一些进气压力来增加动力,这也就是为何RX-7的进气管都做成U型的原因。

  转子引擎进步史

  接下来讲转子引擎在MAZDA这家车厂手上到底做了哪些改良,才能继续沿用至今日的原因。扣除初期研发的困难外,转子引擎到了70年代跟所有的车辆用引擎一样,都面临了环保的问题。转子引擎由于燃烧时间较长的原因,并不会有高温产生NOx的问题,但却因排气孔设置在气室壁上,而有HC较多的问题,这个问题在当时的解决方法为,用空气帮浦将空气强行打入排气管头段与触媒转化器之中,使多余的HC燃烧掉。

  在70年代,除了环保问题之外,中东危机导致油价上涨,也使得油耗变成严重的问题,而油耗又正好是转子引擎的致命伤,为了让转子引擎能继续存活下去,MAZDA展开了‘凤凰计划’,计画提高20%的燃油效率,这计划的相关成果,也造就了目前转子引擎的风貌。‘凤凰计画’的成果就是大家所熟知的第一代RX-7,与计画前转子引擎最大的差异点为,进气口变成了三个,而且还有一个是会关闭的,这套设计若对比于活塞引擎来说,相当于HONDA的VTEC设计,再配合上倾斜燃烧技术,使得转子引擎的油耗降低了40%,马力也获得提升,成功的让转子引擎存活了下来,而两阶段三进气孔的设计就一直沿用到RX-8上,也是自然进气的”RENESIS”引擎能发出250匹马力的远因。

  除了凤凰计画的两阶段三进气孔设计外,MAZDA在转子引擎的进气岐管上还有一项巧思,那就是动态增压系统。这设计很有创意,MAZDA的的转子引擎多为双转子设计,于是在1983年时,MAZDA发现可以藉由调整两颗转子的时间差,使得即将关闭进气孔的转子施加压力给进气岐管,透过动态空气室后,对另一颗正在进气的转子进行微增压的动作,这设计也造就了现今MAZDA转子引擎都有U型进气岐管的面貌。除了上述普见于MAZDA转子引擎的设计外,RX-7第二代的单涡轮增压器也是很特别的,MAZDA将它命名为Twin-Scroll Turbo。

  这颗涡轮有一个控制阀两个气室,当引擎低转速时,控制阀关闭,让所有的排气进入狭小的P室,使得流速加快以减轻涡轮迟滞,当引擎转速高时,控制阀打开,让排气平均的进入涡轮,降低排气阻力与增加涡轮效率。不过到第三代RX-7就不这么麻烦了,直接采用序列式双涡轮,低转速用一个,高转速用两个,也是达到低速涡轮迟滞少,高速涡轮增压强的境界。

  ▲ RX-8的引擎到底有那些特色,且听我一一道来。第一张图上讲到这颗引擎完全没有进排气重叠的时间,就不会有进气跑到排气管造成污染与浪费。第一张图下讲到多阶段进气系统可因转速制宜,因此增进了油耗与动力表现。第二张图说到进气口增加了30%的进气口径,这使得RX-8的转速


  进入二十一世纪

  大家都知道目前MAZDA的转子引擎已经传承到RX-8身上,那这颗RENESIS又有哪些进展呢?首先是进气孔面积加大了30%,使得这颗引擎的进气量足以应付到10000rpm的需求。但大家都知道,这样低转速会变得很糟糕,于是MAZDA将原本的三进气孔两阶段式设计,再进化成三进气孔三阶段式设计,尽量避免低转速域的无力现象,而为了高转速化,破天荒的将转子制成搂空状,大幅降低转子的重量,使得自然进气的RX-8可以藉由拉转速的方式,达到250匹马力的水准。但RENESIS引擎最创新的地方在于排气口,以往转子引擎的排气口都是作在气室壁上,往往一些未燃烧的油气与些许的润滑油就会在此被刮入排气管,造成污染问题。

  但在RENESIS上,排气口与进气口一样设在前后侧壁上,当场解决掉以往HC的污染问题,也顺带使得进排气完全不重叠,不会有进气漏到排气管的问题,也可在前后侧壁各开一个排气孔,让引擎排气孔变两个提升排气效率,以达成高转速化的目的。(听说在280ps的RX-7上就已经是了) 经过前述说明,相信大家都能了解RX-8为何能以1.3L的排气量,而且还是在自然进气的状态下,却能够产生250匹马力的原因。MAZDA的转子引擎成就不是一蹴可及的,是不断透过一点一滴的修改,才能造就目前的RX-8的!    

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