充满荆棘的坎坷之路 转子引擎的血泪史
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充满荆棘的坎坷之路 转子引擎的血泪史

  

  Rotary Engine,简称RE。谈起RE的话,相信绝大部分人会立刻与Mazda这个名字挂钩。Rotary Engine最初的名字为Wankel Engine(汪克尔引擎),取发明家菲力•汪克尔(Felix Heinrich Wankel)的姓氏作命名。Rotary Engine之所以被广泛认知,那真的要归功于Mazda。自从Mazda购得汪克尔引擎的版权后,以“RE”转子引擎作为命名,并诞生了不少传奇运动车型,“转子引擎”也随之然深入民心。本文叙述了汪克尔引擎/转子引擎发展的开端以至实用化之间,充满荆棘的坎坷之路。

  转子引擎的元祖,汪克尔引擎原型DKM54。

  转子引擎属于无活塞回旋型引擎的一种,早在1900年初,航空与摩托车的领域上已经出现了实用化的旋转型引擎。而谈及在汽车领域使用的转子引擎,那就必须要由1951年面世的汪克尔引擎开始说起。

  德国发明家菲力•汪克尔(Felix Heinrich Wankel)出生于1902年,也就是旋转式引擎出现的时代里。在第二次世界大战期间,汪克尔曾经隶属于德国军事技术开发部,专注于航空机及鱼雷机关部分的旋转阀相关的开发工作。至于德国战败后,汪克尔则被同盟军收押数月,并禁止了军事用品的开发。战后数年,汪克尔加入了当时德国制造商NSU(1969年被奥迪收购),由1951年开始从事汽车领域的旋转式引擎开发。1954年,由汪克尔发明的,以三角转子旋转驱动方式代替传统往复式活塞驱动引擎的新品种引擎成功面世,它就是转子引擎的元祖汪克尔引擎DKM 54。

  试作型的KKM57。

  相比起当时的往复式引擎,prototype DKM 54在动力输出方面以流畅平顺为特征,而且引擎本体的体积小,重量轻,结构简,音噪低,转子转一圈的时间便能做出往复式引擎四个冲程的动作,双转子的DKM 54就拥有一台四缸往复式引擎的能力。这台划时代引擎的消息传开后,成功吸引了国际级大车厂的眼球。通用、福特、丰田、日产、奔驰等国际级汽车大厂纷纷对这款当时的划时代引擎表示出十分强烈的兴趣。

  然而,汪克尔引擎缸壁抗磨能力低、缸内气密性差导致缸内鲜气受污染、由于高温导致所需配套增多等等负面因素,造成其实用性低的反差。1957年登场的试验型号KKM 57在首次测试中便暴露了汪克尔引擎的致命伤,那就是耐久性。在起动试验中,KKM 57随着运转速度的提升,缸内的磨损就越大,汪克尔引擎被证实无法长时间工作。而随后的1959年,汪克尔引擎仍然在没有解决磨损问题的前提下,以试验开发的阶段向世界发表。

  作为汪克尔引擎版权所有者的NSU,仍然没有放弃其发明的实用化计划。自1963年以来的不断改良汪克尔引擎,1964年发表了世界上首台正式面向市场的汪克尔引擎/转子引擎搭载车型NSU Spider。此台采用后置后驱布局的NSU Spider搭载的汪克尔引擎尚没有解决欠缺耐久性的问题,燃耗过大而且缸内耐磨问题未解决。而实际上,Spider只是NSU为汪克尔引擎制作的第一个实验台而已,三年间的产量只有二千三百余台。Spider停产后,NSU推出了的第二台汪克尔引擎车型NSU-Ro80。于1967年正式发表的世界首台搭载汪克尔引擎的四门轿车NSU-Ro80。从时间轴上来看,NSU-Ro80的发布虽然落后于Mazda Cosmo Sport,但它推出市面的时间却比Cosmo Sport要早,相比于Cosmo的成功,Ro80上搭载的汪克尔引擎问题未解决,由于引擎故障多发的关系,很多Ro80需要被召回NSU厂房进行引擎更换。被召回问题困扰的NSU陷入了经营危机,终于在1969年被收入大众旗下,与奥迪合并。NSU被收购后的次年,Ro80搭载的汪克尔引擎得到故障问题的解消,可惜档案被划花了的Ro80形象已经受损,加上1973年爆发的石油危机,Ro80的销量再无回天之力,直到1977年4月Ro80停产之际的统计所得,十年间的销量只有37204 台。

  世界上首台搭载汪克尔引擎的双门开蓬车NSU Spider,实现了见证了汽车领域上旋转式引擎实用化的起点,它是1960年代里汽车业界里的新星。

  此汪克尔引擎为500cc单转子型,体积轻巧,能够被收纳于狭窄的舱内。与同能水平的往复式引擎比较,汪克尔引擎能够输出将近2倍的马力,只可惜其耐用性没有得到及时的完善。

  NSU Ro80于1967年推出市面,其外观设计为后世诞生的奥迪各款车型带来重要的参考价值。

  Ro80采用前置引擎的,采用双转子设计,可是引擎弊端没有得到改善便已经推出市面发售。实用化勉强是达到了,可是这副有缺陷的引擎还不能达到量产化的能力。

  NSU于1969年与奥迪合并,Ro80成为了NSU自行推出的最后一款车型。虽然Ro80不是一款成功的车型,也为NSU带来了沉重的代价,从事实来看,把一台未完成的引擎投入市场是NSU的失策。然而,不得不承认这是一款具有历史参考意义的车型。NSU-Ro80见证了NSU敢于向新领域挑战的革新精神,哪怕是在商业的道路上牺牲。此外,撇开引擎部分来看,后来移席至BMW的当时的NSU首席设计师Claus Luthe,他设计的这款NSU- Ro80在推出的初期收到不俗的评价,巧妙地利用空力特性的外观,美观大方而且前卫,为后来推出的VW K70、Audi 100带来了深远的影响,NSU-Ro80乃是当今奥迪各款车型设计概念的重要思源之一。

  汪克尔引擎的面世,让很多有实力的汽车生产商都嗅到了新时代技术的气味。可是,汪克尔引擎在启动试验中暴露出的缺点,却打消了很多向汪克尔引擎挑战的年头。话虽如此,仍有强者敢向汪克尔引擎发出挑战信,当中包括当时美国最大的汽车生产商通用汽车与戴姆勒奔驰。可是,汪克尔引擎实用化的开发任重道远,参与到汪克尔引擎实用化行列的大厂纷纷以失败告终,在这些大厂的失败衬托下,Mazda在汪克尔引擎实用并量产化上取得的成功便显得一枝独秀。Mazda 在购得版权后,以RE-Rotary engine译名转子引擎作为汪克尔引擎的新名称。(下文以转子引擎来记述,以表区分之意。)

  Mazda的首台量产型转子引擎10A-8010。

  Mazda,前身为东洋工业,1920年1月30日于广岛市中区创立,1931年移师至广岛县安芸郡府中町并开始投入三轮卡车的生产。二战中,由于 Mazda工厂的位置在核爆爆心地带东边的5公里,而幸免了波及。战后的1945年开始继续生产小型卡车,直到Mazda第二代社长松田恒次后,洞察到日本乘用汽车市场开始增长,Mazda便开始投入到乘用车的开发之中,1960年藉着R360 Coupe的推出而进军四轮乘用汽车的市场。1960年的初期的日本国内,由欧美地区的汽车进口实行自由化,日本国内实行汽车制造商重组的议案。作为第二任社长的松田恒次决心保留Mazda的独立自主权,就在这个时候,德国NSU发表了未完成品的汪克尔引擎。

  松田恒次与转子引擎关系深远,他是一个敢于挑战的社长,在他的决策下转子计划正式开启。那时候,在德国西部的汽车市场,基本上都是BMW与VW两大家的天下,而NSU这家势力较小,却有着革新的精神,把汪克尔引擎作为向对手挑战的赌注。在NSU的身上,松田看到了 Mazda的映照。同为日本的汽车生产商,世间却只看到了丰田、日产与五十铃,Mazda必须证明自己的实力,于是松田决心利用转子引擎突破重围。这里就是Mazda转子故事的开端。

  为了导入转子引擎,松田找来了山本健一。山本健一当时担任着设计部副部长的,松田一句“我们要制作转子引擎”,使得山本百般头脑摸不着。在山本看来,转子引擎(汪克尔引擎)八字不见两撇,在往复式引擎建立的近百年历史里面,日本在引擎方面的技术连欧美都还没跟得上,转子引擎到底要怎么做呢?山本就这样,悬着半空的心,接下了“RE研究部”部长一职。

  山本健一,1922年出生,原海军技术将校。二战期间曾担任航空机相关开发,广岛核爆中丧失亲妹,战后加入东洋工业从事汽车开发工作。1960年 Mazda推出的第一款四轮乘用汽车就是山本健一担任设计的。1962年被派遣至NSU进行引擎技术的相关研修工作。(图中右二)

  当时的Mazda自推出了R360 Coupe后,正筹划正统乘用汽车Familia的推行计划,山本健一担任着Familia引擎开发的重要职能。就在车厂转型的重大时期里面,作为社长的松田决定导入转子引擎的一说,遭到了董事会的反对,就连担任了RE研究部长并着手开发的山本也对此感到怀疑。

  就在RE研究部开始筹办的二个月后,松本恒次在演说上发话,其大意为:“汽车业界有传,究竟 Mazda将被哪家厂吸纳,答案是否定的。Mazda必定保留独立,我们要制造转子引擎,我们要做其他车厂不做的事情。但是,这同时需要庞大的资金,所以,请在座的各位,把现在的车都给卖了!”这番极具冲击性而又充满个性的演说,打动了山本健一的心,松本恒次的热情收到公司上下的共鸣。

  RE研究部正式成立,以山本健一为中心,集合了47位技术部精英开发人员。他们全都是充满热情的年轻一族,他们都在广岛的废墟中失去了家人,他们与山本抱着同样的思想,他们把希望寄托于转子引擎之上,他们把炽热的汗水洒在转子冰冷的钢铁上,他们征途上的终点就是那台“梦之引擎”,他们就是,“转子47士”。

  RE研究部,转子47士。

  1960年,Mazda向德国NSU提出汪克尔引擎专利申请草签,然而NSU开出的条件非常苛刻:1、十年契约金为二亿八千万日元;2、东洋工业必须无条件为NSU提供产品专利权;3、每一台搭载汪克尔引擎的汽车,都必须向NSU交付版权税。这完全是一面倒的条款,二亿八千万日元相当于当时东洋工业八千名员工的薪酬。更要命的是,NSU送往Mazda的试作引擎“40A”,基本上是一台残缺品。引擎空转时,本体发生激烈的振动,且不断涌出白烟,燃油的消费量高得惊人,而最大的致命伤就是缸内出现波状磨损痕迹,这些波状损痕被称为“恶魔的爪痕”。引擎自身的开发可以算是成功的,可那是根本谈不上实用化的水平,prototype 40A只能够连续工作40小时。面对一重接一重的开发困难,转子47士所做的研究却迎来了如潮般的恶评,不论是来自社外还是社内,转子引擎研究就好像一个无底洞穴。虽然如此,RE研究部仍然继续着看不到尽头的研究,耗费着不胜点算的时间、精力、资金,以热情作为动力的燃料。

  那些日子里,研究部47士过着夜里也梦见RE的日子。1963年的东京汽车展上,Mazda向世人展示了他们希望的光梢,一副勾画了一台外型设计新颖并充满科幻色彩的汽车概念图,那就是Mazda的转子汽车Cosmo Sport。伴随着Cosmo Sport的,还有Mazda的2号试作型转子引擎,搭载排量400cc 转子两枚的L8A。这台代号L8A的转子引擎,采用干式油底壳设计,转子半径由40A的90mm扩张至98mm。为解决汪克尔引擎遗传的最大问题“恶魔的爪痕”,L8A的转子顶端装有铸铁制的中控顶端密封片(apex seals),通过改变转子与缸壁的共振频率,以达到减少缸壁内的磨损。而40A超高油耗方面,通过更换耐热橡胶油封来解决。作为实验,L8A更派生出单、三、四转子的版本。L8A的出现,成为了打开束缚“梦之引擎”枷锁的钥匙。

  Mazda的首台,同时是世界上首台实用化兼量产化的转子引擎车,Mazda Cosmo Sport。

  1964年的第十一届东京车展上,搭载L8A的试作型Cosmo Sport正式亮相,由社长松田恒次亲自手持方向盘驾临。车展完结后,松田社长亲自驾驶着Cosmo Sport返回广岛,沿途上更拜访了首相池田勇人、后援住友银行还有各个零件供应商。当拜访首相府时,松田与山本二人更获得了池田首相亲自的鼓励。

  1966年10月,第十三届日本汽车展上,Cosmo Sport正式量产款现身并在随后到来的1967年春季正式发售。Cosmo Sport正式量产款上,搭载Mazda成功研发的量产化转子引擎10A。这款代号0810的10A转子引擎的出现,证明了Mazda开发转子引擎的成功,它是世界上首款成功实现实用并量产化的汪克尔引擎/转子引擎。10A采用双转子型设计,单个转子排量491cc,转子直径为60mm,造就了往后推出市面的主流转子尺寸。10A的缸体采用铝合金砂铸,其铝合金经过碳化处理以加强刚性,为抗磨损,缸内更经过硬质镀铬表面处理;偏心轴采用昂贵的铬钼钢制成,转子本体则由铸铁制成,其顶端密封片则采用与缸体相同的碳化铝合金制作,综合以上技术,10A的连续运作时间成功地增加至400小时。经过长年的研究,“恶魔的爪痕” 最终被转子47士所击退。

  转子三个端点分别有为顶端密封片专设的槽。

  图中所示,乃是10A转子采用的Apex Seals顶端封片。

  10A系列转子引擎的出现,开办了Mazda的转子系谱。由于转子引擎紧凑的设计,因此,一些现有搭载传统引擎的车型能够直接移植转子引擎,这造就 Mazda的转子量产化计划的前提条件。为求实现量产化的效果,Mazda在当时的主力车型,Familia的第二代之上成功移植代号0820的10A转子引擎,Familia Rotary Coupe/Mazda R100成为了Mazda第二台搭载转子引擎的车型。1968年,Cosmo小改款,引擎改为马力更高的0813 型10A引擎。1972年,10A系列的最后一款转子引擎0866出现在Mazda RX-3 Savanna。

  82年推出的第三代Cosmo,开始出现配备强制进气的涡轮增压版12A转子引擎。

  Cosmo的成功推出,确实获得不少性能车迷的欢心,转子引擎逐渐被认知为与性能挂钩的引擎。踏入70年代,Mazda在10A的基础上制作出加长版的12A,单个转子的排量由491cc增加至573cc。可惜,好景不常,70年代正是世界石油危机爆发之年。在那个年头,想要性能就必定要牺牲经济性,Mazda推出的各类转子引擎车型遭到石油危机的严重打击,销量节节败退,东洋工业差点就要面临破产的危机。RE研究部甚至被公司内部称之为“战犯”,部门内的研究员成天遭受到公司其他部门的嘲讽。

  那个时候,多得住友银行的资金支持,才让Mazda免去倒闭的危机。住友银行为了营救并改善Mazda的经营危机,特别增立了融资第二部门,向 Mazda的经营部门派遣协作员。一位当时被派遣的住友银行协作员向Mazda提议,“RE引擎必须只搭载在性能车上”,这时候的Mazda才恍然大悟,那帮机械狂热分子才被灌入了些商业意识。经历了此次危机后,Mazda也意识到了国际化、情报化时代的来临。1977年搭载12A的 Savanna RX-7发表之际,未发售前已经收到了订单。1979年,Mazda更推出了低油耗版本的Lean-burn 12A。

  随着RX-7系列的诞生,Mazda的运动之风便逐渐成熟。1984年推出的13B-RESI采用了电子燃油喷射系统,其搭载车辆为第一代RX- 7(FB),第三代Cosmo;1986年推出的13B-DEI,采用电子燃油喷射之余,更有串联双涡轮技术的加入,最大马力到达200的瓶口,其搭载车型为第二代RX-7(FC3S);1992年第三代RX-7(FD3S)搭载的13B-REW,搭载串联双涡轮,并且每隔两年一次改良,马力输出由255 匹,升幅至265匹、280匹,其引擎详细就不再一一列举。迄今为止,Mazda推出过的转子引擎型号一共有10A、12A、12A Turbo、12B、13A、13B-AP、13B-RESI、13B-DEI、13B-REW、13B-REW TT、20B REW、26B、13B-MSP、16X,几十年来,由汪克尔引擎到转子引擎,经历了多少沧桑才酿造出这些子嗣?!

  80年代经过福特的收购,Mazda开拓出前驱市场后,市场经营回复稳定状态。78年开始出现的RX-7系列,引领了全球的转子风潮。由12A发展至1984年推出13B RE-EGI,由1986年推出13B-DEI发展1992年推出的13B-REW,看着RX-7系列由1978年诞生到2002年停产的24个年头,2003年搭载13B-MSP的RX-8继位,2007年Mazda Taiki(大气)的发表,新世纪转子引擎16X Renesis一直在水底下蠢蠢欲动,转子引擎一直以来都是Mazda的精神领袖。面临着环保新时代的降临,转子引擎的发展究竟又何去何从呢?

  Mazda Taiki,其义为“用眼去捕捉空气的轨迹”,是Mazda旗下第四台以气流作为设计概念的车型,它搭载了新世纪转子引擎的雏形Renesis 16X。