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幸福の裹蒸粽

浪迹天涯,只缘为你,小思子。

 
 
 

日志

 
 

MAZDA轉子傳奇  

2010-04-17 02:55:17|  分类: 速度·激情 |  标签: |举报 |字号 订阅

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汽油引擎大緻可以分為兩種,一種是透過曲軸帶動活塞上下移動,將迴轉運動轉變為輸出馬力的往復式引擎,另一種是利用偏心軸帶動轉子旋轉進而產生動力,這種就稱為轉子引擎。一般來說,瞭解往復式引擎構造的人不在少數,但對轉子引擎熟悉的人相較之下則少的多,依據回函統計大約有七成的讀者,希望明白轉子引擎的構造以及作動原理,這也是為什麼我們要在本月解說轉子引擎的原因。

基礎中的基礎

轉子引擎的作動原理

說到轉子引擎是如何運動,就要先知道其基本構造,如果我們將轉子引擎從車上卸下,立起來把離合器壓在下方來看的話,就能夠很輕易地瞭解它的基礎構成。如此從上往下按照順序,分別為前側邊外殼、前轉子外殼、間隔外殼、後側轉子外殼以及後側邊外殼,負責迴轉的轉子即被收納在這些皆為鋁合金製成的外殼內,而偏心軸也是從上到下,將這個如三明治般的構造貫穿,就好像串丸子或烤小鳥的狀態。說的具體一些,轉子引擎是利用位於中心的轉子迴轉,來進行從吸氣到排氣狀態的構造。

與一般往復式引擎的上下連動機件相比較,轉子引擎的外殼就等於汽缸,而轉子即同等活塞,燃燒室則是由轉子與轉子外殼、側邊外殼所圍出來的空間形成。由於轉子的三個頂點分別都設有三角氣封所密閉,因此其燃燒室可以各自成為獨立進行的三個動作(吸入壓縮、爆發膨脹、掃氣),基本上轉子引擎就是在轉子外殼中,讓轉子與偏心軸來對比迴轉的簡易機構,其中轉子內圈的齒數為51、中心軸齒數34,因此曲軸轉三圈時轉子才自轉一圈 (51-34=17、17/51=1/3)。

構成零件的解說

轉子外殼

轉子外殼為鋁合金製,內壁設計成施以硬化的電鍍眉形(餘擺曲線面),三角錐狀的轉子則在其中進行衛星運動,另外在此面上還設有火星塞孔及排氣埠,此外殼就等於往復式引擎中的汽缸頭。

轉子

轉子(Rotar)的作用就如同往復式引擎中的活塞和連桿,外形方面為了製作出內包路線的形狀,因此被設計成三角錐形(側邊的凹槽攸關壓縮比),根據迴轉的狀態進排氣埠會自動開閉,因而兼具進排氣門的功能。

側邊外殼

相當於汽缸本體、汽缸頭,由於它是組裝在圓筒形轉子外殼的側邊,形成一密閉的空間,所以也就是燃燒室的作用。此部分有組合轉子的側邊氣封、彎角氣封與機油油封,並且頂面上還配置一吸氣埠,中央則具備支持偏心軸軸承的中心齒輪,這個齒輪會與轉子內圈的齒輪咬合,進行著控制轉子本身的迴轉工作。

偏心軸

相對其本身的自轉會對轉子軸承部位形成偏心作用,因而能將轉子迴轉的作動、爆發力轉變為動力,角色同等於曲軸的功能,學名又稱為輸出軸。

三角氣封

配置在轉子自體三個頂點的三角氣封(Apex Seal),三個墊片分別根據位於其底部的排氣壓力與彈簧張力,在受到轉子外殼壓迫的同時,由於側面而來的排廢氣推擠墊片溝槽的一方,因而能保持頂點及側邊燃燒室的氣密性,有類似於活塞環和排氣門的功用。

側邊氣封/彎角氣封

轉子本身除了設有頂端的三角氣封以外,在其側面也設計了側邊氣封,而兩者結合的部分則是用彎角氣封連接,形成一環狀的立體構造,關於此側邊和彎角氣封的功能性上,它們的角色是與活塞的壓力環相當,因此不僅能防止正在作動的壓縮排廢氣外漏,亦具備將轉子受熱的部分,傳導至外殼表面的散熱作用。

機油油封

由於轉子引擎的機油是利用泵浦強制壓送至各部位,為了防止機油穿過轉子壁面與側邊外殼的空隙,進一步洩漏至燃燒室裡,因此是採O型環油封組裝在轉子側面的彈簧上,來避免發生吃機油的情形。

轉子引擎的特點

動力綿密直逼V6

就往復式引擎來說,每一個零件都有一種機能各盡其責,但轉子引擎卻是一個零件就必須擔任好幾種工作,由於迴轉的轉子三方各形成三個燃燒室,因此幾乎沒有與輸出馬力不相幹的多餘空間和機構,與往復式引擎相較之下,Rotary引擎不但構成零件較少,引擎本身的體積也不大。

轉子引擎的動力來源並非靠著活塞行往復運動,而是由轉子的迴轉產生動力,由此衍生的優點不但是大幅縮小引擎的尺寸,由於沒有進、排氣門為轉子本身進行吸、排氣埠的開閉動作,因此不會產生因氣門機構帶來的機械性損失或失誤,即使在高轉數也能確保正常的啟閉作業,以馬力方面而言,轉子引擎可說佔有相當大的優勢。

 

此外,如13B一樣的雙轉子引擎,因為轉子的膨脹衝程會發生較大的重疊角度,相形能產生等同於六缸往復式引擎的動力,且幾乎不會有什麼震動,其出力的特性之所以如此高性能、穩定,與運轉的輕易性有很大的關聯。轉子引擎的噪音及震動非常小,同時體積不大並運轉順暢,加上沒有排氣門導緻的局部高熱點,因此排廢氣中極少出現討厭的碳氫化合物(發動及低轉速較多因容許爆炸時間短),這亦屬轉子引擎的優點之一。

不過,轉子引擎13B的實際排氣量僅有 1300c.c.(654c.c.×2),這一點在施行改造等工作時,就會衍生很大的問題,儘管以原廠車而言轉子引擎的優點多多,但因其構造特殊的關係,在往復式引擎裡不用針對引擎本體,便能進行的兩種代表性改裝方式中,僅有一種能使用在轉子引擎上。舉個例子來說,往復式引擎中常利用變更凸輪軸的角度、揚程,來改變氣門正時或是加大重疊角以增加馬力的方法,在轉子引擎的狀況下擴大、移動進、排氣埠,也可以得到相同的結果。

但是,往復式引擎以組裝凸頂活塞提高壓縮比,好增加混合氣密度並將空燃比調整成接近理論數值,進而達到動力提昇的改裝方式,則是轉子引擎所無法做到的,即使針對轉子進行凹槽加工變化其壓縮比,也沒辦法改變它的空氣吸入量。轉子引擎想要透過本體改造而增進馬力時,必須極端地犧牲低轉速扭力來求得高轉速馬力,亦即越是追求改裝方面的進化,就越會成為一款追求高轉速出力的引擎。

如果往復式引擎想要追求極速的表現,隻需要將內徑、行程加大一些擴充排氣量便可以解決,可是轉子引擎可沒這麼簡單,畢竟引擎零件的提供目前隻有馬自達原廠,所以也沒有選擇的餘地。另外,點火系統亦屬轉子引擎的弱點之一,由於它的燃燒室本身是會移動的,在爆炸的過程中火焰傳播的型態一定不佳,必須採用複雜的雙點火系統及更強力的火花,因此越是進行高度的Rotary改造,火星塞的位置、點火正時就扮演著更重要的角色,影響馬力、扭力曲線甚鉅,這個領域不是一般的廠家可以辦到的。

轉子引擎的本體改裝

由吸氣埠的加強著手

與往復式引擎相比較,轉子引擎的構成零件較少、構造亦較為簡單,因此可以進行比較簡易的改裝工作,以下就讓我們來看看針對引擎本身的進、排氣埠,所進行的各種改裝方式吧!

為了要有更好的充填效率,﹁減少進氣阻力﹂是最基本的要素,具體地說將轉子引擎進氣埠與進氣歧管的鑄造面研磨光滑,就可以有效減低吸氣阻礙,並且擴大側邊外殼的外部接口面積也可以改變正時,而重疊角的範圍亦會大幅增加,這些都是頗具效果的基礎提昇馬力方式,進氣正時大概可從ABDC40度增加到60度。

再過來更深入的改造方法,是將側邊外殼內面的進氣埠口徑擴大,或者是把此吸氣埠連接到轉子外殼上,後者已算是程度相當大的修改,有類似於外環進氣的效果。談到最終極的外環式改造,其方法乃是將原本位在側邊外殼的四個進氣口封住,然後於轉子外殼各開一個與排氣口相當的大型進氣埠,這樣的好處是空氣可從轉子外殼直接且順利的大量吸入,比起原本間接引入燃燒室的側邊進氣,更能在高轉速域發揮極大的效率,所以沒有裝置渦輪增壓器的賽車引擎,大多是採用此種方法,最有名的例子就是利曼冠軍787的R26B四轉子引擎,而這也是轉子之父溫格爾最早的發明。

這裡附帶跟大家一提的是,即將要在明年正式販售的 RX-8,引擎部分的最大改變是進/ 排氣埠都設在側邊外殼(截面積另加大30%),藉以實現更快的吸氣口開啟時間,配合使用輕量化的轉子之後,即便自然吸氣也可爆發250hp/8500轉的高額出力。再說到NA轉子引擎的方面,當初那輛Eunos Cosmo所搭載的三轉子20B引擎(1990~1995),以其280hp/41.0kgm的驚人出力成為經典之作,到現在RE雨宮負責改裝的JGTC RX-7賽車,依然是採用這顆強力心臟下場挑戰(加裝直噴歧管),而最近日本民間改裝廠更成功發展出四轉子的試作品,看來Rotary的不朽傳奇還是會再延續下去。

轉子引擎的渦輪改裝

FC/FD3S Boost-up

先天就有著動力綿密、構造簡單等特性的轉子引擎,當然也非常適合搭配渦輪增壓,在80年代美國、日本兩地的車迷就很喜歡來個NA改Turbo,隻可惜當時的化油器無法提供對等之燃油量與速度,經常發生轉子三角氣封受到高熱損壞進而爆引擎的事件,這種情況直到FC3S RX-7問世之後才有了轉變。由於FC的引擎、供油系統、控制電腦等所有部分,均為噴射型渦輪車種的專用設計,因此如果能基於精準的燃料計算來進行增壓及相關設定,就不容易因馬力增加出現嚴重的受損情形,這一切即是要依賴基本的電腦改造達成。

對現今轉子車迷而言不算陌生的FC3S,由於前 /後期車款的引擎內部、噴射型式、電腦系統等都不一樣,改裝的方式也不盡然相同,但若是想利用提高增壓來爭取馬力,第一個就是要解除掉原廠所設的超壓、過轉限制,這一樣是必須從改寫晶片程式或加裝切斷壓力信號的﹁欺瞞型﹂電裝品下手。而這種舊型車一旦做了Boost-up之後,相對亦必須調整ECU的設定增加對等供油,再搭配直通化排氣管便可將馬力提昇到240至260匹之譜,如此約50匹的成長幅度相信很多人都難以理解(前期185匹/後期205匹),但這就是轉子引擎的最大魅力所在,所以即便是以原廠渦輪打大壓力(1.2公斤以下為安全值),仍有必要換裝強化型離合器防止打滑。

一般 FC3S要獲得破330匹的輸出時,渦輪需要換成TD06-20G、IHI-525G式樣,超過400匹以上則要用到TD07G、TO4S、IHI-C7 等大徑的Turbine,此刻除中冷器要改為前置大容量的類型,供油追加更必須使用外加噴油嘴+雙泵浦的型式,而改裝的最高境界雖然是三火星塞+側邊進氣埠修改+TD05-16G Twin,但為了能在街道上順暢且耐久的行駛,原廠吸氣埠加上TD05-14B Twin是日本當地認為的最佳組合,不管反應、輸出馬力都是無可挑剔的。

再談到近代的FD3S方面,它同樣是分有前後期車型,兩者的差異主要是在於電腦、線組等控制單元,改裝上其仍舊要先解除掉原廠的各種限制,這裡由於它的電子系統已非常精密,所以運用ECU改造更可獲得很大的效果,有些電腦甚至能改變Twin Turbo第二顆渦輪作動的介入時機,相形前中段的加速力也會隨之再進步。在FD3S的ECU Boost-up改造場合中,為了徹底發揮增壓的潛力,就有必要換裝直通化濾芯與粗徑Front Pipe,這樣的搭配便可以有約60匹的馬力增進。目前國外流行的街道版升級做法,是將原廠兩

顆排氣側連在一起的Hitachi雙渦輪,做更換 TD05-14B全葉片的高流量改造,同時把高轉速域的Boost從0.8提高至1.0或1.2公斤,並使用移置水箱前的中冷器與大容量汽油泵浦(另一種原位置平放型的Inter-cooler可縮短管路增加反應),如此組合輕易便有超過350匹的馬力。

就FD3S的情況而言,以上這種活用Twin Turbo循序控制的改法,是不減損低轉速扭力的最佳方式,當然要追求更驚人的馬力輸出時,則必須改採TD-06以上的單顆大渦輪配置。看完了轉子引擎的原理、改裝介紹之後,你是不是有股衝動想買部RX-7來玩玩?!

MAZDA Rotary 轉子引擎的進化史

轉子引擎基本常識

我們都知道,一般車輛使用的是四行程活塞引擎,引擎要上下各兩次才能完成一次循環,所以被稱為四沖程(4-stroke)引擎。而轉子引擎並沒有活塞,有的是一顆三角弧型的轉子。當然也沒有汽缸壁,而是一個8字型的氣室,而轉子就是在這8字型的氣室內咕嚕咕嚕的轉動。是的!轉子在氣室內不是規規矩矩的繞著同一個軸心轉動的,如果轉子真的是繞著固定軸心轉動,那氣室的形狀將會是圓形,進氣、壓縮、動力、排氣的內燃機四大基礎動作將不存在,所以轉子的驅動軸是偏心的,也就因為驅動軸是偏心的,所以轉子才會忽上忽下忽左忽右的旋轉,因此氣室才會形成8字型。這時氣室就被三角弧型的轉子分成了三份,而且大小會有變化,這大小的變化量就是轉子引擎的排氣量。這時隻要在氣室的腰部上下開孔,孔就會因轉子膨脹或壓縮氣室內的空間而變成進排氣孔,而沒開口的腰部,空氣就會被壓縮及膨脹,這時隻要有火星塞就可以引爆汽油混合氣,這樣轉子引擎就有了進氣、壓縮、動力、排氣四個基礎行程而可以運作。

 而且因為轉子是三角形的,所以有三個獨立運作的空間,於是轉子轉一圈就會有三次的動力行程,媲美三缸活塞引擎。除了8字型氣室與三角型轉子外,轉子引擎還有一個很重要的比例,那就是轉子齒與驅動齒的齒比絕對是『2:3』。於是,這又帶出一個轉子引擎的絕對現象,就是轉子轉1圈驅動軸轉3圈。等等!齒比不是2:3嗎?怎麼轉速比不是3:2而是3:1。原因很簡單,當轉子轉1圈時,驅動軸除了被帶動的自轉外還有公轉運動,所以轉子轉1圈驅動軸不是轉1.5圈,而是兩倍的3圈。這也講到轉子引擎容易高轉速化的優點,例如引擎轉速9000rpm時,轉子才3000rpm而已,不像活塞引擎在9000rpm時,活塞每分鐘上下9000次共18000行程!

轉子引擎跟活塞引擎一樣有進氣、壓縮、動力、排氣四個動作。不同的是,一個轉子有三面,轉一圈就完成三次循環。

由於轉子的轉速隻有驅動軸的1/3,所以轉子轉一圈,飛輪要轉三圈(1080°),而四衝程活塞引擎隻要兩圈(720°)就能完成一次循環。

或許看起來很複雜,但請注意SecondaryAuxiliaryPort,這就是MAZDA最早的兩階段三進氣孔設計的濫觴。知道轉子轉速與驅動軸轉速的比例後,我們就能比較轉子引擎與四行程活塞引擎的相對關係,當轉子轉1圈的時候驅動軸轉3圈,驅動軸轉3圈就代表飛輪轉了3圈,而轉子轉一圈有三次動力行程,也就是說飛輪每一轉就有一次動力。而四行程活塞引擎要運轉兩圈才有一次,若要達到每一轉就有一次動力則需要兩缸,也就是說相同的轉速下,一個轉子相當於兩缸。不過,MAZDA一直對外宣稱雙轉子相當於6缸引擎又是怎麼一回事呢?這就要看動力時間了。四行程引擎由於每兩轉完成四個行程,所以動力行程為半圈180°,而轉子轉一圈驅動軸轉了三圈,所以動力行程為3/4圈270°,每次動力行程較四行程活塞引擎多了50﹪,再加上同轉速下一個轉子相當於兩缸,就變成動力時間長度相當於3缸引擎,所以雙轉子就擁有與六缸引擎等長的動力重疊時間,等於運轉平順度同於六缸引擎。但這個270°的動力行程也成為轉子引擎的緻命傷,相對於四行程活塞引擎的180°,轉子引擎多了1.5倍的燃燒時間,使得平均壓力降低了約18.76﹪,說白點就是扭力隻有同排氣量活塞引擎的81.24﹪。

算到最後可以得知轉子引擎的動力相當於1.625倍同排氣量的活塞引擎,可是同時間的耗油量卻是兩倍,注定了轉子引擎耗油的宿命。綜合來說,轉子引擎有著很小的體積、很輕的重量、簡單而紮實的結構,有著同排氣量活塞引擎1.625倍的動力、2倍的油耗,動力平順、震動與噪音都較活塞引擎低,具有超高轉速的潛力等,如果油耗不是問題的話,轉子引擎幾乎都優於活塞引擎。

利用前後轉子的時間差,就能多出一些進氣壓力來增加動力,這也就是為何RX-7的進氣管都做成U型的原因。轉子引擎進步史

接下來講轉子引擎在MAZDA這家車廠手上到底做了哪些改良,才能繼續沿用至今日的原因。扣除初期研發的困難外,轉子引擎到了70年代跟所有的車輛用引擎一樣,都面臨了環保的問題。轉子引擎由於燃燒時間較長的原因,並不會有高溫產生NOx的問題,但卻因排氣孔設置在氣室壁上,而有HC較多的問題,這個問題在當時的解決方法為,用空氣幫浦將空氣強行打入排氣管頭段與觸媒轉化器之中,使多餘的HC燃燒掉。在70年代,除了環保問題之外,中東危機導緻油價上漲,也使得油耗變成嚴重的問題,而油耗又正好是轉子引擎的緻命傷,為了讓轉子引擎能繼續存活下去,MAZDA展開了『鳳凰計劃』,計畫提高20%的燃油效率,這計劃的相關成果,也造就了目前轉子引擎的風貌。

『鳳凰計畫』的成果就是大家所熟知的第一代RX-7,與計畫前轉子引擎最大的差異點為,進氣口變成了三個,而且還有一個是會關閉的,這套設計若對比於活塞引擎來說,相當於HONDA的VTEC設計,再配合上傾斜燃燒技術,使得轉子引擎的油耗降低了40%,馬力也獲得提升,成功的讓轉子引擎存活了下來,而兩階段三進氣孔的設計就一直沿用到RX-8上,也是自然進氣的”RENESIS”引擎能發出250匹馬力的遠因。除了鳳凰計畫的兩階段三進氣孔設計外,MAZDA在轉子引擎的進氣岐管上還有一項巧思,那就是動態增壓系統。這設計很有創意,MAZDA的的轉子引擎多為雙轉子設計,於是在1983年時,MAZDA發現可以藉由調整兩顆轉子的時間差,使得即將關閉進氣孔的轉子施加壓力給進氣岐管,透過動態空氣室後,對另一顆正在進氣的轉子進行微增壓的動作,這設計也造就了現今MAZDA轉子引擎都有U型進氣岐管的面貌。

除了上述普見於MAZDA轉子引擎的設計外,RX-7第二代的單渦輪增壓器也是很特別的,MAZDA將它命名為Twin-ScrollTurbo。這顆渦輪有一個控制閥兩個氣室,當引擎低轉速時,控制閥關閉,讓所有的排氣進入狹小的P室,使得流速加快以減輕渦輪遲滯,當引擎轉速高時,控制閥打開,讓排氣平均的進入渦輪,降低排氣阻力與增加渦輪效率。不過到第三代RX-7就不這麼麻煩了,直接採用序列式雙渦輪,低轉速用一個,高轉速用兩個,也是達到低速渦輪遲滯少,高速渦輪增壓強的境界。

RX-8的引擎到底有那些特色,且聽我一一道來。第一張圖上講到這顆引擎完全沒有進排氣重疊的時間,就不會有進氣跑到排氣管造成汙染與浪費。第一張圖下講到多階段進氣系統可因轉速制宜,因此增進了油耗與動力表現。第二張圖說到進氣口增加了30%的進氣口徑,這使得RX-8的轉速

進入二十一世紀

大家都知道目前MAZDA的轉子引擎已經傳承到RX-8身上,那這顆RENESIS又有哪些進展呢?首先是進氣孔面積加大了30%,使得這顆引擎的進氣量足以應付到10000rpm的需求。但大家都知道,這樣低轉速會變得很糟糕,於是MAZDA將原本的三進氣孔兩階段式設計,再進化成三進氣孔三階段式設計,盡量避免低轉速域的無力現象,而為了高轉速化,破天荒的將轉子製成摟空狀,大幅降低轉子的重量,使得自然進氣的RX-8可以藉由拉轉速的方式,達到250匹馬力的水準。但RENESIS引擎最創新的地方在於排氣口,以往轉子引擎的排氣口都是作在氣室壁上,往往一些未燃燒的油氣與些許的潤滑油就會在此被刮入排氣管,造成污染問題。

但在RENESIS上,排氣口與進氣口一樣設在前後側壁上,當場解決掉以往HC的污染問題,也順帶使得進排氣完全不重疊,不會有進氣漏到排氣管的問題,也可在前後側壁各開一個排氣孔,讓引擎排氣孔變兩個提升排氣效率,以達成高轉速化的目的。

(聽說在280ps的RX-7上就已經是了)經過前述說明,相信大家都能了解RX-8為何能以1.3L的排氣量,而且還是在自然進氣的狀態下,卻能夠產生250匹馬力的原因。MAZDA的轉子引擎成就不是一蹴可及的,是不斷透過一點一滴的修改,才能造就目前的RX-8的

轉子引擎基本常識

我們都知道,一般車輛使用的是四行程活塞引擎,引擎要上下各兩次才能完成一次循環,所以被稱為四沖程(4-stroke)引擎。而轉子引擎並沒有活塞,有的是一顆三角弧型的轉子。當然也沒有汽缸壁,而是一個8字型的氣室,而轉子就是在這8字型的氣室內咕嚕咕嚕的轉動。是的!轉子在氣室內不是規規矩矩的繞著同一個軸心轉動的,如果轉子真的是繞著固定軸心轉動,那氣室的形狀將會是圓形,進氣、壓縮、動力、排氣的內燃機四大基礎動作將不存在,所以轉子的驅動軸是偏心的,也就因為驅動軸是偏心的,所以轉子才會忽上忽下忽左忽右的旋轉,因此氣室才會形成8字型。這時氣室就被三角弧型的轉子分成了三份,而且大小會有變化,這大小的變化量就是轉子引擎的排氣量。這時隻要在氣室的腰部上下開孔,孔就會因轉子膨脹或壓縮氣室內的空間而變成進排氣孔,而沒開口的腰部,空氣就會被壓縮及膨脹,這時隻要有火星塞就可以引爆汽油混合氣,這樣轉子引擎就有了進氣、壓縮、動力、排氣四個基礎行程而可以運作。

而且因為轉子是三角形的,所以有三個獨立運作的空間,於是轉子轉一圈就會有三次的動力行程,媲美三缸活塞引擎。除了8字型氣室與三角型轉子外,轉子引擎還有一個很重要的比例,那就是轉子齒與驅動齒的齒比絕對是『2:3』。於是,這又帶出一個轉子引擎的絕對現象,就是轉子轉1圈驅動軸轉3圈。等等!齒比不是2:3嗎?怎麼轉速比不是3:2而是3:1。原因很簡單,當轉子轉1圈時,驅動軸除了被帶動的自轉外還有公轉運動,所以轉子轉1圈驅動軸不是轉1.5圈,而是兩倍的3圈。這也講到轉子引擎容易高轉速化的優點,例如引擎轉速9000rpm時,轉子才3000rpm而已,不像活塞引擎在9000rpm時,活塞每分鐘上下9000次共18000行程!

知道轉子轉速與驅動軸轉速的比例後,我們就能比較轉子引擎與四行程活塞引擎的相對關係,當轉子轉1圈的時候驅動軸轉3圈,驅動軸轉3圈就代表飛輪轉了3圈,而轉子轉一圈有三次動力行程,也就是說飛輪每一轉就有一次動力。而四行程活塞引擎要運轉兩圈才有一次,若要達到每一轉就有一次動力則需要兩缸,也就是說相同的轉速下,一個轉子相當於兩缸。不過,MAZDA一直對外宣稱雙轉子相當於6缸引擎又是怎麼一回事呢?這就要看動力時間了。四行程引擎由於每兩轉完成四個行程,所以動力行程為半圈180°,而轉子轉一圈驅動軸轉了三圈,所以動力行程為3/4圈270°,每次動力行程較四行程活塞引擎多了50﹪,再加上同轉速下一個轉子相當於兩缸,就變成動力時間長度相當於3缸引擎,所以雙轉子就擁有與六缸引擎等長的動力重疊時間,等於運轉平順度同於六缸引擎。但這個270°的動力行程也成為轉子引擎的緻命傷,相對於四行程活塞引擎的180°,轉子引擎多了1.5倍的燃燒時間,使得平均壓力降低了約18.76﹪,說白點就是扭力隻有同排氣量活塞引擎的81.24﹪。

算到最後可以得知轉子引擎的動力相當於1.625倍同排氣量的活塞引擎,可是同時間的耗油量卻是兩倍,注定了轉子引擎耗油的宿命。綜合來說,轉子引擎有著很小的體積、很輕的重量、簡單而紮實的結構,有著同排氣量活塞引擎1.625倍的動力、2倍的油耗,動力平順、震動與噪音都較活塞引擎低,具有超高轉速的潛力等,如果油耗不是問題的話,轉子引擎幾乎都優於活塞引擎。

轉子引擎的運作方式跟特色

轉子內燃引擎(Rotary Internal Combustion Engine,但通常都被簡稱為轉子引擎,Rotary Engine)是四行程內燃機的一種,由德國工程師菲力·汪克爾(Felix Wankel)在1959年時發明,因此又稱為汪克爾引擎。與傳統的往復式活塞引擎不同的是,轉子引擎的運轉元件(稱為轉子,Rotor,其斷面造型類似一個三角形)是與輸出軸同樣採軸向運轉,而不需利用槓桿與凸輪結構將輸出的力量轉向,因而減少了運轉時能量的耗損。

轉子引擎的基本結構是在一個橢圓形的燃燒室裡面,放入一個三角形的轉子。三角形轉子將燃燒室劃分為三個獨立的區域,由於三角形轉子採偏心運轉,因此這些被隔開來的獨立區域在引擎運轉的過程中,其體積會不斷地改變,工程師就是利用這空間會改變的特性來達成四行程運轉所需要的進氣、壓縮、點火與排氣過程。如果與傳統往復式活塞引擎相比較,轉子引擎的每一個轉子都相當於活塞引擎的三個汽缸,因此具有小排氣量就能成就高動力輸出的優點(但相對的,同樣排氣量之下轉子引擎也較往復引擎的油耗高出許多)。另外,由於轉子引擎的軸向運轉特性,它不需要精密的曲軸平衡就可以達到非常高的運轉轉速。

除了較高的容積效率與高轉速運轉的能力之外,轉子引擎的優點還包括了體積小巧重量輕,低重心等等。但相對的,由於轉子引擎的每個燃燒室之間並非完全隔離,在引擎使用一段時間之後很容易因為油封材料磨損而造成漏氣問題,大幅增加油耗與污染。獨特的機械結構也造成這類引擎維修不易。

無法普及的原因 分析優缺點

轉子式引擎之優點

1.構造簡單、價格低廉,同馬力之引擎配件數僅為V-8引擎之半,因配件少,毛病自然少,保養費用亦相對減低。

2.重量與體積極輕小,體積僅V-8之三分之一。

3.因無往復運動機件,引擎運轉極平穩。

4.沒有局部高溫,冷卻均勻。沒有汽門過熱現象,故可提高壓縮比及使用辛烷值較低的汽油也不易發生爆震,即使發生爆震,對引擎機件的危害也較小。

5.轉速可以增加,而且轉速愈高性能高。

6.馬力加大容易,欲使馬力加大,可將引擎尺寸比例加大,或增加轉子數即可解決。

7.在性能、速度、起步、超車及耐用性方面之潛能,遠優於往復式引擎。

轉子式引擎之缺點跟無法普及的原因

1.耗油率較高,因燃燒時間短,故較不完全,使耗油量稍大(約多10%),但迴轉活塞式引擎使用普通汽油,故在油費方面增加有限。

2. 在起動及低速時,排出大量的碳氫化合物(為一般往復式引擎的二倍),但加速時排出量即減少,且下降率甚為明顯,因廢氣污染是一個很嚴重的問題,故迴轉式引擎的工作人員都盡力在為減少廢氣排出而努力。一般均裝用熱反應器或觸媒反應器及後燃器,因迴轉式引擎體積小,有足夠空間來安裝這些裝置。此外,迴轉式引擎每個排汽出之廢氣比往復式引擎多,排汽通道短,廢氣不易冷卻,點較為延遲,使用之空氣汽油混合比較稀等原罘,廢氣溫度較高,故後燃器之使用,對迴轉式引擎極為有利,大部分情況下,不需再進行點火。且獨特的機械結構也造成這類引擎維修不易

轉子引擎的原理

轉子引擎的運作原理,就是以轉子運轉過程來創造出進排氣及壓縮、燃燒等行程。基本上來說,它還是與一般傳統引擎採用相同的奧圖循環,隻不過機械的模樣不盡相同罷了!

轉子引擎是一款非常特別的引擎,其汽缸內部為8字型,內有一個三角形的轉子,由一支軸心傳輸動力,並可兩個轉子置於一支軸心,轉子在8字型汽缸中做偏心運轉,三個尖端與汽缸壁緊密接觸,形成三個燃燒室各自負責進氣、燃燒與排氣,而轉子運作時,會將汽缸分成三個部份,並藉者汽缸壁的形狀來進行進氣、壓縮爆炸與排氣,三個動作可說是同時進行,卻又不會影響到其它的動作,所以動力的輸出相當連貫,效率極高,不過轉子的尖端容易磨損,且製造成本高,目前並非引擎的主流設計。

今人汽車用的轉子引擎,全是汪格爾式的,因發明這種引擎的德國人汪格爾而得名,雖然一九六四年格爾引擎才生產問世,也許有一天會取代傳統的活塞引擎。這極轉子引擎的最大優點足不需上下移動,隻足不斷迴轉運動,而且輕巧緊密,活動機件比活塞引擎的少很多。

汪格爾引擎有固定的外殼,內腔似一個中間很寬的「8」字,內有像三角形的轉子。為了增加輸出功率,引擎可以有兩個或以上的轉子並列在一個軸心上。輸出軸的轉速是轉子速度的二倍。轉子在外殼內作偏心迴轉,三個尖端則依次與外殼內壁保持密切接觸。行星齒輪連接轉子與輸出軸,出軸等於活塞引擎的曲軸。在轉子的三個端點與外殼內緣之間有二個操作空間或室。轉子在軌道上迴轉時,每個空的空間依次擴大或縮小。外殼上安裝了一個火星塞(有時也裝兩個)、一條進氣道和一條排氣道。氣道一直保持暢開,在轉子迴轉時依次進氣和排氣。轉子每迴轉一周,每一個室均經歷一個完整的四相位循環,與活塞引擎中的四衝程循環相同,包括進氣、壓縮、動力、排氣。因為在轉子的三個端點間共有三個室,因此當轉子迴轉一周,就有三個動力衝程,推動轉子迴轉操作。

為了使氣體保持密封不漏,需要在轉子的三個端點和邊上裝上氣密密封。怎樣才能製造出既有效又耐用的密封一直是個大難題。雖然大部分汪格爾式引擎都有化油器,但亦有用燃油噴射式的。

汪格爾引擎的冷卻系統,基本上足水冷式,用油來冷卻轉子;也有空氣冷卻式的,不過並不適合汽車使用。

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