转子发动机以增程形式复出

近日，日本马自达官方宣布，其旗下经典的转子发动机将以增程器的形式搭载到MX-30车型上；增程版马自达MX-30车型将于2023年3月正式发布，争取率先在日本本土市场推出量产车型。MX-30轻混版搭载“e-SKYACTIV G”轻混模式的动力总成，2.0L自然吸气发动机+24V电机组合。动力总成最大功率132kW，最大扭矩233N•m。据了解，官方称这套动力为“multi-electric technology”(多电技术)，以转子发动机为核心的增程式动力系统将以“SkyActiv-R”的名字进行推广。

当转子发动机成为“增程器”

转子发动机让世界知道了马自达，但实际上转子发动机的发明者是一个叫做费·汪克尔的德国工程师。他在上世纪20年代就开始了研究，但由于这种发动机的结构特殊性，直到1957年才制造出代号为DKM54的第一台转子发动机，后来由于种种原因并未量产。1961年，对转子发动机钟情已久的马自达斥巨资买下了转子发动机的专利。后由被称为“转子之父”的山本建一挑选了47名精英工程师，开始了独自研发和生产转子发动机的道路，进行各种改造并量产，终于在6年后的1967年，第一台搭载转子发动机的车型——马自达Cosmo Sport 110S正式诞生。

马自达转子发动机

转子发动机的基本结构是在一个椭圆形的空间中，置入一个类似三角形的转子，转子的三个面能将椭圆形空间划分为三个独立的燃烧室。由于转子是偏心运转，因此这些被分隔的独立燃烧室在运转过程中，容积会不断地改变，利用密闭空间变化的特质来达成四行程运转所需要的进气、压缩、点火与排气过程。转子发动机的转子转一圈点火三次、也就是做了三次功，而转子转一圈偏心轴转三圈，所以等同于偏心轴转一圈、做一次功，对比四冲程发动机，完成四个冲程曲轴需要转两圈，曲轴转两圈才做一次功，所以转子发动机排量往往是同级别活塞发动机的两倍。

转子发动机有着得天独厚的优势，用旋转式工作取代无用的直线运动。由于转子的惯性和其所产生的震动都要比传统活塞连杆的惯性更小，因此转速攀升会比活塞发动机更快。同样功率的转子发动机相对于直线往复式发动机尺寸小，重量轻，并且振动和噪声很低。正是凭着转子发动机结构上的优势，马自达开始进军各大汽车比赛，很长时间一直霸占勒芒24小时耐力赛冠军的宝座。

1992年，马自达787B赛车被国际汽联禁赛，原因是参賽车辆必须达到低耗油、高效率的要求。马自达从此将转子发动机往民用领域发展，是少有的在量产车上采用转子发动机的品牌，例如旗下经典的RX-7、RX-8车型等。其中RX7得益于受到不少经典游戏、动漫以及电影的传播，名震一时。而从RX-8开始，转子发动机的问题逐渐显现出来，销量下降。这家日本汽车制造商不得不在2012年最终淘汰最后的转子车型RX-8，并从此停止转子发动机的研发。

转子发动机在传统燃油领域不能受到推崇，主要是在油耗、排放、成本和耐用性方面的缺点造成的。做功频率高就必须高频率地提供燃油，这是该发动机油耗高的前提。它很难控制较高的压缩比导致其燃油热效率很低，无形中又增加燃油消耗。由于没有独立智能的润滑系统把机油喷入气缸进行润滑，机油就一定会参与燃烧导致排放不达标。此外，转子发动机的密封问题一直得不到有效解决，容易产生温度差导致密封不严，虽然这种发动机结构简单但是集成度很高，维护起来太麻烦并且一般人做不了。由于长期在温度不均匀以及高效工作环境中其耐用性得不到保证，长期处于无法良好润滑的情况下工作，导致其过早的磨损。虽有很多种方案进行了改进，例如将气缸壁进行瓷化（对气缸壁表面进行陶瓷化，可以减少摩擦，并且在无润滑的情况下更耐高温），对于三个顶角的密封材料进行筛选等等，但始终无法有更好的突破。

马自达MX-30 车型

虽然转子发动机能以小排量产生更强的动力，但燃油经济性和排放很难控制，而活塞式发动机配合混动和涡轮增压更适合当下趋势。特别是随着新能源车型的发展，许多车企都开始将重心转向到电池和混动系统研发上，消费者对于新能源车型的逐渐接受及青睐，让马自达也不得不开始朝着新能源方向发展。马自达发现，转子发动机虽然缺点明显，但提供发电的效率高于普通活塞发动机，非常适合作为增程器的使用。在MX-30上，转子发动机的主要工作便是“充电”，电机的高扭矩和转子高功率充电互补，似乎是一个更有默契的组合。

提升MX-30续航里程至400km

目前，马自达MX-30拥有纯电动版与燃油版两种动力系统可选，其中燃油版匹配了24V微混系统。目前纯电版的MX30动力上配备“e-SKYACTIV”电驱总成技术，搭载最大功率107kW、最大扭矩265N•m的电机，属于正常水平。但在续航部分仅配备了容量为35.5kWh的电池组，WLTP工况下续航209km。作为一款油改电车型，不得不说这个续航里程太短了，很难满足日常使用需求。与竞争对手们相比明显处于下风，在纯电动车市场中处于劣势。马自达将通过增程器将续航提升至400km，即使在亏电的情况下，综合油耗也能控制在5L/100km左右。

去年，马自达公布了一份专利申请文件，内容为带有燃油发动机的混合动力四驱系统。由燃油发动机和电机为后轮提供动力，前轮各自有一个轮毂电机，由电池供电。另外，专利申请文件中提到的体积更小的转子发动机适用于该混动系统，描述了V型气缸发动机以及转子发动机的布局方案。此动力系统或将首先使用在马自达MX-30车型上，而马自达的转子发动机，很可能在新混动系统中起到重要作用，这意味着自2012年以来消失在大众视野中的转子发动机可能会在电气化时代重新出现。

一直以来，轮毂电机都会增加非簧载重量，为此马自达使用了相对较小的3.5kWh锂离子电池，其工作电压为48V。此外，电容器系统可通过动能回收进行充电，再由电容器为电池充电。当电容器没有足够的能量为轮毂电机供电时，则由电池提供电能。值得一提的是，马自达的这款混动系统最大的优势是重量轻，电容器比为轮毂电机供电的电池更轻，而且，电容器与前轮中的电动机距离短，可以减少线材的使用，从而减轻重量。

为了适应不同系统的电压，马自达还使用了三个逆变器，其中一个与发动机和传动轴之间的主驱动电机连接。在起步和低速行驶时，由后轮内燃机和驱动电机共同驱动车辆行驶。而当车辆在高速且需要大扭矩驱动力时，前轴的两个轮毂电机也会协同工作，组成四驱系统。

通过混动实现转子发动机价值

增程版MX-30让人想起了RX-8的无B柱造型，可以满足追求个性消费者的需要。增程器作为发电使用，能缓解续航里程的焦虑。转子发动机运转顺滑噪音小，更轻的质量和更小的体积非常适合MX-30这样的车型。转子发动机不直接参与车辆驱动，所以本质上还是一台电动车，可以加注汽油提升续航以及进行外充电。采用的转子发动机排量为0.33L，体积很小，也不重，不会占用较多的车内空间和重量。

马自达曾经表示，不希望因为电池的重量而牺牲车辆的驾驶性。作为增程器，转速的重要性不言喻。转子发动机不但转速高于传统活塞发动机，而且独特的旋转做功模式引起的震动也要更小，平顺性和静谧性有助于提升MX-30的运转品质。

不过，马自达用转子发动机当“充电宝”的想法并非完全创新。奥迪10年前就曾经研发过一款奥迪A1e-tron增程式电动车，专门为未来都市打造。蓄电池组包括一个锂离子模块包，装配在后车轴前面的地板内，这种设计利于整车重心的降低和前后质量的均匀分布。奥迪A1e-tron的增程式设计非常具有超前意义，但是奥迪最终没有继续延续这项技术研究，第五代大众Polo的PQ25平台现在看来已经是古董了。

带有增程器的车辆通常具有更大、更昂贵的电池组，但发动机的运行频率低于普通插电混合动力车辆。对于马自达来说，转子发动机是其灵魂所在。转子发动机成为了一个“发电机”而不是提供动力，有点令人失望。不过以当下的技术来说，这种发动机搭载在民用的燃油车上是不现实的，搭载在增程式混动上却比较合适，正好能够扬长避短。随着MX-30轻混版的发布，人们更加期待未来马自达是否能够带来旗下首款搭载转子技术的SUV车型。从长远上来看，如果可以让转子发动机通过其高效率的特性达到增程器的效果，无疑可以帮助马自达研发更多的同类车型，将产生非常积极的战略意义。

不过对于马自达来说，在MX-30上使用转子发动机，似乎也是无奈之举，按理说如此黑科技的发动机应该有更重要的用途，使用在MX-30这样的相对小尺寸的SUV上，有点大材小用，同时也说明马自达或许对于转子发动机的动力输出控制仍然没有完全做到位，虽然该车企已经进行了多年转子发动机研究，但是在排放标准日益苛刻的大环境下，转子发动机现在面临的技术挑战和以前的完全不同。增程只是第一步，混动系统中的驱动机或许才是马自达想让转子发动机实现价值的地方。

(编译自cleantechnica.com  April 28,2022）

编译：李忠东

来源：荣格-《国际汽车设计及制造》

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