汪克爾引擎

汪克爾引擎打響名號，世人遂將其與轉子引擎劃上等號。事實上，無活塞迴旋式引擎還有許多截然不同的設計形式，不能一概而論。發展歷史概要.1950年代初期，德國工程師菲力斯·汪克爾投身NSU車廠創下同級車極速120mph的世界紀錄。1953年改由佛羅德領導NSU的研究開發部門，但首席工程師反對繼續開發無活塞迴旋式引擎，最後在保證汪克爾將與公司分享專利權以及不增加研究經費的情況下，汪克爾和佛羅德成功說服公司繼續進行此計劃。1957年2月1日汪克爾成功試作出第一個原型機DKM 54。但如此一來卻遇到了難題：轉子三個頂端的氣封密閉性會隨著轉子迴旋而逐漸下降。1958年有兩種KKM型引擎成功透過測試，確立了此型引擎的構造原理。1960年1月19日汪克爾在德國工程師學會的會議上向世人公開發表這具新的無活塞迴轉式引擎，因此又被稱作汪克爾引擎。同年NSU車廠將KKM 250型引擎試裝在Prinz車款上，最大德制馬力30hp / 5,000rpm。後來NSU車廠計畫將KKM 500型引擎搭載在車款上市銷售，然而真正的發售時間卻推遲至1964年，因為缸壁的抗磨力差，轉子頂端的氣封刮傷缸壁造成混合油氣無法被密封的嚴重技術性問題。1950年代末期和1960年代初期之間透過NSU車廠與汪克爾的授權，這種新式引擎的概念被廣泛應用在諸如割草機、船舶等機具上製造的303c.c.汪克爾引擎，組裝在他們的雪上摩托車。同時，汪克爾引擎在汽車的應用上也未曾停歇。繼Spider後，NSU車廠於1967年推出四門轎車型的；法國雪鐵龍也採用寇摩托公司在未經汪克爾授權的情況下，於1978年設計出一顆代號為VAZ-311的單轉子引擎，接著在1980年以VAZ-411型雙轉子引擎搭載在VAZ-2106車款上，大約生產了200輛。德國梅賽德斯-賓士汽車公司亦曾向NSU車廠購買專利權，並開發出燃油直噴型三轉子M950F型汪克爾引擎，1969年搭載在C111概念車上；翌年更製造出四轉子汪克爾引擎，最大馬力370hp，極速可達290km/hr。公司也曾於1973年2月簽約買下專利權，打算自行發展並裝在車款上，但最後決定向已經在1970年11月取得NSU車廠許可的通用汽車公司採購。可惜通用汽車開發此型引擎的速度來不及跟上Pacer上市發售的腳步。部分原因出自1973年10月爆發的第一次石油危機導致汽油價格攀升，且通用汽車開發的汪克爾引擎無法透過美國的車輛廢氣排放標準，所以後來也未曾公開其試驗結果。自21世紀開始，全球變暖造成全球環境的劇烈變化，全球車廠開發新型車輛時也思考如何節能減碳，因此混合動力車輛、氫氣車等強調環保意識的汽車受到消費者的青睞。德國奧迪汽車公司在2010年研發以單轉子引擎搭配電動機的A1 e-tron車款，由於汪克爾引擎具有高效率、低振動、輕量小巧的特性，才被奧迪汽車納入計劃，以便在鋰電池電量不足時，用來驅動發電機。設計.基本工作原理.汪克爾引擎的基本結構是在一個橢圓形的空間中，置入一個勒洛三角形形狀的轉子，轉子的三個面將橢圓形空間劃分為三個獨立的燃燒室。由於轉子採偏心運轉，因此這些被分隔的獨立燃燒室在運轉過程中，容積會不斷地改變，此型引擎就是利用密閉空間變化的特質來達成四行程運轉所需要的進氣、壓縮、點火與排氣過程。傳統四衝程往復式活塞引擎引擎轉兩圈，各汽缸才完成一次進氣、壓縮、點火與排氣的過程。至於汪克爾引擎，轉子內圈齒輪的齒數為51、中心齒輪的齒數為34，51-34=17、17÷51=1/3。轉子的三個面同步進行不同的四衝程週期，故第一個面回到原點便完成三次四衝程週期。優點.汪克爾引擎的轉子每旋轉一圈就作功三次，與一般的四衝程引擎每旋轉兩圈才作功一次相比，整個引擎只有兩個轉動部件，跟一般的四衝程往復式引擎具有二十多個活動部件相比，簡化的結構使引擎體積縮小、重量減輕，故障率也減少。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能達到較高的運轉轉速，其轉速比往復式引擎上升得快，且具有高馬力容積比的優點。轉子旋轉的圓形運動比往復式活塞引擎的水平直線運動執行得更平順，故汪克爾引擎的震動與噪音比較小。汪克爾引擎既然體積不大且運轉順暢，又沒有往復式引擎排氣門導致的區域性高熱，所以排放的廢氣中少有碳氫化合物，這也是優點之一。再者，汪克爾引擎沒有進、排氣門為轉子進行吸、排氣埠的開闔，故不會產生因氣門結構引起的機械性損失或失誤，即使高轉數運作下也能確保正常的啟閉。因此以馬力而言，汪克爾引擎比往復式活塞引擎佔更大的優勢。缺點.想提升往復式活塞引擎的輸出馬力，方法非常簡單，但汪克爾引擎則不然。譬如改變往復式活塞引擎凸輪軸的角度或揚程，以變更氣門正時或加大重疊角而提升馬力；在汪克爾引擎上則必需移動或擴張進、排氣埠才得到同樣的效果。但是組裝往復式引擎的凸頂活塞提高壓縮比，以增加油氣混合密度且調整空燃比進而提升馬力，這種方式在汪克爾引擎上卻辦不到。即使加大轉子側邊的凹槽尺寸，也不能改變其空氣吸入量。換言之，想改造汪克爾引擎本體而增加馬力，便必須犧牲低轉速扭力換取高轉速馬力。此外，點火系統也是汪克爾引擎的弱點之一。因為它的燃燒室會移動運轉，爆炸的過程中火焰傳播的型態必定不佳，要採用複雜的雙點火系統和更強力的電火花，所以點火正時與火星塞的位置非常重要。因燃燒時間短暫，混合油氣的燃燒不完全，使得耗油量比往復式引擎多了約10%。汪克爾引擎在啟動與低轉速時會排出大量的碳氫化合物，是往復式引擎的二倍。但是加速提高轉速後，排出量明顯下降，所以一般對汪克爾引擎的空氣汙染問題都有疑慮。為瞭解決這個問題，一般會加裝熱反應器、觸媒反應器與後燃器等裝置。相對地，由於轉子引擎的三個燃燒室並非完全隔離，因此在使用一段時間之後容易因為菱封材料與缸壁磨損而造成漏氣問題，大幅增加油耗與汙染。雖然轉子引擎具有以小排氣量、利用高轉速而產生高輸出的特性，但由於工作原理與往復式引擎不同，世界各國在制訂引擎排氣量的稅則時，皆是以轉子引擎的實際排氣量乘以二來作為與往復式引擎之間的比較基準。舉例來說，馬自達生產的RX-8跑車，實際排氣量雖然只有1,308c.c.，但在日本國內卻是以2,616c.c.的排氣量來作為稅級計算的基準。應用領域.摩托車引擎.1974年後的三年間，德國於1980年代初期打造出車款。日本鈴木公司亦曾在1974年推出量產的汪克爾引擎機車RE-5，為了引擎散熱問題而設計的獨特散熱片、旋轉車鑰匙發動時儀錶板的外罩會開啟。不過因消費者難以接受新式引擎、油耗表現不佳等問題，讓這輛銷售低迷的機車在1976年壽終正寢。荷蘭的機車進口製造商範文摩托車重製了10輛，並公開銷售。飛機引擎.世界上第一架實驗性汪克爾引擎飛機是美國陸軍在1968年至1969年間使用的QT-2偵察機，源自洛克希德公司製造的Q-Star。它的引擎來自柯蒂斯-萊特公司RC2-60型汪克爾引擎，可輸出185hp的最大馬力。汪克爾引擎也被應用在軍用無人駕駛直升機上，譬如美國西科斯基飛機公司研發的Cypher和Cypher II，使用UEL AR801型汪克爾引擎，最大馬力為50hp。Cypher II也曾是美國海軍採購無人飛行載具的候選者之一。其他.由於汪克爾引擎體積小巧、構造簡單，美國柏克萊加州大學的微機電系統汪克爾引擎研究室已經發展出直徑1毫米、排氣量0.1 c.c.的汪克爾引擎；組成的材質包括矽和壓縮空氣。他們最終的目標是開發出一具可以供應100毫瓦特電力的內燃機。目前世上最大的汪克爾引擎是1975年至1985年間由美國英格索·蘭德則使用汪克爾引擎組裝在電鋸機或小船發動機等。除了內燃機的使用，最原始的汪克爾引擎原理也可應用在氣體壓縮機和機械增壓器上。在這些車款上，當減速感應器偵測到潛在危機時，微量的炸藥被電子裝置觸發爆開致使壓縮氣體灌入汪克爾引擎裡，旋即拉緊座位安全帶，使得駕駛者和乘客在意外發生前即被固定在座位上。