基本介紹
- 中文名：馬自達轉子發動機
- 屬於：無活塞迴旋式四行程內燃機
- 產自：馬自達汽車公司
發展的開端,歷年轉子發動機型號,40A型,L8A型,10A型,3A型,13A型,12A型,12B型,13B型,相關,
發展的開端
最初汪克爾所發明的汪克爾發動機專利權原是屬於德國NSU車廠擁有，雖然1960年1月19日汪克爾在德國工程師學會（Verein Deutscher Ingenieure，常縮寫成VDI）的會議上向世人公開發表這具無活塞迴轉式發動機的新發明，吸引了包括美國通用汽車（General Motor）、德國戴姆勒·賓士（Daimler Benz）和日本豐田（Toyota）等車廠的目光，但經過試驗發現量產實用化的困難度比預期還要高后，他們紛紛打了退堂鼓。
第二次世界大戰結束後，位於廣島市有一座幟町廣島和平紀念教堂（幟町広島平和記念聖堂），其教會鐘樓的和平之鐘乃當時的德國總理康拉德·阿登納（Konrad Adenauer）贈送，於是透過康拉德·阿登納的這層關係與NSU車廠搭上線。在1961年2月為了簽約取得專利授權許可，馬自達接受的苛刻條件如下：
- 10年的簽約金額為2億8千萬日圓，當時約可支付馬自達8,000位員工的一個月薪資。
- 馬自達必須無條件提供產品專利權給NSU車廠。
- 每一輛搭載汪克爾發動機的汽車上市後，須向NSU車廠交付權利金。
同年7月該公司指派8位技術人員遠赴當時位於西德的NSU車廠接受技術細節的培訓，其中包括後來被任命為“RE研究部”部長的山本健一。NSU車廠人員在運轉的汪克爾發動機上置放一枚銅板卻屹立不倒，向馬自達的技師們展示這具發動機的靜肅性。不過他們稍後卻發現運轉一段時間後，轉子室缸壁會出現轉子頂點菱封所造成的波狀磨痕；解決此問題才能正式實用量產化。1963年（昭和38年）馬自達成立“RE研究部”，並任命山本健一率領46位工程師研究改良汪克爾發動機。此47人後來被稱呼為“轉子四十七士”（ロータリー47士），含有仿效赤穗四十七浪士不成功便成仁的意涵。在此同時，因面臨乘用汽車進口自由化的壓力，日本通商產業省（今經濟產業省）於1965年主動提出整並國內汽車界的構想。屈迫於這種被合併的危機，當時松田恆次社長提出“技術永遠是革新”（技術は永遠に革新である）的口號，更激發RE研究部的決心。
由於汪克爾發動機的構造獨特，轉子以偏心圓的方式在橢圓形空間裡迴轉。為了讓它的三個面與缸壁之間保有一定的氣密性，其三個端點必須裝設一種由“菱封”（apex seal）與“角封”（corner seal）組成的的立體機構。菱封的作用類似活塞環，內部的彈簧片會配合菱封與缸壁間的空隙伸縮。經過日積月累的偏心圓運轉，菱封對缸壁會造成波狀刮傷（chatter mark，被戲稱為“惡魔的爪痕devil's fingernails”）。換句話說，改善菱封材質的進程儼然為汪克爾發動機的改良發展史。
這個研究團隊經過不斷的測試發現，波狀磨痕的間隙與菱封固有震動數值相同，因此他們改變菱封的形狀，在接近頂端處橫向開孔，並在交叉方向另開一縱向孔，稱為交叉孔（cross hollow）菱封。實驗證實菱封與缸壁的共振頻率被改變，300小時內不會出現波狀磨痕，總算初步解決這個問題。接著1964年夏天日本碳素公司（日本カーボン株式會社）開發出新碳素材料，馬自達遂以混入碳素的鋁合金材質取代原先的菱封材質。1967年5月上市的Cosmo Sport即採用碳鋁材質製成的菱封，成為世界上第一部將轉子發動機實用化的量產汽車。
1960年代起，美國洛杉磯盆地地區陸續發生空氣污染而造成天空籠罩白灰塵沙，美國聯邦政府自1965年起實施汽車空氣污染管制法（Motor Vehicle Air Pollution Control Act of 1965）。因轉子發動機的構造特殊，產生的氮氧化物（oxides of nitrogen，簡稱NOx）很少，但相對地會增多碳氫化合物（hydrocarbons，簡稱HC）。為了順利通過最大市場美國的廢氣排放標準，馬自達採取“溫控反應器”（thermal reactor）將廢氣中殘餘的碳氫化合物混合空氣後再度燃燒，使得轉子發動機車種於1969年10月正式登入美國市場。然而1970年12月美國國會又通過由埃德蒙·馬斯基（Edmund Muskie）提案、俗稱“馬斯基法案”的修正清潔空氣法（Clean Air Act Amendments of 1970），限制1975年後在美國銷售的汽車必須將碳氫化合物減少至現行十分之一以下。馬自達的技術人員立刻著手改良此一問題，並於1973年2月於美國市場推出油耗表現較佳、空氣污染較輕微的REAPS（Rotary Engine Anti-Pollution System的縮寫）型轉子發動機搭載車款第二代Luce。
除此之外，轉子發動機要克服的課題還包括油耗表現與低速扭力問題。先前量產的13B-REW型轉子發動機之進、排氣埠都是使用“外環氣埠”（peripheral port），造成混合的燃油與空氣在低轉速域間無法充分燃爆，甚至不易點燃。因此為了解決油耗表現與低速扭力的問題，馬自達自13B-MSP Renesis型開始將原本位於轉子外殼圓周的進、排氣埠移到側邊，稱之為“側邊氣埠”（side port）。另外，點火系統改為雙火星塞設計，提升燃油與空氣混合的點火效率。所以這些改良措施提高了轉子發動機的低速扭力表現，也解決了油耗問題。
1991年馬自達開發並測試了第一輛氫動力轉子發動機原型車，名為馬自達HR-X；1993年更發表了改良過的馬自達HR-X2。後來在2004年的底特律國際車展上，馬自達介紹了RX-8 Hydrogen RE（RE就是rotary engine之縮寫）概念車，這是一部氫氣及汽油雙燃料轉子發動機車。2006年2月時，日本國土交通省批准了RX-8 Hydrogen RE的租賃業務，馬自達生產了一批此型的RX-8交付給岩谷產業、出光興產等兩家公司使用。而在2009年4月，馬自達參加了挪威的HyNor計畫（在挪威首都奧斯陸至西岸沿海的Stavanger之間，打造一條580公里長的氫氣實驗道路，於沿途設定氫氣加氣站，以利氫氣動力車輛補充燃料），交付30輛氫氣燃料車進行實路測試。
歷年轉子發動機型號
40A型
馬自達發展出來的第一顆試驗用轉子發動機是40A型，排氣量386c.c.，轉子半徑90毫米、偏心量14毫米、深度59毫米。這是一顆非常近似NSU KKM 400型的單轉子發動機，卻只能連續運轉40小時，完全稱不上量產實用化。雖然此顆發動機未曾正式量產，卻幫助馬自達工程師迅速意識到兩個難題：轉子頂端的氣封刮傷缸壁而造成“惡魔的爪痕”（devil's fingernails），及因密封性不佳引起嚴重的油氣污染問題。
L8A型
- 單顆轉子：稱為0353型
- 二顆轉子：稱為L8A型
- 三顆轉子：稱為3804型
- 四顆轉子：稱為3805型，最大馬力160ps / 6,000rpm
10A型
10A型轉子發動機是馬自達1965年正式量產、實用化的汪克爾發動機，分成數種亞型，但它們皆是491c.c. X 2雙轉子發動機，而且共同點是深度60毫米。缸體採用鋁合金翻沙鑄模，其鋁合金經過碳化處理以加強剛性。為了耐磨，缸內更經過硬質鍍鉻表面處理；偏心軸以鉻鉬鋼製成，轉子本體則由鑄鐵製成，其頂端的菱封與角封則採用與缸體相同的碳化鋁合金製作。
0810型
第一具10A型轉子發動機是0810，重量141公斤，搭載於通常被稱作L10A的第一代Cosmo前期型上。轉子半徑105毫米、偏心量15毫米、深度60毫米；最大馬力110ps / 7,000rpm、最大扭力13.3kg·m / 3,500rpm。此型發動機使用雙側面進氣口，且各轉子由四腔化油器之一供油。為了節省油耗，在低轉速的情況下只開啟一個進氣埠。其冷卻系統採用軸流式，已經和NSU原始的星形設計迥然不同。
使用車款：
- 1967年-1968年：Cosmo Sports L10A
0813型
該亞型在1968年7月隨著第一代Cosmo Sports後期型登場，為了提升吸氣效率而改變排氣埠的正時，使得最大馬力提升至128ps / 7,000rpm、扭力峰值14.2kg·m / 5,000rpm。
使用車款：
- 1968年-1972年：Cosmo Sports L10B
0820型
該亞型發動機使用於1968年6月以Familia車身為基礎的R100。為了降低製造成本，做了許多變更：缸體側邊改以鑄鐵、缸體本身從鋁合金翻沙鑄模改為一般鑄模、偏心軸改用鉻合金。排氣埠位置不變，但排氣道不再圍繞著轉子室。最大馬力為100ps / 7,000rpm，扭力峰值為13.5kg·m / 3,500rpm。乘坐5人時，從0加速至400米耗時16.4秒；不過降低成本的結果導致總重量從102kg增加至122kg。
使用車款：
- 1968年-1973年：R100
0866型
這是10A型的最後一個亞型，出現於1971年登場的RX-3。不同點在於轉子室空間採用新的塗覆工法，用噴霧方式塗上鉻，以延長轉子發動機的壽命。最大馬力105ps / 7,000rpm，扭力峰值達13.7kg·m / 3,500rpm。
使用車款：
- 1971年-1973年：RX-3 S102
3A型
3A型轉子發動機
完成於1970年的3A型乃屬單轉子發動機，排氣量356c.c. X 1，可輸出最大馬力38ps / 6,500rpm、扭力峰值4kg·m / 3,500rpm。原本馬自達打算將這顆單轉子發動機搭載於輕型車Chantez上，但受到同業阻撓而作罷。
13A型
13A型雙轉子發動機排氣量為655c.c. X 2，是專門為了前輪驅動車所設計的，最大馬力為126ps / 6,000rpm，扭力峰值為172N·m / 3,500rpm。轉子半徑達120毫米、偏心量17.5毫米，但深度維持60毫米。另一個特點是，13A型裝置了水冷式機油冷卻器。此型發動機僅搭載於外銷版稱為R130的Luce Rotary Coupe上，從此以後，馬自達再也沒有推出過前置前驅的轉子發動機車款了。
使用車款：
- 1969年-1972年：Luce Rotary Coupe / R130
12A型
573c.c. X 2的12A型算是10A型的加長版，轉子半徑維持不變，但深度加大至70毫米，偏心量15毫米。最大馬力120ps / 6,500rpm、最大扭力16.0kg·m / 3,500rpm。此型發動機自1970年五月迄1985年，共生產了15年。由於採用新的技術工法和改良材料，轉子室缸壁更加硬化。同時，12A型也是第一具非西歐或美國地區生產，卻完成利曼24小時耐力賽的發動機。
為了符合汽車廢氣排放標準，早期的12A型和前述的0866亞型一樣裝置了溫控反應器（thermal reactor），接著1979年日本地區改成稀薄燃燒亞型（lean-burn），而1980年美國地區則加裝觸媒轉換器因應。1981年馬自達發表6PI亞型（6 port induction的縮寫），也就是利用氣門運作來控制進氣的系統。
- 使用車款：
- 1970年-1973年：R100
- 1970年-1974年：RX-2
- 1974年-1978年：RX-3
- 1972年-1974年：RX-4
- 1972年-1974年：第二代Luce
- 1978年-1979年：第一代RX-7
稀薄燃燒（lean-burn）使用車款：
- 1979年-1985年：第一代RX-7（日本）
- 1980年-1985年：第一代RX-7（美國）
6PI使用車款：
- 1981年-1982年：第四代Luce
- 1981年-1982年：第三代Cosmo
12A型渦輪增壓[編輯]第三代Cosmo搭載的12A型渦輪增壓發動機
此類發動機是12A的最終版本，搭載於第四代Luce、第三代Cosmo和第一代RX-7上。供油系統為半缸內直噴技術，同時可為兩顆轉子注入燃油；且安裝了被動式爆震感知器，可消除發動機爆震。最大馬力可達165hp / 6,000rpm、最大扭力23.5kg·m / 4,000rpm，不過這顆渦輪增壓轉子發動機的油耗也很驚人。
使用車款：
- 1982年-1983年：第四代Luce
- 1982年-1983年：第三代Cosmo
- 1983年-1985年：第一代RX-7
12B型
1974年問世的12B型生產時間很短暫，主要搭載於RX-2和RX-3上。拿它跟10A型和12A型相較，其穩定性比較高，且使用單配電盤（10A型和12A型皆為雙配電盤）。
使用車款：
- 1974年-1978年：RX-2
- 1974年-1978年：RX-3後期型
13B型
此型轉子發動機是馬自達迄今產量最多的，生產周期已經超過卅年。13B型跟13A型沒有任何關係，反而是12A型的加長改良版，轉子深度80mm，排氣量為654 c.c. X 2。此型發動機從1972年的RX-4一直使用至2002年的RX-7，可分成許多亞型：
13B-AP型
“AP”即為anti-pollution的縮寫，為了因應當年各國政府制訂日趨嚴格的汽車廢氣排放標準，特別改良其廢氣排放，且在車名後頭加上“AP”。
使用車款：
- 1972年-1978年：第二代Luce/RX-4
- 1975年-1981年：第二代Cosmo AP / RX-5
- 1975年-1979年：Roadpacer
- 1974年-1977年：Rotary Pickup
- 1974年-1976年：Parkway Rotary 26
“RESI”取自於“Rotary Engine Super Injection”的縮寫，此型發動機搭配了首次獲得改良的進氣系統，藉由開、閉進氣埠時在雙層集氣箱內所產生的海耳姆赫茲氏共振（Helmholtz resonance）達到類似機械增壓的效果。此亞型發動機亦採用Bosch公司的L-Jetronic燃油噴射系統，最大馬力135hp、扭力峰值180N·m。
使用車款：
- 1983年-1986年：第四代Luce
- 1983年-1990年：第三代Cosmo
- 1984年-1985年：RX-7 FB
13B-DEI型
此亞型發動機同時具有6PI與DEI可變氣門系統，且裝置了四噴油嘴式電子燃料噴射裝置。最大馬力達146hp / 6,500rpm，最大扭力187N·m / 3,500rpm。
1986年出現渦輪增壓的13B-DEI型，安裝更新穎的四噴油嘴式電子燃料噴射裝置，卻去除了可變氣門系統。1985年至1988年的雙廢氣入口渦輪增壓器採用二段機械式排氣閥，1989年開始採用改良過的渦輪增壓器，以分開的多頭管驅動雙廢氣入口結構。
自然進氣型使用車款：
- 1985年-1988年：RX-7 FC，146hp
- 1989年-1991年：RX-7 FC，160hp
渦輪增壓型使用車款：
- 1985年-1988年：RX-7 FC，185hp
- 1989年-1991年：RX-7 FC，205hp - 215hp
- 1986年-1991年：第五代Luce
13B-REW型
13B-REW型除了自然進氣版本外，另采序列式雙渦輪增壓系統（sequential twin turbocharged system），並降低壓縮比，使得最大馬力達255ps / 6,500rpm，最大扭力30.0kg-m / 5,000rpm。不過此亞型轉子發動機常被訛稱為“13B-RE”，因為在進氣歧管外面鑄了這幾個字樣。另外，此亞型發動機最重要的特點為：第一是重量輕，本體淨重僅81公斤，加上渦輪系統、進氣冷卻器、進排氣歧管、發電機等元件後的總重量才148公斤；第二是馬力大：譬如RX-7 FD發展到1999年的後期第五型，最大馬力已提升至日本車廠馬力自主上限的280ps了。
雖然第三代RX-7和Eunos Cosmo都搭載這具含序列式雙渦輪增壓系統的13E-REW型轉子發動機，但兩者的渦輪尺碼不同：
- Eunos Cosmo採用一大（日立HT-15型）、一小（日立HT-10型）的雙渦輪，作動原理同上段所述。
使用車款：
- 1990年-1996年：Eunos Cosmo，最大馬力230ps / 6,500rpm，最大扭力30.0kg-m / 3,500rpm
- 1991年-1995年：Ẽfini RX-7，最大馬力255ps / 6,500rpm，最大扭力30.0kg-m / 5,000rpm
- 1996年-1998年：Ẽfini RX-7，最大馬力265ps / 6,500rpm，最大扭力32.0kg-m / 5,000rpm
- 1999年-2002年：RX-7，最大馬力280ps / 6,500rpm，最大扭力32.0kg-m / 5,000rpm
20B型
此亞型發動機乃自13G型演變而來，而13G型為1985年馬自達757參加利曼24小時耐力賽所使用的三轉子發動機，最大馬力450ps / 8,500rpm。接著1987年11月767取代退役的757時，馬自達將13G型更名成20B型，且將原本的外環氣埠（peripheral port）設計改良成新型的側邊氣埠（side port）。
20B-REW型是馬自達唯一量產化的渦輪增壓三轉子發動機，且僅使用於Eunos Cosmo。它的排氣量是654c.c. X 3，壓縮比9.0:1，渦輪壓力0.7 bar（70 kPa），可榨出280ps / 6,500rpm的馬力、41.0kg·m / 3,000rpm的扭力。
使用車款：
- 1990年-1996年：Eunos Cosmo，最大馬力280ps / 6,500rpm，最大扭力41.0kg·m / 3,000rpm
13J型
馬自達開發的第一顆賽車用四轉子發動機13J型出現於1987年JSPC全日本運動原型賽車耐久錦標賽的最終役“富士500公里錦標賽”，搭載於以馬自達757延長軸距而來的757E原型賽車上。翌年出現改良版的13J-M型（M即為Modified修改之意），搭載於參加C組賽車系列賽里利曼24小時耐力賽的767，最大馬力550ps / 8,500rpm。隔年更發展出可變進氣系統的13J-MM型，最大馬力630ps / 9,000rpm，但是13J型的先天體質設計不佳，後來被26B型取代。
R26B型
四轉子發動機R26B型用以取代前述的13J型，基本上是將兩具13B型雙轉子發動機連結在一起，采外環氣埠（peripheral port）設計，但每個轉子都附有三個火星塞。1991年搭載R26B型發動機的787B贏得利曼24小時耐力賽的綜合優勝，是第一部日本車廠製造，也是第一部搭載轉子發動機的賽車獲得此項殊榮。總排氣量為2,616c.c.（654c.c. x 4），可產生最大馬力700hp / 9,000rpm，峰值扭力54kgm / 7,500rpm。
13B-MSP Renesis型
搭載在RX-8上的轉子發動機被原廠稱為Renesis，事實上仍以13B型為基礎，加以改善燃油效率與降低零件損耗，故開發代號稱作13B-MSP型。其中“MSP”為“multi side port”的縮寫，表示該具發動機將進、排氣埠位置轉移到側邊外殼上。13B-MSP型自13B-REW型的自然進氣版本進化而來，除了承襲前代體積小、輕量化優點外，也將進、排氣埠改到側邊外殼上，以便改良空氣污染的問題。因為13B-REW型的進、排氣埠設於轉子外殼上，產生重疊角，導致混合油氣燃燒不完全而造成嚴重的空氣污染。
再者因轉子三個頂點的菱封氣密性不佳，導致低轉速的扭力過弱，所以13B-MSP型的壓縮比提高到10.0：1，以提高低速的扭力。另外，特別將菱封材質經過熱處理強化來解決氣密性這個問題。在發動機的潤滑工作上，13B-MSP型的機油槽向外延伸，並設計折流板以限制機油移動，並加高偏心軸位置以潑灑攪拌機油，使得潤滑度大幅精進，提高其耐用度。這具轉子發動機曾於2004年、2005年間連續獲得華德十大最佳汽車發動機的殊榮，亦曾於2004年5月獲得日本機械學會頒贈之獎章。
使用車款；
- 2003年-2012年：RX-8，250ps
RSC 26BDS-TT型
德國轉子超級跑車公司（Rotary Super Cars）採用兩具馬自達13B-MSP型之部分元件，加以改造成四轉子發動機，排氣量2,600c.c.，稱呼為RSC 26BDS-TT型發動機。搭配八速R-Shift變速箱，按自然進氣、RS單渦輪增壓系統及雙渦輪增壓系統調校出三種動力：
- GT-S車型：500hp
- GT-RS車型：800hp
- GT-RSR車型：1,200hp，可於3秒內加速至100km/hr
16X型
16X型於2007年隨著概念車大氣對外公開，目前僅知排氣量擴大成800c.c. X 2、轉子室空間的寬幅縮減、側邊外殼由鋁製成、採用缸內直噴技術等。可是如此一來，二氧化碳的排放量便大幅增長，難以通過諸多國家日趨嚴苛的環保標準。2013年11月新上任的第15任社長小飼雅道接受美國Automotive News訪問時明確表示：“目前暫時沒有推出轉子發動機的計畫，一旦採行，它必須是可行的方案，而且每年至少有10萬輛的銷售量，才有可能讓公司保持獲利。”。不過在2015年9月舉辦的法蘭克福車展上，小飼接受採訪時證實該公司仍持續研發新世代轉子發動機，並著手克服二氧化碳排放量、低轉速時扭力不足等難題。
SKYACTIV-R型
2015年10月29日開幕的第44屆東京車展上，原廠公開“RX-VISION”概念車，所搭載的次世代轉子發動機“SKYACTIV-R”結合創馳藍天技術，但並未公開動力細節。2016年4月原廠向美國提出新式轉子發動機的專利申請書曝光，證明原廠仍持續其開發工作。
