这妥妥是汽车上的黑科技啊！转子发动机运行案例拆解分析

一般来说大家对旋转活塞发动机（以下称为转子发动机）的运行及使用方面感觉较神秘。而且在使用可靠性等方面有很多传言会造成相当大的困惑。这里用实例来简要说明一下。本质上大部分传言是因为转子发动机由于运行机制上与传统内燃机的区别而导致对活塞内燃机的使用经验和认识方式不能简单直接沿用导致的。
我们作为马自达的中国超级汽车联赛车队也在长期合作中接触到了较多技术资料，并和开发工程师有很多很深入的交流。同时我们作为中国境内目前唯一能够对民用量产转子发动机进行系统性维护与翻新大修的机构也积累了相当多对转子发动机使用及控制策略的经验。
两台发动机都是RX8上搭载的13B-MSP。马自达的13B系列转子发动机算到今天已经有超过30年的历史了。13B系列在各方面都达到了相当成熟的阶段。
13B-MSP相对于名气更大的搭载在RX7-FD上的13B REW来说，主要区别在于:
使用自然吸气，提高了压缩比（从9提高到10）
减小了“气门重叠角”（这里只是沿用这一概念，因为转子机类似于二冲程发动机，没有气门机构，只有扫气道）。气门重叠角几乎为0。此举极大改善了低速行驶的操纵性，低速行驶能够实现相对平缓，并改善了燃油经济性。（从RX7FD的13.5升百公里下降到RX8的10升百公里）
进排气道均设置于端盖上.而最佳性能设计是进排气道均处于燃烧室壁面上。设置于端盖上是为了降低排放，故意让排气不能完全排净，而把处于旋转活塞前端的含有最高比例没有充分燃烧的碳氢化合物废气带入下一燃烧循环充分燃烧之后再排出。
使用了一套极为复杂的进气系统，实现了进气道从怠速运转到10000转满转速之间进行4个阶段的调整。类似于可变气门正时与开度的设计。得益于这套系统，13B-MSP在相当程度的改善了燃油经济性和排放的情况下，实现了13B系列量产机最大的自然吸气功率。市售版的硬件峰值功率在260马力（日本销售版ECU设定在250马力，其他市场设置在232马力）
案例一：
这台发动机使用在一台国内销售的RX8量产车上。销售于2007年3月其间更换了4任车主。首任车主是我们不了解的，行驶里程4万公里。从第二任车主开始，该车的维护保养状况一直是我们完全掌握的。因此是一台非常有价值的样本机。到2017年5月份发动机进行拆解大修，共运行13万公里整。其间未发生任何明显故障。拆解大修的原因是发动机的使用实在太极限，对于这类高强度使用的运动车发动机，通常进行大修的里程是12万公里左右。如果待出现明确的故障再进行大修则可能成本就太高了。造成损坏的后果也很难预计。这台发动机13万公里的行驶里程已知包含了20小时2000km的赛道行驶里程。而其日常道路驾驶也是极高负荷的。如果折算来说，大约至少可以相当于25万公里里程的一般日常驾驶里程。
一般自然吸气活塞发动机的最大赛道大修里程是50小时，5000km。而自然吸气转子机可以最大达到100小时，10000km。原因是转子机的运动部件少，没有较容易出问题的正时系统和气门配气机构。
这台发动机从保养来说只是确保了大部分时候点火系统的工作正常。使用了正确的最低档次的机油。而且机油的更换间隔对于其负载来说相当长（平均7000km换一次美孚最便宜的速霸1000纯矿物机油）。这台发动机可以说没有任何额外保养，只是按照正确的使用方法做了最低限度的事情。

这台发动机从更换为第二任车主后，第一次测量缸压时候，气缸压力就较为偏低。全新出厂的发动机250转时气缸压力约为8.4bar左右。这台发动机当时测量的结果为7.2~7.3bar一直维持相当稳定。直到进行大修前测量结果是6.8~6.9 bar。根据Mazda的维修标准,7.0bar以上缸压的发动机都是健康的发动机。7.0~6.0bar之间的机器是需要进行大修的机器。低于6.0bar的机器是有明确故障的。实际随着发动机转速的升高，可供漏气的时间减少，在缸压测量时候测到的差值会被迅速减小。缸压在7.0bar以上时，这些机器在中高转速下输出并无实质性区别。但对低转速的燃油经济性确实可能造成一定的差别。这台发动机在更换第二任车主之后我们第一次检修时候就发现了极为严重的点火系统故障。四个点火线圈均严重击穿。但第二任车主没有维修和更换。从第三任车主即5万公里~13万公里之间，这台发动机都维持了点火系统的健康可靠。点火系统故障是RX8发动机故障的一个核心重要来源。点火故障导致发动机本身出现严重硬件故障的机理我们会放在后面解释。

图上那四条半透明的管路就是机油喷射管道。连接的四个铝制部件就是机油喷嘴。转子发动机因为活塞环(菱封）与油底壳之间是完全隔绝的，必须靠把机油注入燃烧室来满足密封边条的润滑。这也是导致转子发动机使用上存在较多特殊之处的原因之一。这导致许多机油问题会更明显的损害发动机。注入发动机内部的机油由一个步进电机驱动的机油泵输送。步进电机在不同的转速和负载下有不同的输送速率。以此保证发动机可靠和机油消耗量不至于过大，碳氢化合物排放不至于过高。

拆除水泵。这台发动机水道的残留物惊人的多。一方面说明其热负荷很大。另一方面使用的冷却液也存在过明显问题。

准备分离油底壳。

可以看到与活塞发动机不同，转子机的油底壳与旋转活塞之间是完全隔绝的。因此无法像一般活塞发动机的活塞裙部被连杆瓦甩出的机油润滑的那么好。所有润滑来源都来自于机油喷射。但机油喷射量大，则排放过高，机油消耗量过大。同时极大机油喷射量对于机油本身也有特殊要求，就是积碳必须轻或者无积碳。否则发动机内部会被很快填满。13B-MSP因为有意设计不能完全排气，因此机油的积碳就更容易积累。

分离机油泵盖。可见机油沉积物较少。

从飞轮侧放松贯穿发动机的紧固螺丝。这一圈螺丝的作用类似于活塞发动机上的缸盖螺丝。

取出紧固螺丝。可见其长度是相当可观的。当然对于四转子机螺丝的长度需要倍增。

抽取端盖。橡胶密封圈是密封端盖和燃烧室之间的。转子机对于高温会较敏感，因为转子机的燃烧做功区域是固定的。一旦冷却液循环出现问题，发动机进入高温状态，不均匀的热变形会非常大。密封圈就会失效，更多燃气渗漏到冷却液管道中最终使水泵完全失效。高温导致的发动机损坏在我们的维修量中也占到了1/3。

转子的基本状况。可见积碳较重。在这个案例中，积碳已经影响到了部分边封的运动灵活度。进一步发展下去，边封会逐渐失去弹性，而丧失对端盖的密封性。部分非常黏着的沉积物可能来自于首任车主使用了不正确的机油。这就是为什么使用非特制的全合成，或者半合成机油会直接杀死转子机的原因。使用了错误机油的发动机内部特征非常明显。沾满了黏着物，所有密封边条都失去了张力，被牢牢粘死。好的转子机专用机油几乎不留下任何积碳。但也不能使用两冲程机油，因为两冲程机油没有足够的耐久性，无法有效维持曲轴滑动轴承的动力润滑。所以转子机在机油的需求上存在相当特殊性。如果改用预混方式，就是在燃油里面加入两冲机油，而曲轴的润滑系统与缸内润滑相隔绝，单独使用全合成机油是可行的。但这不适用于商品市售车。这里面大部分可见积碳来自于普通矿物机油。这些普通积碳的底层是高粘度的沉积物，可能来自于早先不正确的机油。

这台发动机的端盖磨损较重。在部分区域出现了断层。经过测量断层的高差为0.04mm。而大修发动机时候端盖平面的高差要在0.05mm以下。这意味着端盖摩擦面需要重新抛平。较强的磨损显然来自于这台发动机长时间处于高转速大负载的工况下。但这个磨损情况在我们的维修案例中算是中等的，因为驾驶的操作方法较为正确。不正确的操作带来的频繁冲击会明显加大端盖摩擦面的磨损。

边封的磨损和沉积物情况。磨损情况是很良好的。沉积物略多。

端盖定位齿轮的磨损情况。这个磨损痕迹在维修的发动机中是相当重的。严重磨损的原因同前述。当然并不影响继续使用。但是如果大修过的发动机还要进行长期高负载的使用最好进行更换。以免发生断齿。

未擦拭前的燃烧室壁面。可见喷入燃烧室的机油留下的沉积物。这部分沉积物对于改善密封有相当明显的作用。不属于有害的。可见的端盖上的孔道是进气道。

发动机的热弧区域壁面。端盖上可见的空洞是排气道。可见在排气道以前的燃烧室壁面残留极少。因为都被烧掉了。注意观察燃烧室冷却水道，热弧区域的冷却液沉积明显多于其他部分。可见转子发动机不均匀的热负载这一特征。

排气道的机油沉积较为明显。13B-MSP不能充分排气对于高负荷使用造成的影响在这里较为明显。在不使用专用机油的情况下，燃烧沉积物积累较多。因为高负荷时候机油喷射量会达到最大。

擦拭后的燃烧室壁面。可见磨损情况相当好。非常均匀，震纹极轻到几乎不存在。震纹是转子发动机开发中的一个核心技术问题。是早期转子发动机原理发明之后一直制约其投入实用的核心难题。这里面有一些常见误解。

很多人误以为这是震纹。包括很多出版物和网络文章。但这是发动机内部发生崩碎以后造成的划痕。就相当于活塞机的“拉缸”。

这才是真正的震纹。震纹是横向的。震纹的产生机理是菱封在划过壁面时候震荡的频率产生的共振。震纹一旦开始形成到一定深度后会迅速扩大。比较形象的比喻是搓衣板路。

这其实形成的机理和转子发动机中的震纹是完全一致的。另外一个形象的例子就是如果我们试图用手拿刀子在木头上刮出一个平面。把刀子垂直于木头表面一直刮，很快也会形成震纹。那么为什么活塞机没有遭遇震纹问题而转子发动机会发生震纹问题呢？看起来都是密封条在一个光洁壁面上划过。原因在于，活塞机的活塞环划过缸壁是一个速度变化率极大的运动。没有给活塞环进入共振提供足够的时间窗口。而转子发动机的菱封则是以相当稳定的线速度划过壁面的，这里面给共振提供了非常广大的时间窗口。马自达的原始设计在目前已经极佳的解决了震纹问题。只要发动机正常运转，在30万里程之内，震纹都不会大到实际影响发动机运转。这是转子发动机磨损的关键性问题。这也就是为什么很多用转子机发动机当日用车开的女性，能没有任何困扰的把车开到30万公里以上才做第一次发动机大修。在正确的使用条件下，成熟的转子发动机设计可以提供相当优秀的低行驶磨损。
马自达首次解决震纹问题使用的菱封材料是石墨。本质上是刚度极大的材料共振频率极高且振幅极小，另外材料本身具有一定的自润性也有帮助。后来发展出的良品率更高的材料基于铸铁材料。通过各种手段极大提高菱封刚度来控制震纹的发生。另外可以稳定有效工作的就是陶瓷材料。但陶瓷材料一般不用于量产车上，主要用于竞赛车。陶瓷菱封可以在发动机全寿命中提供稳定的密封性，极为微小的磨损（同时对于菱封和缸壁）但热膨胀率太小导致发动机在从冷到热的过程中配合间隙会发生很大变化。这会让发动机热车灭车之后再启动极为困难。注定不能用于日用。
转子发动机菱封的特性也导致转子机对于爆震要比一般活塞机更为敏感。因为菱封缺乏弹性，在承受过大的峰值压力时候更容易产生结构破坏。而一般活塞环因为具有较好的韧性，在面对同样过大的峰值压力时候有更大的存活几率。但爆震显然是超出设计限度之外的非正常工作状态，无论对于转子机还是活塞机都是要严格控制的。只不过转子机在面临同样的临界爆震状况时候几乎可以肯定要比活塞机先出问题。除非使用为对抗爆震优化了的菱封。但这类菱封使用寿命会有明显缩短，也不适合日常使用，主要是适合使用高增压值的竞赛场合。

燃烧室蜂腰区域菱封从高峰滑落的时候接触压力会有所降低，因此这部分可以形成部分固态的积碳。

整体的磨损状况都非常完美。充分说明了正确使用下转子机的磨损是控制的很好的。
在两个火花塞孔周围可以看到一点纵向的划痕。火花塞会产生一些硬质的积碳，这些积碳脱落时候会造成些额外的磨损。实际这些划痕的深度都不大于0.01mm。
轴瓦的磨损极轻。转子机因为没有活塞往复运动，轴瓦的运行负载要明显低于活塞机。即便在如此长期重负荷使用之后，磨损程度也只有活塞机类似的1/3。一般来说转子机是不会由于润滑系统出现爆缸问题的。而活塞机在这方面的风险则是相当大的。
这台发动机在抛平端盖，更换新的菱封及菱封弹簧。角封及角封弹簧，边封及边封弹簧，缸体密封圈后，就又是一条好汉了。

本文出自北朝论坛，作者 : darsten_huowen

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