困于进步边缘的奇异发动机

汪克尔发动机、斯特林发动机以及各种涡轮动力装置从未进入汽车主流。多家知名公司——从马自达到通用汽车，从梅赛德斯到沃尔沃——在这些领域耕耘了数十年。小型企业和个人发明家也从未放弃。然而事实证明，每一种替代设计所隐藏的陷阱都远超最初预期。这并不意味着非常规动力装置的开发是不可能的。发烧友们不断推进各种新想法，本文将探索有史以来最具异域风情的发动机概念。

分缸发动机：两个气缸，一次做功冲程

一些发动机设计师认为，气缸、活塞、连杆和曲轴的经典组合已经历经百年考验——改进内燃机只需在某些方面加以调整，而非从头开始。我们名单上的第一个例子是美国公司 Scuderi Group 开发的发动机，它保留了经典的进气、压缩、做功和排气冲程——但将它们分配到两个独立的气缸中：

• 冷（压缩）气缸——负责进气和压缩
• 热（工作）气缸——负责做功冲程和排气

当工作气缸中气体膨胀时，冷压缩气缸同步进行进气冲程。当工作气缸排气时，压缩气缸进行压缩。在压缩冲程结束时，两个活塞接近各自的上死点，混合气通过旁通通道从冷气缸输送至热气缸并点火。这种分缸循环——本质上是改良的奥托循环——于2006年获得专利，2009年 Scuderi Group 建造了试验性的 Scuderi 分缸循环发动机。

压缩气缸与工作气缸可以具有不同的直径和活塞行程，从而灵活调整发动机参数——类似于具有额外气体膨胀功能的米勒循环模拟器。在两个气缸之间的通道上增加带阀门的支路和高压储气瓶，发动机即可在制动时回收能量，并在加速时释放。然而多年来，Scuderi Group 的活动仅限于原型机和参加展会。实际效率提升尚不足以证明其复杂设计的合理性。

克罗地亚公司 Paut Motor 也采用了分工作循环的方案。其间隔排列的设计因以下几点而备受关注：

• 运动部件远少于传统发动机
• 摩擦损耗更低
• 运行噪音更小
• 尺寸紧凑：7升排量下体积仅为500×440×440毫米
• 重量约135千克——约为同排量传统发动机的一半

曲轴箱中没有机油确实需要外置润滑油箱，但发明者认为这是可以接受的权衡。已建造了数台原型机，但最终功率输出从未被官方公布。最后一台原型机于2011年组装完成，此后项目陷入停滞。

Bonner两冲程发动机：极致复杂，雄心勃勃

Bonner两冲程发动机（以其赞助商Bonner Motor命名）由美国人沃尔特·施密特（Walter Schmid）于2006年在美国发明，将机械复杂性推向了新的极限。与Paut Motor类似，其气缸呈X形排列，曲轴通过齿轮系统做行星运动。主要特点包括：

• 气缸底部设有气门，发动机本体内设有旋转滑阀用于配气
• 外部活塞可在油压作用下小幅移动，从而实现可变压缩比
• 高功率重量比是主要设计目标

从理论上看，Bonner发动机颇具吸引力。然而在实践中，该项目多年来未见任何重大进展——显然未能达到预期。

轴向发动机：气缸如左轮手枪般排列

另一些发明家保留了内燃机的工作循环，但重新设想了部件的物理布局。存在超过一个世纪的轴向发动机就是一个典型例子。它们在细节上各有不同，但共享同一原理：气缸像左轮手枪弹巢中的子弹一样排列，与输出轴同轴。各种机构——如斜销和锥形垫片——将活塞的往复运动转换为轴的旋转。

来自新西兰的 Duke Engines 项目是一个值得关注的案例：这是一款五缸四冲程轴向发动机，排量3升。与同排量的传统发动机相比，Duke 发动机具有以下优势：

• 重量减轻19%
• 体积缩小36%
• 在汽车、船舶和航空领域具有广泛的应用潜力

该发动机曾被许下广泛应用的宏伟承诺——但征服世界的梦想终究只是梦想。

加拿大公司Reg Technologies的 RadMax 发动机将轴向概念进一步延伸。它不采用独立气缸，而是通过薄叶片在公共鼓形腔内形成十二个隔室。安装在转子槽中的叶片随转子旋转沿槽滑动，鼓形腔两端的曲面定义叶片轨迹并控制气体交换。主要特点：

• 兼容多种燃料类型，但最初以柴油为主
• 2003年的原型机直径和长度均仅为152毫米，却能产生42马力——远超同等尺寸的传统发动机
• 后期原型机据报道达到127马力和380马力

尽管数据令人期待，RadMax 的所有活动似乎仍停留在实验阶段。

环形发动机：当气缸变成甜甜圈

来自已解散的加拿大公司VGT Technologies的 VGT 发动机（可变几何环形发动机）是又一个理论优于实践的案例。该发动机于2005年首次测试，用一个环形腔——即甜甜圈形腔室——取代了传统气缸，转子带动一对附加活塞在其中旋转。

一个带有活塞缺口的薄分配盘通过皮带传动横跨环形腔旋转，在压缩和做功冲程中限制燃油-空气混合气。2009年，美国企业家盖里·凯利（Gary Kelley）和里克·艾瓦斯（Rick Ivas）独立开发了一款与加拿大设计高度相似的环形发动机。他们估计，直径半米的环形腔将提供：

• 230马力
• 约1,000牛·米的扭矩
• 转速仅1,050转/分

他们的公司Garric Engines如今在其网站上仅显示一条简短提示：“感谢您的关注。该页面未来可能会更新。”

章动发动机：旋转圆盘取代活塞

美国人莱纳德·迈耶（Leonard Meyer）于2006年发明的章动发动机或许有着稍好的命运——至少已建造了数台可运行的样机。其名称源自拉丁语 nutatio（点头或摇摆）。迈耶的设计在发动机本体与一个做章动（侧向摆动）运动的圆盘之间形成四个容积可变的工作腔，该圆盘起活塞作用。圆盘沿直径被切成两半，穿套在Z形输出轴上，本体中的通道和阀门负责气体交换。

原型机由 Baker Engineering 及其姊妹公司 Kinetic BEI 制造，成果令人印象深刻：

• 单片102毫米圆盘：7马力
• 双片203毫米圆盘：120马力
• 双盘发动机尺寸：长500毫米，直径300毫米，排量3.8升
• 功率重量比：2.5–3马力/千克，而量产自然吸气发动机为1–2马力/千克

升功率不那么突出，但功率密度值得关注。Baker和Kinetic似乎正在持续改进设计，尽管其网站上的活动信息依然有限。

LiquidPiston：翻转的汪克尔发动机

旋转发动机的概念持续吸引创新者，仿佛脱离熟悉的活塞-气缸结构本身就意味着更好的性能。前苏联工程师尼古拉·什科尔尼克（Nikolay Shkolnik）移居美国后，与其子亚历山大（Alexander）共同开发了一款外形类似翻转汪克尔发动机的动力装置。一个花生形转子在三角形腔室内旋转——与汪克尔发动机的基本几何结构相同——但关键的区别在于，密封件固定在腔室壁上而非转子上。

什科尔尼克父子创立了 LiquidPiston 来推进这一概念，并获得了美国国防高级研究计划局（DARPA）的联合资助，潜在应用领域包括：

• 轻型飞机和无人机
• 便携式发电机
• 混合动力车辆动力系统

一台23立方厘米的原型机已实现20%的热效率——对于该排量级别而言相当出色。团队目前正致力于开发一款重约13千克、输出40马力的柴油原型机，预计热效率可提升至45%。

摆动活塞发动机：方形活塞

我们综述中的最后一款发动机证明，扁平紧凑型装置的吸引力是真实存在的——而且旋转部件并非实现这一目标的唯一途径。Pivotal Engineering 的摆动活塞发动机简单地将传统活塞方形化，使气缸在俯视图中呈矩形。这款两冲程设计已存在数年，期间多台原型机先后驱动了摩托车和飞机。

该公司主要面向航空应用，设计提供了一些真实的优势：

• 高功率重量比和功率体积比
• 出色的强制进气潜力，这得益于贯穿活塞固定轴的液体冷却通道——在传统发动机结构中难以实现
• 扁平外形，因为方形转子可以做得很薄

其他值得了解的异域发动机概念

除本文介绍的发动机外，还有许多值得关注的异域发动机设计。以下是一些值得一提的例子：

• 12转子汪克尔发动机——将马自达转子发动机概念推向极致
• 奈特套筒气门发动机——一款一个世纪前曾短暂与菌形气门匹敌的设计
• 对置活塞发动机——两个活塞共用一个气缸，无气缸盖
• 可变压缩比发动机——允许实时调整压缩比，以在不同负荷条件下优化效率
• 五冲程发动机——增加一个专用膨胀气缸，从燃烧气体中提取更多功
• 旋转叶片发动机——转子部件像汇聚与发散的剪刀叶片一样运动

为什么替代发动机无法实现量产？

即便对非常规内燃机设计进行简短梳理，也能发现一个引人注目的规律：数十种巧妙的想法，却极少出现在量产车辆中。反复出现的障碍如出一辙：

• 密封磨损——旋转设计常因顶端密封件随时间退化而失效
• 交变机械载荷——旋转叶片概念在叶片与轴的连接处容易出现疲劳
• 制造复杂性——异域几何形状成本高昂，难以大规模生产
• 可靠性与耐久性——非常规发动机很少能媲美经过百余年精炼的传统活塞发动机的耐久性记录

替代发动机举步维艰的第二个原因是，传统内燃机技术并未停滞不前。采用米勒循环的最新汽油发动机即便不使用涡轮增压，热效率也可达到40%——这是一个相当出色的数字，因为大多数汽油发动机的热效率仅为20–30%，柴油发动机为30–40%（大型船用柴油机可达50%）。

最重要的是，内燃机的全球替代方案已经到来：电动机和燃料电池动力装置。如果这些异域发明背后的发明家不能尽快解决技术难题，他们可能会发现市场已不再等待他们——电动汽车早已占领道路。

本文为译文。您可在此阅读原文：https://www.drive.ru/technic/57769ed4ec05c4745f00009b.html