自工業(yè)革命以來，發(fā)動(dòng)機(jī)就一直扮演著一個(gè)很重要的角色，并不局限在汽車行業(yè)。在汽車行業(yè)之外，各種不同的應(yīng)用場景與需求也讓發(fā)動(dòng)機(jī)有了各種各樣的變化。與汽車上中規(guī)中矩的發(fā)動(dòng)機(jī)相比，會(huì)有一些新奇的變化產(chǎn)生。

　　比如今天要介紹的這款發(fā)動(dòng)機(jī)，就是其中一例。這款發(fā)動(dòng)機(jī)與現(xiàn)在車輛上用的發(fā)動(dòng)機(jī)類似，也是活塞發(fā)動(dòng)機(jī)，遵循進(jìn)氣-壓縮-燃燒-排氣循環(huán)，最大的不同在于氣缸并非是直列、V型或者水平對置的，而是圍繞著輸出軸，呈圓形分布在輸出軸周圍。也就是說，活塞與輸出軸平行，因而被稱為軸向發(fā)動(dòng)機(jī)（Axial Engine），也有根據(jù)其外形將其稱為圓筒式發(fā)動(dòng)機(jī)（Barrel Engine），或者根據(jù)曲軸樣式稱為Z型曲軸發(fā)動(dòng)機(jī)（Z-crank Engine）。

　　杜克第三代軸向發(fā)動(dòng)機(jī)

　　優(yōu)勢在于輕量化、高輸出性能

　　1911年，世界上第一款軸向發(fā)動(dòng)機(jī)由美國的Macomber Rotary Engine Company售出。這款發(fā)動(dòng)機(jī)是由另外一家公司Avis Engine Company制造，在輸出軸周圍安排了7個(gè)氣缸。那個(gè)時(shí)候，因?yàn)闅飧资切D(zhuǎn)的，也被稱為旋轉(zhuǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)。

　　從這之后，幾乎所有制造或者出售這款發(fā)動(dòng)機(jī)公司的目標(biāo)市場基本都是航空行業(yè)，用在飛機(jī)上。而現(xiàn)在，這類發(fā)動(dòng)機(jī)最常見的應(yīng)用場景是在魚雷之上，作為其推進(jìn)器。

　　唯一一家試圖將其移植到汽車行業(yè)的，是新西蘭一家發(fā)動(dòng)機(jī)公司——杜克（Duke）。這家公司從1993年開始研發(fā)軸向發(fā)動(dòng)機(jī)，并進(jìn)行了數(shù)次迭代與優(yōu)化，1999年時(shí)曾將一款軸向發(fā)動(dòng)機(jī)安裝到車上進(jìn)行試驗(yàn)。隨后，杜克與發(fā)動(dòng)機(jī)零部件供應(yīng)商馬勒進(jìn)行合作，在馬勒的美國與英國測試場對其發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了試驗(yàn)。

　　杜克將其發(fā)動(dòng)機(jī)命名為Duke Engine，即杜克發(fā)動(dòng)機(jī)。先從杜克發(fā)動(dòng)機(jī)來說一說氣缸圍繞輸出軸呈圓形分布的這種形式，是怎么工作的。

　　杜克發(fā)動(dòng)機(jī)與現(xiàn)在汽車上的活塞發(fā)動(dòng)機(jī)有很大不同。活塞并不僅僅是做上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，還會(huì)圍繞輸出軸旋轉(zhuǎn)。與活塞相連的連桿機(jī)構(gòu)推動(dòng)下方異型曲軸與氣缸呈反方向旋轉(zhuǎn)，因而最終輸出軸的旋轉(zhuǎn)方向也與活塞相反。

　　另外一個(gè)不同點(diǎn)在于，軸向發(fā)動(dòng)機(jī)并非是給每個(gè)氣缸配置一套進(jìn)排氣機(jī)構(gòu)與點(diǎn)火機(jī)構(gòu)，排氣口、進(jìn)氣口與火花塞同樣安裝在可以視為缸蓋的圓形固定零部件上。杜克發(fā)動(dòng)機(jī)有五氣缸，排量為3升，共布置有三套進(jìn)排氣與點(diǎn)火裝置。在發(fā)動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，氣缸會(huì)依次路過進(jìn)氣口、火花塞與排氣口，在達(dá)到對應(yīng)位置時(shí)，就如同現(xiàn)在常用的活塞發(fā)動(dòng)機(jī)上的進(jìn)氣、點(diǎn)火與排氣階段，因而一個(gè)氣缸旋轉(zhuǎn)一周會(huì)完成3次燃燒。對應(yīng)3個(gè)進(jìn)氣排氣口，進(jìn)排氣歧管同樣只有3根。

　　軸向發(fā)動(dòng)機(jī)的特殊性就來自于此。首先，氣缸運(yùn)動(dòng)方向與曲軸運(yùn)動(dòng)方向相反，可以減少發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)。其次，氣缸特殊的布置方式可以讓整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)變得緊湊，而這種進(jìn)排氣的方式同樣能夠減少發(fā)動(dòng)機(jī)上的很多零部件，相比于汽車上常用的活塞發(fā)動(dòng)機(jī)而言，凸輪軸配氣機(jī)構(gòu)、與曲軸相連的正時(shí)機(jī)構(gòu)都省去了，零部件數(shù)目的減少可以不僅讓發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)變得簡單，降低設(shè)計(jì)時(shí)的復(fù)雜性，同樣也可以讓重量大幅度降低。

　　杜克第二代軸向發(fā)動(dòng)機(jī)，圓筒式外形

　　為了知道具體差別，杜克公司在2012年完成對原型樣機(jī)的測試之后，買了當(dāng)時(shí)已經(jīng)在汽車上量產(chǎn)的兩款同排量活塞發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行對比。相較之下，重量要輕17%左右，而體積則要小三分之一。需要注意的是，杜克在進(jìn)行體積對比時(shí)，并非精確測量發(fā)動(dòng)機(jī)的體積，而是對比了剛好能夠裝下發(fā)動(dòng)機(jī)的箱子，得出此結(jié)論。

　　當(dāng)然還有在動(dòng)力輸出性能上的優(yōu)勢，相比于活塞發(fā)動(dòng)機(jī)而言，軸向發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞運(yùn)動(dòng)速度較快，單位時(shí)間內(nèi)做功次數(shù)增加，因而，杜克表示，他們的3升發(fā)動(dòng)機(jī)，能夠在性能上相當(dāng)于傳統(tǒng)3.6升活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出能力。這樣的話，發(fā)動(dòng)機(jī)在重量與小型化上的優(yōu)勢更加明顯。

　　這種特殊的布置方式也給軸向發(fā)動(dòng)機(jī)帶來一些附加優(yōu)勢，比如因?yàn)槿∠诉M(jìn)排氣閥門，火花塞又安裝在了缸蓋上，那么燃燒室的形狀設(shè)計(jì)上就有了更大的自由度；再比如從理論上來說，氣缸的數(shù)目并不一定要是5個(gè)，可以更多或者更少，杜克采用五氣缸布置是考慮到空間利用。

　　關(guān)鍵的是，這種點(diǎn)火方式，讓燃燒室壁在燃燒時(shí)候可以保持相對溫度較低。因而，杜克發(fā)動(dòng)機(jī)還是一款可以使用多種燃料的發(fā)動(dòng)機(jī)，且能夠使用較高的壓縮比，杜克發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比就在14。在樣機(jī)上，杜克公司使用了辛烷值不同的汽油（91-98），結(jié)果都發(fā)現(xiàn)運(yùn)行良好，也可以使用一些新興燃料，比如生物燃料、天然氣等。杜克同樣將不同性能的煤油拿過來進(jìn)行了測試，結(jié)果也發(fā)現(xiàn)，可以不需要修改或優(yōu)化直接使用，而如果想要使用柴油，則需要對發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行一些修改。

　　困難在于商業(yè)化之路

　　如果只是單純看動(dòng)力輸出性能，又或者是輕量化與小型化帶來的優(yōu)勢，這款發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)勢確實(shí)讓人垂涎不已。這應(yīng)該也是杜克公司堅(jiān)持了如此之久的原因，堅(jiān)信有著這樣優(yōu)勢的發(fā)動(dòng)機(jī)一定會(huì)有用武之地。不過，軸向發(fā)動(dòng)機(jī)并不是一款完美的發(fā)動(dòng)機(jī)，其同樣有一些困難需要克服。

　　首先，是密封問題。杜克的官方介紹中，其密封方式與兩沖程發(fā)動(dòng)機(jī)或轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的密封方式相類似，可以采取類似的技術(shù)，但是因?yàn)檫M(jìn)排氣都是與相同的接觸面有關(guān)，因而需要進(jìn)行密封的地方有所減少。杜克發(fā)動(dòng)機(jī)中使用的是滑動(dòng)金屬密封方式（在油膜上工作）。杜克并沒有提到具體采用的金屬材料，而是指從已經(jīng)量產(chǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)中有所選擇。2012年3月的樣機(jī)測試中，同樣經(jīng)過了密封測試，并且未來同樣的密封組件會(huì)在后續(xù)的發(fā)動(dòng)機(jī)中使用并進(jìn)行進(jìn)一步的密封測試。

　　其次，是曲軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題。這個(gè)異型曲軸在發(fā)動(dòng)機(jī)中起到很重要的作用，一方面曲柄與連桿聯(lián)動(dòng)驅(qū)動(dòng)輸出軸旋轉(zhuǎn)，另一方面還需要讓其保持與氣缸的旋轉(zhuǎn)方向相反，這樣才能起到減小振動(dòng)的作用。因而曲軸的結(jié)構(gòu)相對活塞發(fā)動(dòng)機(jī)，要復(fù)雜得多。

　　最后，從發(fā)動(dòng)機(jī)整體設(shè)計(jì)上來說，密封潤滑、燃燒、進(jìn)排氣與點(diǎn)火時(shí)間設(shè)置等都與傳統(tǒng)活塞發(fā)動(dòng)機(jī)并不相同。從最早的概念設(shè)計(jì)，到制造出原型機(jī)，杜克在部件設(shè)計(jì)上就進(jìn)行了很多修改，后續(xù)還需要更長的優(yōu)化時(shí)間（即從樣機(jī)走向量產(chǎn)）。

　　杜克從1993年開始研發(fā)軸向發(fā)動(dòng)機(jī)，1995年開始進(jìn)行概念試制，1996年第一代軸向發(fā)動(dòng)機(jī)試運(yùn)行成功，1998年在奧克蘭大學(xué)進(jìn)行測試，最大速度達(dá)到3500轉(zhuǎn)，1999年裝車的就是第一代軸向發(fā)動(dòng)機(jī)；2001年開始進(jìn)行第二代產(chǎn)品研發(fā)，2004年最大時(shí)速達(dá)到6500轉(zhuǎn)；2005年開始第三代發(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā)，2007年開始與馬勒接觸，部分測試工作從奧克蘭大學(xué)轉(zhuǎn)移到馬勒進(jìn)行，兩者從2011年開始正式進(jìn)行聯(lián)合開發(fā)。現(xiàn)在的第三代發(fā)動(dòng)機(jī)最大輸出功率是215馬力，最大到4500轉(zhuǎn)能夠保持最大輸出扭矩339牛米，最大運(yùn)轉(zhuǎn)速度6000轉(zhuǎn)。

　　上圖為1996年第一次運(yùn)行成功的發(fā)動(dòng)機(jī)，下圖為1998年在奧蘭克進(jìn)行測試的發(fā)動(dòng)機(jī)

　　然而，在技術(shù)問題之外，最大的問題還在于商業(yè)化。從汽車上的應(yīng)用來說，目前還并沒有任何一款產(chǎn)品能夠商業(yè)化，包括杜克。在2012年完成部分第三代發(fā)動(dòng)機(jī)的測試工作后，杜克的官方網(wǎng)站還繼續(xù)更新了一年多時(shí)間，包括提出了對第四代產(chǎn)品與技術(shù)的暢想，例如增加可變壓縮比等。但是，信息的發(fā)布基本截止在2013年。

　　據(jù)杜克官方信息透露，在初始資金之外，杜克的財(cái)力支持來自于新西蘭貿(mào)易發(fā)展局以及科技與創(chuàng)新部，還有一些私人企業(yè)在支持他們進(jìn)行開發(fā)。杜克的聯(lián)合創(chuàng)始人John Gravey在2014年接受采訪時(shí)表示，公司并未進(jìn)行過融資。因而，從1993年到2013年這20年間，所有的工作基本止步于開發(fā)與樣機(jī)測試階段，并沒有再往下一步進(jìn)行。其根本原因除了資金上的缺乏之外，還在于并沒有找到自己的客戶，并沒有哪家車企表現(xiàn)出興趣。

　　動(dòng)力性能不錯(cuò)、輕量化又緊湊的發(fā)動(dòng)機(jī)確實(shí)存在一定的吸引力，但是從完成樣機(jī)測試到能夠量產(chǎn)之間，本來就還有很長的研發(fā)與優(yōu)化過程，需要投入大量的人力物力與財(cái)力。對于車企而言，這筆投資是否值得需要進(jìn)行多方衡量。

　　更何況，2013年前后正是新能源動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)開始興起的時(shí)候，車企們或在進(jìn)行觀望，或在暗地里為相關(guān)技術(shù)做準(zhǔn)備。畢竟來自于法規(guī)的節(jié)能減排壓力是最實(shí)際的。因而，對于杜克發(fā)動(dòng)機(jī)，在汽車上的應(yīng)用，前景并不看好。唯一有可能的，是插電式混合動(dòng)力或者電動(dòng)車上的增程發(fā)動(dòng)機(jī)。比如車云菌此前報(bào)道過的微型燃料渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)，行業(yè)內(nèi)在增程發(fā)動(dòng)機(jī)上的新嘗試，反而更多。更有可能的，依然還是在軸向發(fā)動(dòng)機(jī)此前一直發(fā)揮作用的航空領(lǐng)域。