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

　　比如今天要介紹的這款發(fā)動機，就是其中一例。這款發(fā)動機與現(xiàn)在車輛上用的發(fā)動機類似，也是活塞發(fā)動機，遵循進氣-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)動機（Axial Engine），也有根據(jù)其外形將其稱為圓筒式發(fā)動機（Barrel Engine），或者根據(jù)曲軸樣式稱為Z型曲軸發(fā)動機（Z-crank Engine）。

　　杜克第三代軸向發(fā)動機

　　1911年，世界上第一款軸向發(fā)動機由美國的Macomber Rotary Engine Company售出。這款發(fā)動機是由另外一家公司Avis Engine Company制造，在輸出軸周圍安排了7個氣缸。那個時候，因為氣缸是旋轉(zhuǎn)的，也被稱為旋轉(zhuǎn)發(fā)動機。

　　從這之后，幾乎所有制造或者出售這款發(fā)動機公司的目標市場基本都是航空行業(yè)，用在飛機上。而現(xiàn)在，這類發(fā)動機最常見的應用場景是在魚雷之上，作為其推進器。

　　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)動機公司——杜克（Duke）。這家公司從1993年開始研發(fā)軸向發(fā)動機，并進行了數(shù)次迭代與優(yōu)化，1999年時曾將一款軸向發(fā)動機安裝到車上進行試驗。隨后，杜克與發(fā)動機零部件供應商馬勒進行合作，在馬勒的美國與英國測試場對其發(fā)動機進行了試驗。

　　杜克將其發(fā)動機命名為Duke Engine，即杜克發(fā)動機。先從杜克發(fā)動機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)動機與現(xiàn)在汽車上的活塞發(fā)動機有很大不同?；钊⒉粌H僅是做上下往復運動，還會圍繞輸出軸旋轉(zhuǎn)。與活塞相連的連桿機構(gòu)推動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。

　　另外一個不同點在于，軸向發(fā)動機并非是給每個氣缸配置一套進排氣機構(gòu)與點火機構(gòu)，排氣口、進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)動機有五氣缸，排量為3升，共布置有三套進排氣與點火裝置。在發(fā)動運轉(zhuǎn)時，氣缸會依次路過進氣口、火花塞與排氣口，在達到對應位置時，就如同現(xiàn)在常用的活塞發(fā)動機上的進氣、點火與排氣階段，因而一個氣缸旋轉(zhuǎn)一周會完成3次燃燒。對應3個進氣排氣口，進排氣歧管同樣只有3根。

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

　　杜克第二代軸向發(fā)動機，圓筒式外形

　　為了知道具體差別，杜克公司在2012年完成對原型樣機的測試之后，買了當時已經(jīng)在汽車上量產(chǎn)的兩款同排量活塞發(fā)動機進行對比。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，杜克在進行體積對比時，并非精確測量發(fā)動機的體積，而是對比了剛好能夠裝下發(fā)動機的箱子，得出此結(jié)論。

　　當然還有在動力輸出性能上的優(yōu)勢，相比于活塞發(fā)動機而言，軸向發(fā)動機的活塞運動速度較快，單位時間內(nèi)做功次數(shù)增加，因而，杜克表示，他們的3升發(fā)動機，能夠在性能上相當于傳統(tǒng)3.6升活塞發(fā)動機的輸出能力。這樣的話，發(fā)動機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)動機帶來一些附加優(yōu)勢，比如因為取消了進排氣閥門，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，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，這種點火方式，讓燃燒室壁在燃燒時候可以保持相對溫度較低。因而，杜克發(fā)動機還是一款可以使用多種燃料的發(fā)動機，且能夠使用較高的壓縮比，杜克發(fā)動機的壓縮比就在14。在樣機上，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)動機進行一些修改。

　　如果只是單純看動力輸出性能，又或者是輕量化與小型化帶來的優(yōu)勢，這款發(fā)動機的優(yōu)勢確實讓人垂涎不已。這應該也是杜克公司堅持了如此之久的原因，堅信有著這樣優(yōu)勢的發(fā)動機一定會有用武之地。不過，軸向發(fā)動機并不是一款完美的發(fā)動機，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)動機或轉(zhuǎn)子發(fā)動機的密封方式相類似，可以采取類似的技術(shù)，但是因為進排氣都是與相同的接觸面有關(guān)，因而需要進行密封的地方有所減少。杜克發(fā)動機中使用的是滑動金屬密封方式（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)動機中有所選擇。2012年3月的樣機測試中，同樣經(jīng)過了密封測試，并且未來同樣的密封組件會在后續(xù)的發(fā)動機中使用并進行進一步的密封測試。

　　其次，是曲軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計問題。這個異型曲軸在發(fā)動機中起到很重要的作用，一方面曲柄與連桿聯(lián)動驅(qū)動輸出軸旋轉(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的作用。因而曲軸的結(jié)構(gòu)相對活塞發(fā)動機，要復雜得多。

　　最后，從發(fā)動機整體設(shè)計上來說，密封潤滑、燃燒、進排氣與點火時間設(shè)置等都與傳統(tǒng)活塞發(fā)動機并不相同。從最早的概念設(shè)計，到制造出原型機，杜克在部件設(shè)計上就進行了很多修改，后續(xù)還需要更長的優(yōu)化時間（即從樣機走向量產(chǎn)）。

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

　　上圖為1996年第一次運行成功的發(fā)動機，下圖為1998年在奧蘭克進行測試的發(fā)動機

　　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)動機的測試工作后，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)在支持他們進行開發(fā)。杜克的聯(lián)合創(chuàng)始人John Gravey在2014年接受采訪時表示，公司并未進行過融資。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)與樣機測試階段，并沒有再往下一步進行。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。

　　動力性能不錯、輕量化又緊湊的發(fā)動機確實存在一定的吸引力，但是從完成樣機測試到能夠量產(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力。對于車企而言，這筆投資是否值得需要進行多方衡量。

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