自工業革命以來，發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。在汽車行業之外，各種不同的應用場景與需求也讓發動機有了各種各樣的變化。與汽車上中規中矩的發動機相比，會有一些新奇的變化產生。

　　比如今天要介紹的這款發動機，就是其中一例。這款發動機與現在車輛上用的發動機類似，也是活塞發動機，遵循進氣-壓縮-燃燒-排氣循環，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，因而被稱為軸向發動機（Axial Engine），也有根據其外形將其稱為圓筒式發動機（Barrel Engine），或者根據曲軸樣式稱為Z型曲軸發動機（Z-crank Engine）。

　　杜克第三代軸向發動機

　　優勢在于輕量化、高輸出性能

　　1911年，世界上第一款軸向發動機由美國的Macomber Rotary Engine Company售出。這款發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，因為氣缸是旋轉的，也被稱為旋轉發動機。

　　從這之后，幾乎所有制造或者出售這款發動機公司的目標市場基本都是航空行業，用在飛機上。而現在，這類發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的，是新西蘭一家發動機公司——杜克（Duke）。這家公司從1993年開始研發軸向發動機，并進行了數次迭代與優化，1999年時曾將一款軸向發動機安裝到車上進行試驗。隨后，杜克與發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動機進行了試驗。

　　杜克將其發動機命名為Duke Engine，即杜克發動機。先從杜克發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。

　　杜克發動機與現在汽車上的活塞發動機有很大不同?；钊⒉粌H僅是做上下往復運動，還會圍繞輸出軸旋轉。與活塞相連的連桿機構推動下方異型曲軸與氣缸呈反方向旋轉，因而最終輸出軸的旋轉方向也與活塞相反。

　　另外一個不同點在于，軸向發動機并非是給每個氣缸配置一套進排氣機構與點火機構，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。在發動運轉時，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，就如同現在常用的活塞發動機上的進氣、點火與排氣階段，因而一個氣缸旋轉一周會完成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，可以減少發動機的振動。其次，氣缸特殊的布置方式可以讓整個發動機的結構變得緊湊，而這種進排氣的方式同樣能夠減少發動機上的很多零部件，相比于汽車上常用的活塞發動機而言，凸輪軸配氣機構、與曲軸相連的正時機構都省去了，零部件數目的減少可以不僅讓發動機結構變得簡單，降低設計時的復雜性，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，買了當時已經在汽車上量產的兩款同排量活塞發動機進行對比。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，并非精確測量發動機的體積，而是對比了剛好能夠裝下發動機的箱子，得出此結論。

　　當然還有在動力輸出性能上的優勢，相比于活塞發動機而言，軸向發動機的活塞運動速度較快，單位時間內做功次數增加，因而，杜克表示，他們的3升發動機，能夠在性能上相當于傳統3.6升活塞發動機的輸出能力。這樣的話，發動機在重量與小型化上的優勢更加明顯。

　　這種特殊的布置方式也給軸向發動機帶來一些附加優勢，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計上就有了更大的自由度；再比如從理論上來說，氣缸的數目并不一定要是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，杜克發動機還是一款可以使用多種燃料的發動機，且能夠使用較高的壓縮比，杜克發動機的壓縮比就在14。在樣機上，杜克公司使用了辛烷值不同的汽油（91-98），結果都發現運行良好，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，結果也發現，可以不需要修改或優化直接使用，而如果想要使用柴油，則需要對發動機進行一些修改。

　　困難在于商業化之路

　　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勢，這款發動機的優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，堅信有著這樣優勢的發動機一定會有用武之地。不過，軸向發動機并不是一款完美的發動機，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動機或轉子發動機的密封方式相類似，可以采取類似的技術，但是因為進排氣都是與相同的接觸面有關，因而需要進行密封的地方有所減少。杜克發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，而是指從已經量產的發動機中有所選擇。2012年3月的樣機測試中，同樣經過了密封測試，并且未來同樣的密封組件會在后續的發動機中使用并進行進一步的密封測試。

　　其次，是曲軸的結構設計問題。這個異型曲軸在發動機中起到很重要的作用，一方面曲柄與連桿聯動驅動輸出軸旋轉，另一方面還需要讓其保持與氣缸的旋轉方向相反，這樣才能起到減小振動的作用。因而曲軸的結構相對活塞發動機，要復雜得多。

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

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

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

　　然而，在技術問題之外，最大的問題還在于商業化。從汽車上的應用來說，目前還并沒有任何一款產品能夠商業化，包括杜克。在2012年完成部分第三代發動機的測試工作后，杜克的官方網站還繼續更新了一年多時間，包括提出了對第四代產品與技術的暢想，例如增加可變壓縮比等。但是，信息的發布基本截止在2013年。

　　據杜克官方信息透露，在初始資金之外，杜克的財力支持來自于新西蘭貿易發展局以及科技與創新部，還有一些私人企業在支持他們進行開發。杜克的聯合創始人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出興趣。

　　動力性能不錯、輕量化又緊湊的發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之間，本來就還有很長的研發與優化過程，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動系統開始興起的時候，車企們或在進行觀望，或在暗地里為相關技術做準備。畢竟來自于法規的節能減排壓力是最實際的。因而，對于杜克發動機，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動機。比如車云菌此前報道過的微型燃料渦輪發動機，行業內在增程發動機上的新嘗試，反而更多。更有可能的，依然還是在軸向發動機此前一直發揮作用的航空領域。