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之前教授有文章讲过发动机的入门理论以及常见的直列四缸发动机，发动机抖动的原因等，今天我们来看看V6、H4、V8、V10、V12以及W16发动机有什么特点。V型发动机，顾名思义是气缸成V字排列，基本上从6缸起步，因为V6发动机最大的优势在于长度比L6短，能容易布置，即便是前置前驱的车型也可以使用，例如日产有一段时期很喜欢使用V6的前驱车，例如风度A33等。V6发动机，一般情况下我们称靠近自己一侧的气缸为1号气缸，随后一次交替顺序定义，V6发动机的点火顺序也特别好记，同样是123456，左右左右交替点火，点火间隔我们之前的文章也曾经讲过如何计算，4x180/6=120，也就是120度，这也是V型气缸的夹角，也就是两组缸体的夹角是120度。但现实中的V6最常用的夹角是60度。V6发动机的曲轴，1、2活塞、3、4活塞以及5、6活塞两两共用共一个曲轴曲柄，有些V型发动机的夹角是180度，他们之间还叫V型发动机而不是水平对置发动机，是因为两个活塞共用一个曲柄。1、2活塞和3、4活塞之间相差120度，也就是说1、2活塞跟56活塞相差240度，假如从曲轴的轴向看过去，那么上面是1、2活塞的曲柄，左下是3、4活塞的曲柄，右下的5、6活塞的曲柄，他们互相间隔120度，大致呈一个等边三角形。V6发动机不像是L6发动机能实现完美自平衡，V6需要曲轴配重来平衡一阶振动。V型气缸的夹角是120度，左侧活塞处于下止点，而对应的曲轴配重当然刚好指向这个活塞，于是两者的力就互相抵消了；与此同时，在同一个曲柄上的另外一个活塞正处于下行阶段，随着曲轴旋转，当右侧这个活塞到达下止点的时候，配重刚好转到指向它，于是二者的力又互相抵消了。当活塞到达上止点时，与到达下止点时的情况刚好相反，所以同样可以平衡掉两者的力，使发动机达到平衡状态。不过实际中，汽车厂家更常用的夹角是60度的V6，而不是使用120度的V6，这样做发动机会更加紧凑。要实现这个目标，可以调整点火间隔或者用错位曲柄（Split pin crank）的曲轴。错位曲柄是让两侧活塞的位置互相错开一定的角度，2号活塞与1号活塞连接位置要向左偏转60度，之后再连接到曲轴上，这么做带来的结果就是1号气缸会比2号气缸早点火120度，这样就能同样做到点火间隔为120度。V6发动机最大的优点在于发动机比较紧凑，紧凑的发动机能够让布置更加简单，可以用在前驱、后驱、四驱布局上；V6发动机能够有比L4更大的排量，由于L4发动机由于二阶振动问题，排量无法做得很大，那么对于自然吸气发动机来说，V6就能做得更大排量；发动机强度也是V6的特点，L6发动机由于发动机纵向过长，所以容易引起扭转，而V6发动机则不存在这个问题。V6发动机的缺点在于其机械结构比较复杂，需要有两套缸头，更多的部件意味着更多的摩擦、惯性；制造成本也会更高，因为两个缸头需要有两套配气机构，还有一个形状特别的中缸；此外，V6发动机也会有二阶振动问题，跟L6相比V6发动机更像是两台三缸机的合体。水平对置跟传统直列和V型发动机不同，它的缸体是横向布置的，活塞也是平行运行的。水平对置发动机还被称为Boxer发动机，原因是因为它的活塞运动时是来回水平运动，看上起像拳击手出拳一样，所以也被称之为拳击手发动机。从平面图看，与V6发动机一样，1号气缸位于左下侧，2号气缸位于右下侧，以此类推。而点火顺序是1324，这样做就能平衡掉所有的不平衡的力。从曲轴上看，1、2号活塞同时向外或者向内运动，这样一来就可以平衡掉所有的力，3、4号活塞也是跟1、2号运动一样，所以同样能平衡。例如，3、4号活塞到达下止点时，此时的一阶力是向内的，而3、4号活塞是对向的，所以能互相抵消，而二阶力是向外的，但两个活塞同时拥有向外的力，所以二阶力也是平衡的。对于水平对置发动机来说，一阶力和二阶力都是平衡的。仔细观察，会发现其实两个对向的活塞是互相错开的，所以活塞给曲轴的力也是错开的，那么这些力就会使得发动机在自己的平面上左右摇摆（具体表现为俯视观察发动机时，会出现顺时针或逆时针的震动）。为什么不让活塞完全对称？当然这么做是可以的，但是这会导致气缸之间的间隙更大，从而发动机也会变长一些，最好的方式还是让它们保持错开的结构，再配合现代化先进的发动机悬置振动隔离技术处理，并且它本身产生的晃动也不会特别大。很明显，水平对置发动机的成本更高，它有两个缸体、两个缸头、两组气门装置这都让发动机的复杂程度增加。同时水平对置发动机宽度很大，需要更宽的地方去安装，维修保养的工作也会更加困难，尤其是缸头方面的工作，例如换个火花塞，普通发动机可能打开发动机盖就可以更换，但是水平对置发动机的车辆可能需要卸下发动机才能更换。首先，一阶振动和二阶振动都被平衡掉，这是水平对置发动机主要优势，所以发动机运转会更平顺，振动更小，甚至不需要曲轴配重来平衡活塞运动时重量产生的力，当然不能完全没有配重，还需要一些配重来平衡其他的一些力，不过水平对置发动机可以用一根更轻的曲轴，曲轴更轻意味着转动惯量更小，那么发动机转速的攀升也就更快，响应也更加好。另一个巨大的优势是重心低，直列引擎由于结构原因，重心不能降得很低，但是水平对置发动机不同，平躺式的结构让重心更加贴近地面，由于发动机是汽车重量占比较大的部件，降低发动机的重心也就是降低了车辆的重心，对于操控性有积极影响。V8发动机跟V6发动机类似，不过V8发动机的1号气缸的位于右侧，然后像V6一样以此类推，而左右两列气缸之间互相错开一些，这样，左右两个活塞就可以安装在同一个曲轴上。点火间隔，根据之前的理论，V8发动机的点火间隔是90度，也就是曲轴每转90度就会有一个气缸点火，这也是V8发动机的最佳夹角，V8发动机用90度气缸夹角，刚好匹配点火间隔，这里会以十字曲轴的V8作为例子，关于十字曲轴和平面曲轴文章下面会讲到。十字曲轴的V8的点火顺序是18436527，V8发动机通过在曲轴上增加平衡配重来平衡发动机的各部分力。跟很多发动机一样，平衡块运行方向跟活塞运行方向相反，这样就能平衡掉某个活塞的力；当曲轴旋转90度后，平衡块就可以平衡相邻活塞的力。V8发动机的重点是两侧的活塞共用一个曲轴曲柄，只是位置稍微错开一些。V8发动机的优势在于体积上，对于L6发动机来说，它很长，所以刚性也会弱一些；V8发动机把8个活塞都连接到一个更短的曲轴上，所以发动机本身也会更加紧凑，所以更容易安装在尺寸紧凑的机舱内。如果是十字曲轴的V8，那么它的平衡性会非常好。同时由于缸数更多，发动机的排量就能做得更大，不像是L4发动机由于二阶振动使得排量无法做得更大。V8发动机拥有一些诸如结构复杂、摩擦损耗过高等V型发动机都有的毛病以外，对于平面曲轴的V8来说，平衡性就不是特别好，主要集中在二阶振动的问题上，这里下文会讲到。对于十字曲轴的V8来讲，需要在曲轴上增加配重来平衡一阶振动，所以曲轴重量会相对重一些。之所以被称为十字曲轴和平面曲轴，主要是由于它们的直观形象，纵向看曲轴时，十字曲轴趋向于“十”字型，12活塞的曲柄在上面，78活塞的曲柄在下面，56活塞在左侧，34在右侧。而平面曲轴如其名，所有的曲柄都是在一个平面上，12、78活塞的曲柄在上面，34、56的在下面，当曲轴旋转起来后会不断交换位置。十字曲轴最前面的活塞假如当前位于上止点，最后面的活塞位于下止点，中间两个位于同一个平面上，但曲柄的错开的。在这种情况下，在垂直方向的一阶力是平衡的，但是由于力的作用点不重合，所以会使得曲轴产生前后俯仰问题，这时就需要增加曲轴配重，配重不仅用来平衡活塞的一阶力，也使得曲轴的前后俯仰被消除。十字曲轴V8的另外一个好处就在于二阶振动上，中间两个活塞的二阶力向下，两边的向上，于是二阶力也是平衡的，这也是为什么很多V8都是使用十字曲轴的原因。平面曲轴的V8基本上等同于两个L4用90度夹角合并而来，所以头尾的两个活塞会同步上下运动，中间的两个也会同步运动，由于L4发动机的二阶振动是不平衡的，所以平面曲轴的V8的二阶振动也是不平衡的。十字曲轴的优势：一阶和二阶都平衡，振动很小，这也是被广泛使用的主要原因。缺点：由于需要增加曲轴配重，所以重量会相对较大，旋转惯量也会增大，发动机的响应会变差；此外，由于需要曲轴配重，就需要一个更大的曲轴箱，更大的曲轴箱意味着发动机的高度会增加，发动机的重心也会变得更高；此外，由于点火顺序的原因，十字曲轴的V8会有排气干涉问题，简单来讲就是十字曲轴V8的排气脉冲不像是平面曲轴V8的左右交替排放，所以导致了问题。平面曲轴的优势：由于没有曲轴配重，转动惯量更小，发动机响应更快，转速攀升更快，曲轴消耗的能量更少，所以输出到车轮上的能量就会更多；排气不会像十字曲轴一样存在排气干涉问题，排气更加顺畅，缺点：二阶振动问题，但平面曲轴的V8可以通过更轻的材料，更短的冲程都会使得振动变小，这取决于车型定位以及资金的投入。V10发动机跟V8一样，只不过在两侧同时增加了一个气缸，点火间隔为72度，正是由于V10有很大的做功重叠角，所以V10的动力输出会很平顺。例如LFA，它的V10夹角是72度，跟它的点火间隔一致。当然，也可以使用不同的夹角，例如道奇蝰蛇的夹角为90度，使用其他角度时，可以改变点火顺序也可以使用错位曲柄来弥补这方面的不足。我们以宝马的V10举例，它的点火顺序是1-6-5-10-2-7-3-8-4-9，1到5号活塞位于缸体左侧，6-10号位于缸体右侧，其平衡性跟L5发动机有一定的相似之处，垂直方向的一阶和二阶力都是平衡的，但是会有前后俯仰问题，同样，V10使用平衡轴来解决前后俯仰问题。例如90度夹角的V10可以布置2根平衡轴来平衡发动机俯仰问题。V10发动机的优点：转速攀升快，例如LFA的使用V10背后的原因是它的转速攀升比V8块，而转动惯量又比V12小，并且V10能够在较少气缸数下能有不错的排量。假如你想要使用一个比较小排量的V10发动机，那么较小活塞的转动惯量也比较小，此时转速变化会更快，这也是改善发动机动力输出的方法。缺点：跟L5发动机一样，需要布置平衡轴。此外，V10发动机平顺性不如V12，而复杂程度又比V8高，这意味着制造成本也会同时上升。V12发动机是目前最平顺的发动机之一，大多数运用在某些旗舰车型例如劳斯莱斯、奔驰S级的顶级型号，或者某些超级跑车身上。V12的夹角可以是任意角度，因为V12是两个L6共用一根曲轴组成，而L6又是完美的自平衡发动机。V12的点火间隔是60度，曲轴每旋转60度就有一个气缸点火，所以V12的输出非常平顺。相对于L6发动机，V12的点火是其两倍，也就是有L6两倍的做功重叠，这是V12做功平顺的原因。以法拉利V12发动机为例，从俯视图来看，其左边是1-6号气缸，右边是7-12号气缸，点火顺序是1-7-5-11-3-9-6-12-2-8-4-10，两侧的气缸交替点火，这样排气的脉冲也是均匀的。V12相比起L6,曲轴每转一圈的做功次数更多，所以动力输出更加平顺；此外，即便是同样排量下，小活塞相比起大活塞也有好处，假如有两台发动机，一台是6.0L直列六缸发动机，另外一台是12缸发动机，V12发动机的活塞尺寸会比L6的更小，假设两者的转速都是6000rpm，对于L6发动机来说，每个气缸的容量是1L，而V12的发动机每个气缸容量为0.5L；假如缸径是一样的，那么V12发动机的冲程就会比L6发动机的短，因为发动机的平均活塞速度是有限制的，一台发动机无法无休止提升转速，主要是因为受限于火焰的传播速度。平均活塞速度=2x冲程x转速，对于L6发动机来说，通过计算后得出其平均活塞速度为21.68m/s，而V12的平均活塞速度是17.2m/s，很明显V12是平均活塞速度会更慢，平均活塞速度更慢意味着发动机的转速可以更高。如果把V12的转速上升到7500rpm，此时的活塞平均速度是21.5m/s，还是要低于L6发动机6000rpm时的平均活塞速度，所以平均活塞速度更慢的发动机可以提高发动机的转速极限。简单来说，V12的优点：极度平顺，并且由于做工密度、做工重叠更高，动力输出的平顺性会比L6更好；缺点：成本高、尺寸大、零件数量过多、重量大。W16发动机是量产发动机中最疯狂的做法，被用在布加迪车型上。W16可以看做是两台VR8发动机共用一根曲轴组成。这台发动机拥有四个涡轮增压器，我们可以分为左右两边来看，左侧8个气缸，右侧也是同样8个气缸。空气经过进气管路后，进入水冷式中冷器，这两个水冷式中冷器的散热器位于车辆的另外一个地方，用于冷却中冷器的冷却液，进而冷却穿过中冷器的空气，空气经过中冷器后，到达进气歧管，进气歧管分成8个管路，为单侧的发动机提供空气，另一侧同理。布加迪的W16发动机的V型夹角是90度，这个和大众集团是W8和W12不同，另外两者的夹角为72度，这台W16的点火顺序为：1-14-9-4-7-12-15-6-13-8-5-16-11-2-5-10。为什么要使用4个涡轮？据布加迪宣称，这样做的话发动机在低转速时的油门响应相对于两边各用一个大涡轮更好。优点：首先，第一个优点在于起结构紧凑，16个气缸大小只和V12发动机相当；因为拥有16个气缸，所以发动机的排量可以非常大，威龙上的W16可以达到8.0L，根据不同型号可以分别输出1000-1200匹马力。这台发动机的曲轴每转45度就有一个气缸点火，这意味着发动机的动力输出平顺性非常好。缺点：成本太高，如此多的零件，整个工程量是非常复杂的，同时要让他们良好工作，让这台发动机的售价水涨船高；此外，复杂性太高，这台16缸发动机有64个气门，4个涡轮；重量，这台发动机的重量高达400kg；继续扩大缸径有限制，主要是由于VR发动机的结构问题，只有把发动机缸体体积扩大后才能增加气缸缸径，但这样会进一步增加发动机的重量，所以只能在冲程上做文章。以上就是V型发动机最有代表性的V6，以及重心极低的水平对置发动机还有高输出V10发动机的原理以及优缺点，了解这些，更有利于你去了解车辆为什么选择该发动机，例如LFA为什么使用V10而不用V12？此外，发动机内部结构是一个非常有意思的科学，工程师通过各种手段，在有限的框架下突破发动机本身的上限，这也是非常有意义的事情。 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