汽车发动机有多个气缸,这些气缸是如何组合的?今天我们将讨论发动机气缸的布置样式。一般的布局风格有内嵌、V型、水平对齐等,这几种布局各有什么优缺点?
1,内嵌引擎
直列引擎是指所有气缸都并排排列在一条直线上。直列是历史最悠久、应用范围最广的气缸布置型,优点是气缸和曲轴结构简单,只需使用气缸盖一个,制造成本低,稳定性高,低速扭矩特性好。缺点是发动机不适合高速运行,不能提高转速提高动力,所以总功率低,不能太长。否则无法保证发动机刚度,也很难安装在汽车上。目前最大的直列发动机是直列6缸。
主流直列发动机缸数从单杠到六缸不等。一般用字母L表示,后面加上气筒数(例如L3、L4、L5、L6型等)。我们普通家用汽车最常用的是直列4缸发动机。在所有往复活塞发动机中,最好的是布局型直列6缸。这就是说,可以自我平衡振动,可以在没有平衡轴的情况下稳定运行,动力输出效率很高。唯一的缺点是发动机的刚度略有下降。例如,在最重视经济的大型卡车上,几乎使用直排6缸柴油机,这是最稳定、最高效的发动机。
有人说V6、V8、V12也不如直育吗?确实不如。V6、V8也必须有平衡轴。否则就会震动。V12组合了两个直六列发动机,一个直六列没有振动,但是组合两个气缸可能会有一些不平衡,所以也会有一些振动。(大卫亚设,Northern Exposure,)但是V型发动机的刚度比直六发稍好一些。
2,v型引擎
V型引擎是指将所有圆柱体分成两组,并以一定角度放置相邻的圆柱体,使两组圆柱体形成有夹角的平面,从侧面使圆柱体形成V型发动机。v型发动机的出现主要是为了解决直列发动机长度过大的问题,其优点是高度和长度大小小、重量轻,便于发动机舱的放置,气缸体刚度高,适应转速,提高转速极限,提高动力,通过扩大气缸直径的方式提高发动机扭矩。缺点是结构复杂,维护不方便,需要两套气缸盖和气体分配机制,成本高,机械效率低于内嵌发动机,V型发动机零部件多,振动和噪音也增加。除了V12,没有办法从根本上消除振动。
V型发动机气缸数量通常是双数字,如2、4、6、8、10、12等,分别表示为V2、V4、V6、V8、V10、V12。还有特别的5缸V型发动机,如大众的VR5发动机。V2发动机一般用于摩托车,V4比较少见。其他V6、V8、V10、V12等多用于奔驰S、奥迪A8、宾利、劳斯莱斯等高档车型。其中,V10很少见,但主要用于一些高性能汽车,如保时捷卡雷拉GT、奥迪RS6、宝马M5等。
V型发动机的气缸夹角是一个有趣的话题。V型发动机相邻两列气缸中心线的角度就叫做气缸夹角。选择正确的气缸夹角主要目的是为了消除振动,一般来说,夹角越小,振动越大,但较小的气缸夹角可以获得更强劲的扭矩。此外,不同的气缸夹角还可以让发动机发出不同的排气声浪。
常见的气缸夹角有60°、72°、90°、120°,一般V6发动机气缸夹角是60°、V8发动机气缸夹角是90°、V10发动机气缸夹角是72°、V12发动机气缸夹角是60°。而120°夹角发动机宽度过大,很少使用;72°夹角是V10发动机专用,它的气缸做功间隔角是不均匀的,在90°与54°之间切换;V8发动机的曲轴有十字曲轴与平面曲轴之分,其中十字曲轴振动较小,但扭矩爆发较慢,不适合高转速,排气声浪不好听,一般用于家用车上,而平面曲轴振动稍大,扭矩爆发剧烈,排气声浪优美,比较适合性能车;V6发动机气缸夹角一般都是60°,如果在某些情况下需要在两列气缸之间安装较大的元件时(比尔涡轮增压器),就需要把气缸夹角增大到90°。
V型发动机还有两个特例:VR型发动机和W型发动机。
VR型发动机就是小夹角V型发动机,它的气缸夹角非常小(一般为15°),两列气缸接近于平行,气缸盖上的火花塞孔几乎并在一条直线上。常见的VR发动机都是六缸的,也有少量的五缸机。VR发动机的结构紧凑,只使用一个气缸盖、一套凸轮轴就可以搞定,它的宽度接近于直列发动机,长度却不比直列发动机长多少,虽然气缸数量较多,但是发动机体积较小,非常适用于前横置发动机平台、但对动力有高需求的车型,比如大众高尔夫等。但是这种发动机并不是十分优秀的产品,它更像是一种对V型发动机和直列发动机的妥协,先天性的振动强烈,虽然加装了平衡轴,但是振动仍然比普通的直六和V6发动机大得多。目前这款发动机主要是大众公司在应用,不过搭载的车型很少了。
W型发动机是在VR发动机的基础上研发的,把两个VR型发动机以一定角度(通常为72°)组合在一起,就变成了由四列气缸的W型发动机。常见的W型发动机就是大众家的W12发动机,搭载在大众公司的大众辉腾、宾利欧陆和奥迪A8上。此外,还有老款帕萨特曾经搭载过W8发动机,布嘉迪搭载的W16发动机等。W型发动机优点是结构紧凑,长度较短,比较节省空间,变速箱可以搭载四驱系统;缺点是发动机运转平衡性较差,振动较大,比如大众的W12发动机,虽然在内部设计了两个反向转动的平衡轴,但仍然能感受到振动。
三、水平对置发动机(H型)
所谓的“水平对置”,是指发动机气缸水平分布在曲轴的两侧。这种型式的发动机,其实可以看做是V型发动机的一个变种,把V型发动机两列气缸向两侧掰开,直到气缸夹角变成180°,就得到了水平对置发动机。这种发动机水平对称布置的气缸是一种对称稳定结构,所以它的共振小、噪音小、平衡性好、运行平顺性好,安装在车上重心低,质量分布均匀,可以把车头设计得又扁又低,增强汽车的行驶稳定性,提升汽车操控性能。
但是这种结构制造成本和工艺难度相当高,养护成本也比较高,并且不利于发动机舱布局,还有烧机油和气缸偏磨等问题难以解决,因此应用的比较少。目前只有保时捷、斯巴鲁这两家公司在坚持使用水平对置发动机,其它车企均已放弃。这也从另一个侧面说明,水平对置发动机没有普通的直列和V型发动机优秀,某些情怀党口中的“水平对置发动机最好,不买斯巴鲁就是不懂车”,其实只是一种可笑的片面认知罢了。
此外,还有一种星型发动机。这种发动机气缸以曲轴为轴,星状排列在周围,气缸数多为奇数,比如7、9、11等。这种发动机一般用于老式的螺旋桨飞机,也有人把它搭载在摩托车上,现在已经彻底淘汰了。至于说转子发动机,它在结构上与往复活塞式发动机有本质的区别,气缸排列与布置型式也不同,在此不再讨论。
总结一下,发动机气缸布置型式,不论是直列、V型还是水平对置,目的都是通过合理的排布方式抵消单个气缸做功时的震动。其中最合理的,就是直列六缸发动机,但是这种发动机长度太大,在很多横置发动机平台上无法搭载;而对于普通的家用车来说,直列四缸发动机是非常合理的布置型式;V型发动机一般用于豪华车上,VR、W型属于其中的特例,大家看看就好;至于水平对置,如果不是非常有情怀的话,还是避而远之吧!
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