发动机作为汽车的动力源泉,就好比我们的心脏。很多朋友对于发动机的认知还只停留在排量、功率、扭矩等基本信息参数值上,对于内部的结构并没有深入研究。其实,在同等排量情况下,发动机气缸的不同排列形式会对车辆的安静性,平顺性,操控性,甚至油耗等,都会产生重要影响。侃弟今天就大家梳理下现在常见的气缸排列形式,大体能分为L型(直列式)布局、V型布局、W型布局、H型(水平对置式)和VR型布局,根据做功方法不一样,还有三角转子式发动机和奎西发动机。有兴趣的车友不妨来看看。
最常见的是直列布局的发动机,用字母L表示,比如L4(数字代表气缸个数)表示的就是直列四缸发动机,这种布局是指发动机所有气缸均是按同一角度并排成一条直线,只使用一个气缸盖,其缸体和曲轴的结构也是气缸排列方式中最简单的。现在常见的有L3,L4,L5,L6,绝大多数小型车、紧凑型车或一部分中型车,都采用这种布局。
所谓V型发动机,简单的说就是将气缸分成两组,把相邻气缸以一定夹角布置一起(左右两列气缸中心线°),从侧面看汽缸呈V字形,故称V型发动机。通常的夹角为90度,但是实际应用中90度夹角在横向距离上比较的宽,不便于机舱的布置。而且更加倾斜的气缸体,机油在受重力作用会使活塞头润滑不均匀,加大气缸的磨损。为了尽最大可能避免这一弊端,也有更小夹角的72度,75度和60度的气缸体设计。在气缸数上最常见的有V6,V8和V10,V12四种发动机形式,用在一般的车型上V6和V8的动力就已经足够了, V10和V12发动机制造成本昂贵,技术很复杂,一般搭载在超跑旗舰车型上,例如法拉利的LeFerrari,阿斯顿.马丁Vanquish兰博基尼Aventador等。
许多人主观地认为V型发动机的汽缸呈V形排列,W型发动机的汽缸排列形式就是呈W形。其实不然,它只是近似W形排列,严格说来还应属V型发动机。W型发动机是德国大众专属发动机技术。将V型发动机的每侧汽缸进行小角度的错开,就成了W型发动机。或者说W型发动机的汽缸排列形式是由两个小V形组成一个大V形,两组V型发动机共用一根曲轴。
W型与V型相比,可把发动机做得更短一些,曲轴也可短些,这样就能节省发动机所占的空间,同时重量也可轻些,但它的宽度更大,使得发动机舱更饱满。
W型发动机最大的问题是发动机由一个整体被分割为两个部分,在运作时必然会引起很大的震动。针对这一问题,大众在W型发动机上设计了两个反向转动的平衡轴,让两个部分的震动在内部相互抵消。
目前应用W发动机的只有大众以及旗下另外的品牌的车辆运用,比如:大众辉腾、宾利欧陆和奥迪A8的W12以及布嘉迪威龙的W16.
在上面介绍V型气缸排列发动机的时候已经提到,V型布局形成的夹角通常为90°(左右两列气缸中心线°),而水平对置发动机的气缸夹角为180度。水平对置发动机的制造成本和工艺难度相当高,所以目前世界上只有保时捷和斯巴鲁两个厂商在使用。
(5) 横置的气缸因为重力的原因,会使机油流到底部,使气缸向上一侧得不到充分的润滑
VR发动机是大众的专属产品,对于V型6缸发动机而言,60度夹角是最优化的设计,这是经过无数科学实验论证过的结果。因而绝大多数的V6发动机都是采用这种布局形式的。但为了能在更小的空间内放下V6发动机,大众集团另辟蹊径的研发出了夹角为15度、体积更小的VR6发动机。VR发动机的汽缸夹角非常小,两列汽缸接行,汽缸盖上火花塞的孔几乎并在一条直线的另一大问题是进排气平衡问题,无论是L6还是V6,每一个气缸的进排气道都可以很容易的做到等长,这让每个气缸的工作状况是接近的。而VR6引擎因为两组气缸交错布局而又处于同一个缸体之中,因此6个气缸的进气和排气长度出现了差异,这就导致了不同气缸进排气效果不一致,导致每个气缸的爆燃情况不能完全一样,进一步放大了VR6的震动和不平顺。虽然大众后来设计了不等长进排气歧管来缓解这种不平衡,但娘胎里带出来的毛病依然没办法根治。
由于VR6引擎的气缸头与同排量的四缸机气缸头投影面积相当,但却需要承受六个气缸轮流爆燃的冲击和热量,因此早期VR6引擎还存在着散热的问题。
VR6特有的斜顶活塞,倾斜度正好与气缸夹角一致,也为15度,这样的设计导致活塞不仅会受到爆燃的垂直推力,还会受到额外的横向推力,导致活塞环受力不平均,磨损寿命也是一大问题。
(1) 发动机结构紧密相连,体积小。宽度接近直列发动机,长度比相同汽缸数的直列发动短很多。
(1) 运转震动较大。虽然通过增加平衡轴等办法能够降低震动,但是由于结构特性,震动仍然比V型排列发动机大很多。
相比常见的往复活塞式发动机,很多朋友会对三角转子发动机和奎西发动机感到陌生。转子发动机又称为米勒循环发动机,由德国人汪克尔发明。而真正把转子发动机做出名堂的是在日本的马自达旗下,我们都知道,传统的气缸采用往复式运动,工作时活塞在气缸里做往复直线运动,而为了把活塞的直线运动转化为旋转运动,一定要使用曲柄连杆机构。转子发动机则不同,它可以将燃气的燃烧膨胀力直接转化为驱动扭矩。转子发动机大体由三角形转子、偏心轴与发动机壳体组成,转子带动偏心轴旋转,将爆炸产生的动力平稳传递到传动桥。三角转子转动时,以三角转子中心为中心的内齿圈和以输出轴中心为中心的齿轮啮合,齿轮固定在缸体上不转动,内齿圈与齿轮的齿数之比为3:2。上述运动关系使得三角转子顶点的运动轨迹(即气缸壁的形状)似“8”字形。三角转子把气缸分成三个独立空间,三个空间各自先后完成进气、压缩、做功和排气,三角转子自转一周,发动机点火做功三次,而冲程式发动机的曲轴每旋转两圈单气缸才做功一次。
(4) 与一般四冲程发动机每旋转两圈做功一次相比,具有高功率容积比(发动机容积较小就能输出较多动力)
奎西发动机是一种基于转子发动机的改进型发动机,与一般转子发动机的三叶片不同,奎西发动机使用了四部分组的链条式转子,使得其具有四个冲程,兼顾了四冲程发动机和转子发动机优点,但目前发展还处于初级阶段。
对于发动机气缸布局,目前应用最广泛的是L型和V型,毕竟可靠性和平顺性是车厂最为关注的,同时整体的制造成本也相对经济。对于发动机结构的钻研,大众很想在气缸布局上做更多的突破,无论是W型还是VR型,都是不断尝试。而日系对于气缸布局显得更传统,除了丰田与斯巴鲁采用了水平对置结构,基本都是最多见的L或V型了,但是也有一个很激进的个例,那就是马自达对于转子发动机孤独地探索,由于马自达独家买断了转子发动机的技术专利,没有更多的厂家跟进研发,要解决诸如密封性、低扭弱、燃油和排放问题,非常缓慢,使得这种理论上很理想的发动机形式未能获得很好的发展。侃弟认为,如果互联网的共享思维能够早点出现,像特斯拉那边把一些技术共享出来,或许对于推动它的发展更为有利。