20 世纪初，当设计进步如火如荼时，排量为 10 升的发动机可以是单缸，也可以是直列八缸。当时，没有人会对安装在汽车上的 23 升直列六缸发动机或飞机上的七缸星形发动机感到惊讶……
然而，生产能力的增长、营业额的增加以及降低生产成本的激烈斗争使一切都回到了原点。最简单的单缸发动机对于汽车制造商来说已成为遥远的过去。传统汽车发动机的平均气缸容量现在为三百到六百立方厘米。每升性能 – 从自然吸气柴油机的 35 马力/升到高功率汽油自然吸气发动机的 100 马力/升。这是量产发动机的最佳状态，超出这个水平根本无利可图。
如今，100 马力的发动机大多采用 4 缸设计，200 马力的发动机则采用 4、5 或 6 缸设计，300 马力的发动机则采用 8 缸设计……但这些气缸该如何排列呢？换句话说，制造商可以按照什么方案制造多缸发动机呢？
简单比紧凑更糟糕
设计师最关心的问题是什么？首先，如何简化发动机设计，使其生产成本更低，维护更方便。直列发动机最简单。为了获得所需的排量，设计师需要将所需数量的气缸排成一排。
虽然双缸发动机的趋势正在增强，但汽车中并不常见双缸和三缸发动机。先进的混合系统和涡轮增压的使用促进了这一趋势（例如，菲亚特 500 掀背车的 85 马力双缸涡轮增压版）。但直列四缸发动机属于乘用车排量最大的范围——从 1 升到 2.4 升。
五缸直列发动机相对较晚才出现在量产车上——在 70 年代中期。第一款是梅赛德斯-奔驰的柴油五缸发动机——它们出现在 1974 年（在采用 W123 底盘的 300D 车型上）。两年后，奥迪生产了五缸两升汽油发动机。80 年代末，沃尔沃和菲亚特也生产了这种发动机。
直列六缸发动机直到最近还在欧洲如此受欢迎，但现在转眼间已成为濒临灭绝的物种。而直列八缸发动机则已不可能了——制造商在 30 年代几乎已经告别了它。为什么？
答案很简单。随着气缸数量的增加，发动机会变得更长，这给布置带来了很多不便。例如，在少数情况下，可以将直列六缸发动机挤进前轮驱动汽车的发动机舱中——只有 60 年代中期的英国 Austin Maxi 2200（当时，设计师不得不将变速箱隐藏在发动机下方）和配备超紧凑变速箱的沃尔沃 S80 让人想起了这一点。
如何缩短直列式发动机？我们可以将其“锯”成两半，将两半并排放置，使它们为一个曲轴工作。这种发动机的气缸排列成 V 字形，比直列式发动机短一半——最常见的是夹角为 60° 和 90° 的发动机。夹角为 180° 的 V 型发动机，其中气缸彼此相对排列，称为水平对置式发动机（或水平对置式发动机 – B2、B4、B6 等名称来自这个词)。
这种发动机比直列式发动机更复杂——例如，它们有两个气缸盖（每个都有自己的垫圈和歧管)、更多的凸轮轴和更复杂的驱动配置。而且水平对置式发动机在宽度上也占用了很大的空间。因此，出于布局原因，它们很少使用——水平对置式发动机的制造商屈指可数。
我们如何让 V 型发动机更紧凑？乍一看，最简单的解决方案之一是将缸体的夹角设置为小于 60°。确实，这种发动机确实存在，但很少见 – 例如，您可能还记得 70 年代的 Lancia Fulvia 配备 V4 发动机，其缸体的夹角为 23°。为什么不是每个制造商都使用它？事实上，发动机设计师总是面临另一个问题 – 振动。
力和扭矩
一般来说，活塞式内燃机不能没有振动而运行——这是它的设计。但必须对抗振动，而不仅仅是为了提高乘客的舒适度。强烈的不平衡振动会导致发动机部件损坏——后果是飞出和掉落……
为什么会产生振动？首先，在某些发动机配置中，气缸内的闪光不均匀。设计师尽可能避免这种方案，或者尝试使飞轮更大——这有助于平滑扭矩波动。其次，当活塞上下移动时，它们会加速然后减速，这会导致惯性力的产生——类似于汽车乘客在刹车时弯腰或在加速时将他们推向座椅靠背的惯性力。第三，发动机中的连杆不是上下移动，而是执行复杂的运动。活塞从上止点到下止点的往复运动也不能描述为简单的正弦波。
因此，在惯性力中会出现曲轴转速增加一倍、三倍或四倍的分量……这些所谓的高阶惯性力通常被忽略——与主惯性力（被指定为第一阶）相比，它们微不足道。例外是必须考虑的二阶惯性力。此外，在一定距离处施加的力对会形成扭矩——当相邻气缸中的惯性力具有不同方向时，就会发生这种情况。
如何平衡力和扭矩？首先，您可以选择一种发动机配置，其中气缸和曲柄曲柄的排列方式使力和扭矩相互平衡——它们将始终相等且方向相反。
但是，如果所有平衡方案都不合适（例如，由于布局原因），该怎么办？那么，设计师可以尝试以不同的方式定位曲轴销，并应用各种平衡装置，以产生大小相等但方向与被平衡的主要力相反的力和扭矩。有时，可以通过在发动机的曲轴上放置平衡装置来实现这一点。有时 – 放置在称为平衡反向旋转轴的附加轴上。之所以这样称呼它们，是因为它们以与曲轴不同的方向旋转。但这会使发动机复杂化并增加其成本。
常见的发动机中，只有两种绝对平衡的发动机——直列六缸和水平对置六缸。现在你明白为什么宝马和保时捷如此坚持使用这种发动机了。而我们已经提到了其他人拒绝使用它们的原因。现在让我们仔细看看其他配置。
平衡和不太平衡的引擎
双缸发动机中，目前汽车上只使用一种——直列两缸发动机，其曲轴的曲柄只有一个方向（例如，俄罗斯的奥卡就安装了这种发动机）。如您所见，这种发动机在平衡方面类似于单缸发动机，因为两个活塞同时同相上下移动。为了平衡一阶自由惯性力，奥卡发动机在曲轴的左右两侧使用了两个带平衡块的轴。但是二阶力呢？为了应对它们，制造商必须增加两个平衡轴，这对于原本为小型廉价汽车设计的双缸发动机来说是完全不合适的。
然而，这不算什么——很多双缸发动机在生产时根本没有平衡轴。例如，1957 年的小型菲亚特 500 就安装了这种平衡轴。是的，有振动，制造商试图通过动力装置的悬架来减弱振动……但发动机却变得简单而便宜！双缸发动机的廉价性吸引了今天的开发商：地球上最实惠的汽车印度 Tata Nano 掀背车的创造者使用这种方案并非毫无道理。
如今，曲轴方向不同（成 180° 角）的双缸发动机只能在摩托车上找到。它更平衡，因为其中的活塞总是反相移动。然而，气缸中闪光的均匀交替只能在二冲程发动机中实现——这种发动机安装在战前的 DKW 及其直接继承者塑料 GDR Trabants 上。由于简单和便宜，它们也没有平衡轴，驾驶员只能忍受出现的振动。
唯一一辆配备双缸 V 型发动机的汽车被人们记住了——俄罗斯的 NAMI-1。直到今天，这种类型的发动机只在摩托车上幸存下来——还记得美国哈雷戴维森和它的日本追随者们，他们的 V 型双缸发动机全都镀铬了。这种发动机几乎可以完全借助曲轴上的平衡装置来平衡，但不可能实现闪光的均匀交替。幸好骑手们不太注意振动……
三缸发动机的平衡性比直列四缸发动机差，因此三缸发动机制造商（例如斯巴鲁和大发）试图为它们配备平衡轴。当时，欧宝发动机设计师决定放弃平衡轴，为第二代 Corsa 开发 Ecotec 系列的三缸发动机 – 以降低成本和机械损耗。三缸 Corsa 在 1996 年首次亮相后受到德国汽车记者的批评：“绝对不可能在可变模式下在城市中行驶”。
在最受发动机设计师欢迎的直列四缸发动机中，二阶惯性力保持自由。它只能通过以两倍速度旋转的平衡轴来平衡。（您忘记了吗 – 二阶惯性力以两倍的频率作用?）并且为了补偿平衡轴的扭矩，您必须放置另一个以相反方向旋转的平衡轴。昂贵吗？当然。但是，三菱、萨博、福特、菲亚特和各种大众品牌的发动机都配有平衡轴。
顺便说一句，水平对置四缸发动机比直列四缸发动机平衡性更好——只有来自二阶惯性力的扭矩，这会使发动机绕垂直轴转动。但是，传奇甲壳虫的风冷水平对置发动机和斯巴鲁著名的水平对置发动机都没有平衡轴。
直列五缸发动机的平衡性不太好。惯性力得到了补偿，但这些力的扭矩……在发动机运行过程中，弯曲扭矩波不断“穿过”缸体，因此缸体必须非常坚固。但是，梅赛德斯-奔驰、奥迪和沃尔沃都通过修改动力装置的悬架或使用特殊的平衡装置（如奥迪 TT RS 上的增压五缸 2.5 TFSI）来应对振动。并且只有菲亚特发动机设计师使用了平衡轴，可以完全平衡所有扭矩。
顺便说一句，几乎所有的五缸发动机都是通过在四缸发动机上添加另一个气缸而形成的 – 就像建筑玩具中的积木一样。这样做是为了以最小的生产和设计成本获得更强大的发动机。同时，所有填充物，包括活塞、连杆、阀门等，都可以从四缸发动机中取出。您将需要不同的缸体和气缸盖，当然还需要曲轴，其曲柄应以 72° 的角度排列。
我们已经提到过六缸发动机，就平衡性而言，这是梦想。但是在取代直列六缸发动机的 V6 发动机中，平衡情况与三缸发动机相同，即不太好。因此，例如，第一台梅赛德斯 – 奔驰 V6 发动机配备了 V 形平衡轴 – 当之无愧的 M112，每缸三个气门。PSA 集团的三升六缸发动机在其中一个缸体头部有一个轴。工程师们试图不使当时其他发动机的设计复杂化，并试图通过改进动力装置悬架和巧妙的曲柄销偏置布置（例如奥迪 V6）将振动水平降至最低。
这里我们再补充一点——夹角为 90° 的 V6 发动机无法实现气缸内闪光的均匀交替。由此产生的冲程不均匀性可以通过加重飞轮进行补偿，但只能部分补偿。这是另一个振动源……
夹角为 90° 的 V8 发动机，其曲轴曲柄位于两个相互垂直的平面上，非常平衡。在这样的发动机中，可以确保闪光的均匀交替，这也有助于平稳运行。两个扭矩保持不平衡，可以借助曲轴上的两个平衡装置（位于端部气缸腹板上）完全平息。您知道为什么美国人比其他人更早感受到 V 型发动机的伟大之处吗？他们真的不喜欢汽车振动和晃动……
最后，我们可以谈谈不寻常的方案。首先，让我们回顾一下 V4 发动机。其中只有少数几种——60 年代的欧洲福特车型（安装在福特 Taunus、Capri 和 Saab 96 上）和扎波罗热的“奇迹发动机”。这里采用了平衡轴，以产生一阶惯性力的扭矩。然而，上述汽车的设计师选择这种方案是基于紧凑性和部分成本节省，而不是为了良好的平衡。
那么 V-ten 发动机呢？这种发动机的平衡度与 R5 发动机完全相同。但是，前一级方程式赛车发动机或道奇蝰蛇和道奇 RAM 怪兽的设计师在安装 V10 发动机时并没有主要考虑振动。
好吧，其他方案可以很容易地简化为前几种方案。例如，水平对置八缸发动机（应用示例是保时捷 917 赛车）是两个四缸发动机为一个曲轴工作。而 V 型和水平对置十二缸发动机可以简化为两个直列六缸发动机。
VR6、VR5、W12
您知道，我们提到过 V 型发动机，其缸体夹角很小——就像 Lancias 上的一样。以前，人们避免使用这种方案——与夹角为 60° 或 90° 的发动机相比，平衡它们更困难，而且当时人们并不那么看重紧凑性……
但现在情况已经改变。首先，广泛使用动力装置的液压悬置，可显著降低振动。其次，引擎盖下的空间现在价值千金。毕竟，以前谁能想象到一辆配备 2.8 升发动机的中型掀背车？现在 – 它来了！这一切都始于第三代大众高尔夫 VR6。
著名的大众 VR6 发动机是一款“V 型直列”发动机（VR 名称就是如此），是 V 型发动机的进一步发展，缸体夹角较小。这款发动机的气缸之间的夹角比 Lancias 的还要小 — 仅为 15°。夹角如此之小，以至于这种发动机也被称为“偏置直列”。这是一个巧妙的解决方案 — 2.8 六缸发动机比传统的 V6 发动机更紧凑，甚至只有一个缸盖！
随后出现了 VR5 发动机——这是“切掉”一个气缸的 VR6 发动机。此后，大众汽车集团的发动机设计师们似乎开始疯狂发挥。
他们设计出了 W12 超紧凑型发动机，该发动机于 1998 年在 W12 Roadster 概念车上首次亮相。这是两台 VR6 发动机，以 72° 的角度安装在一个曲轴上。但在此之前，安装在帕萨特轿车顶级车型上的 W8 发动机投入生产。还有两台 VR6 发动机，其中“切掉”了两个气缸，也将它们组合在一个曲轴上的一个缸体中。在沃尔夫斯堡，他们也考虑过 18 缸发动机——但最终他们停留在了带有四个涡轮增压器的 W16 发动机上，该发动机可将布加迪威龙加速到 431 公里/小时。
为什么以前没有这样的发动机？例如，看看 W12 发动机的曲轴 — 技术人员即使在最可怕的噩梦中也不会想到这样的事情！计算机应该帮助新方案的创造者。如果没有计算能力的帮助，很难计算出缸体夹角、曲柄销位置、气缸中闪光顺序的所有选项，并选择最平衡的选项。
理论与实践
如您所见，设计师在选择动力装置方案时根本不把平衡度放在首位。最重要的是成功地将具有最佳重量、尺寸和功率比的发动机装入发动机舱。然后，发动机现在越来越多地按照模块化原理制造。简而言之，任何发动机都可以在一个活塞组上制造——无论是三缸还是 W12。继大众之后，越来越多的制造商转向模块化设计。梅赛德斯发动机的最新系列就是一个很好的例子。
还有振动……首先，必须区分发动机的理论平衡和实际平衡。如果与飞轮组装在一起的曲轴不平衡，并且连杆上的活塞重量明显不同，那么即使是直列六缸发动机也会晃动。最终，实际平衡总是比理论平衡差很多——原因是零件偏离标称尺寸，以及由于负载下单元变形。因此，无论采用哪种方案，振动都会从发动机“爆发”到外部。因此，汽车工程师非常重视动力装置的悬架。事实上，发动机支架的设计和位置与发动机本身的平衡度一样重要……
這是翻譯。您可以在這裡閱讀原文： https://www.drive.ru/technic/4efb337600f11713001e54e1.html
发布 October 28, 2021 • 14m to read
