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从引擎平顺性谈完美平衡的引擎结构V12 引擎从引擎平顺性谈完美平衡的引擎结构V12 引擎作者：徐業良内燃机式汽车引擎是一项已经发展百余年，非常成熟的科技。您如果翻翻内燃机引擎的教科书，会发现一百多年来，汽车工程师尝试了各种各样有趣而迷人的设计，目的不外乎提升引擎的动力性能、省油效率，减低废气排放。除此之外，另外一项汽车工程师致力改善的，也是您，驾驶人，对汽车引擎立即的感受提升引擎运转的细致度(refinement)或者说平顺性(smoothness)，简单的说，就是希望引擎运转能够十分顺畅，完全没有振动或噪音。当然除了驾驶人主观的感受之外，安静、平顺的引擎在高转速，甚至超越红线转速时仍能平顺运转，产生更大动力输出，对引擎性能的提升也有重大帮助。引擎的平顺性几乎完全取决于先天因素，也就是引擎设计的基本架构，像是汽缸的数目，这些汽缸空间上如何安排（直线式，V 型，还是水平对卧式）。当然也可以用各种补强的技术手法来吸收引擎部分振动和噪音，使用低摩擦零件也可以进一步提升平顺性和安静性，但是引擎架构的先天因素几乎已经决定了一切。您知道内燃机式汽车引擎曾经有哪些不同的架构吗？数一数给您听：直线二缸引擎、直线三缸引擎、直线四缸引擎、水平对卧四缸引擎、直线五缸引擎、直线六缸引擎、V6 引擎、V8 引擎、W8 引擎、V10 引擎、V12 引擎、W12 引擎、W16 引擎随便数数就有十几种，还有没被数到的引擎架构的话，就真的得原谅我才疏学浅了。1. 动力输出的连贯性与振动问题是影响引擎平顺性的两项因素影响引擎平顺性有两个主要因素，一是动力输出的连贯性，另外则是引擎振动的问题。V12 引擎虽然是这篇文章的主角，但是要了解为什么 V12 是内燃机引擎是最完美平衡的引擎结构，还是得要拉拉杂杂细说从头，从最基本的理论谈起。内燃机引擎是由活塞在汽缸内往复运动，经由连杆带动曲柄轴将动力输出。您一定了解内燃机引擎有进气、压缩、动力、排气四个冲程，只有动力冲程产生正向动力，而进气冲程，排气冲程，冲程都只消耗能量，特别是压缩冲程消耗能量最多。四冲程引擎活塞要在汽缸内往复两次，才能完成这四个冲程，也就是说，曲柄轴要旋转两圈720 度才点火一次，有一次动力输出。因此如果引擎只有一个汽缸（像是一些机车引擎），引擎的动力输出是一个周期性的脉冲，动力输出完全不连贯，自然也很不平顺，这时候便必须加上一个很重的飞轮，利用其惯性来暂时储存、释放引擎输出的动能，使引擎能大约维持在一个定速运转。当然，要完全消除这种脉冲式的引擎动力输出，理论上飞轮得要越大、越重，动力输出才会越平顺，但过大的飞轮也同时使引擎反应变慢。解决这个问题的答案，您早就知道了我们需要多汽缸引擎。简单的数学：单汽缸引擎每转两圈才点火一次，二汽缸引擎每转一圈便有汽缸点火一次产生动力，三汽缸引擎每转 720/3=240 度有汽缸点火一次，四汽缸引擎每转 720/4=180 度（半圈）有汽缸点火一次，12 汽缸引擎曲柄每转 720/12=60 度便有汽缸点火一次。显然的，引擎汽缸数越多，动力输出越能连贯。引擎振动的问题解释起来比较复杂一些，这里还是从单汽缸引擎开始想象。引擎振动是由其内部组件的运动所引起的，主要当然是活塞和连接杆。活塞在汽缸中上下运动，如果引擎没有被固定起来的话，一定也会向卡通影片常见的情节，上上下下到处乱跳，振动的问题会十分严重。而活塞连接杆的运动方向不只是上下，还带着点儿横向运动，所以引擎运转时也会有横向的振动。只是和活塞比较起来，连接杆轻得多，因此连接杆左右移动造成的振动，比起活塞上下移动造成的振动要小得多。引擎振动带来的噪音和不舒适感，自然是汽车工程师亟欲解决的问题。解决的方法，当然还是可以额外加入各种平衡轴来平衡振动，但是根本之道，还是要回到引擎架构的先天因素，利用多汽缸设计让各汽缸活塞，连杆的运动巧妙地互相平衡。多汽缸引擎运动的情况实在太复杂，我们最好一个一个来讨论。2. 直线多汽缸引擎振动的平衡咱们一步不要跨太大，先从直线二缸引擎开始谈起。前面提到，直线二汽缸引擎曲柄轴每转二圈，两个汽缸轮流各点火一次，为了让动力输出比较连贯，一个汽缸进行进气、压缩冲程时，另一个汽缸同步进行动力、排气冲程，而这两个引擎活塞移动的方向和位置都一模一样。麻烦大了，这个意思是说，直线二汽缸引擎两个活塞的运动不但没有互相抵销，反而同步动作，整体的振动幅度，会比单一的汽缸产生的振动还要大两倍。因此就引擎精致度来说，直线二汽缸是最差的引擎架构。过去虽然曾经有最便宜的迷你小车采用过这样的引擎架构，像是飞雅特 128，本田入门及的小车 Today 等，但现代早已没有任何量产汽车采用二汽缸引擎了，即使是目前排气量最小的日本 K-Cars，660cc 的引擎排气量理论上来说比较适合安排成二汽缸，但是他们仍使用三汽缸甚至四汽缸来避免二汽缸造成的严重振动问题。直线三汽缸引擎的架构便开始能从先天重心的配置上解决引擎振动的问题了。直线三汽缸引擎曲柄轴每转每转二圈，三个汽缸轮流各点火一次，动力输出要连贯的话，曲柄轴经过巧妙设计，让三个汽缸的活塞随时都在相距 1/3 个冲程的位置，这样的安排也使得不管曲柄轴旋转到那个位置，三个活塞和连接杆合成起来的重心，始终维持在同样的垂直位置，所以引擎垂直方向不会有任何振动产生。不过直线三汽缸引擎中三个汽缸是一字排开，三个活塞上下运动是各自施力作用在曲柄轴三个不同的位置，因此实际上三个力并没有彼此抵销。想象曲柄轴是一支跷跷板，以第二个汽缸为中心固定住，两端不断被第一个汽缸和第三个汽缸的活塞轮流施力，曲柄轴便会像跷跷板一样上上下下来回振动。因此直线三汽缸引擎仍然需要一个由曲柄轴驱动的平衡轴来平衡振动，平衡轴两端各有一个配重，配重移动的方向和两端汽缸的活塞移动方向相反，活塞向上升、配重便向下降，活塞向下降、配重便向上升，如此一来曲柄轴跷跷板便不会上下振动了。直线四缸引擎对振动的抑制又更高明一些。引擎教科书也可以找到四汽缸引擎振动的数学分析，简单的说，四汽缸引擎曲柄轴每转每 720/4=180 度便轮到一个汽缸点火，在每一个瞬间，四个汽缸正好分别在进行四个不同的冲程。因此四个汽缸活塞中，有两个活塞是一组，运转过程中在完全一样的位置，向完全一样的方向移动，另外两个活塞则是另一组，位置和运动方向和前一组恰恰相反。这两组活塞要怎么安排，才能有最好的平衡振动效果呢？把这一字排开的四个活塞分别取名字叫做一号、二号、三号、四号的话，为了避免前面提到直线三汽缸引擎曲柄轴振动问题，最好的安排是以中央对称，也就是一号和四号一组，二号和三号一组，如此一号的活塞对曲柄轴的施力会被四号活塞平衡，二号活塞则会被三号活塞平衡。不晓得您头昏了没有。前面提到的振动平衡，是所谓一阶力(first order force)平衡。但是活塞向上运动和向下运动时对曲柄轴的施力不完全相同，所以一号活塞和四号活塞、二号活塞和三号活塞对曲柄轴的施力实际上没有完全互相抵销，没有抵销剩下的力就叫做二阶力(second order force)。二阶力自然比一阶力小得多，但频率是一阶力的两倍，特别是较大的引擎二阶力还是会造成明显的振动，无法被忽略，因此大型的直线四缸还是需要用平衡杆的配重来抑制引擎振动。直线四缸引擎为了平衡二阶力，需要一对由引擎驱动的平衡轴，两支平衡轴分别位于引擎两侧，旋转方向正好相反，且转速是曲柄轴的两倍，平衡轴上的配重会完全抵销二阶力，让引擎运转平顺。这会儿您真的头昏了。一般来说，汽车制造厂最喜欢直线四缸引擎，因为其制造成本低，尺寸又小。而直线四缸引擎汽缸行程越长、活塞连接杆越重，前面提到的二阶力也就越大，越需要加装平衡轴。直线四缸引擎的平衡轴是由英国汽车工程大师 Lanchester 博士在二十世纪初就发明了，后来日本三菱汽车厂取得专利，1976 年首次用在量产汽车上。随后turbo 引擎风起，飞雅特、绅宝、乃至保时捷都纷纷从三菱取得专利授权，将平衡轴装置在其强力的直线四缸引擎上。从 80 年代开始，汽车厂对于引擎精致性的标准是，排气量超过 2000cc 的直线四缸引擎，都必须加装双平衡轴(twin-balancer shafts)来减少振动。没有这种双平衡轴，保时捷绝对不可能做出 944 和 968 上的 3.0 升强力直线四缸引擎，这也是现代汽车最大的四缸引擎。五缸引擎不那么常见，谈完直线四缸引擎，这里直接跳到直线六缸引擎。前面谈过三汽缸引擎的架构，直线六缸引擎的配置，则是将两组三汽缸左右对称地组合在一起，活塞一二三、活塞四五六自成两组三汽缸自我平衡系统，而活塞一永远和活塞六在同样位置、活塞二和活塞五在同样位置、活塞三永远和活塞四在同样位置，曲柄轴跷跷板式的振动，也可以得到平衡。总而言之，直线六缸引擎不论是垂直力或横向力，或者作用在曲柄轴上的一阶力或二阶力，都完全平衡，引擎总振动接近零，基本上是一个完美平衡的引擎架构。除了直线六缸引擎外，其它还有几种引擎架构也可以达成同样的完美平衡，但是直线六缸引擎是外型尺寸最小的一种。汽车工程师很早已前便了解直线六缸引擎的优美，也因此您看到许多最好的古典汽车引擎，像是劳斯莱斯，朋驰，积架，BMW 的引擎，都是直线六缸的架构。3. V 型引擎架构直线六缸引擎虽然有完美的平衡架构，但最大的缺点是，六个汽缸排成一直线，实在是太长了，特别是前轮驱动车还得腾出空间容纳传动系统，直线六缸引擎不管是直的摆还是横的摆，引擎室内的空间配置都非常困难。比较起来 V6 引擎的空间利用效率就好得多，横置的 V6 引擎体积小又方正，很容易塞进前轮驱动车的引擎室中，因此颇受车厂喜爱。V6 引擎基本上是两组三汽缸以 60 度或 90 度面对面排成 V 型，两组汽缸的活塞运动经过搭配，作用力可以互相抵销，加上前面提到三汽缸引擎可以自我平衡，使得 V6 引擎还是有很好的平顺性。不过 V6 引擎的两组三汽缸，仍然有前面提到曲柄轴跷跷板式振动的问题，还是需要加装平衡轴来抑制振动，理论上直线六缸引擎还是比 V6 引擎平顺。而且 V6 引擎的曲柄轴、进排气阀的设计要有两组，比直线六缸引擎复杂许多，所以像是仍然坚持后轮驱动的 BMW 车厂，就仍钟情于直线六缸引擎。惨了，谈了这么久，还没有谈到本文的主角 V12 引擎。赶进度，跳过 V8、V10引擎，直接切入 V12 引擎架构。不过其实谈到这里，V12 引擎架构在引擎精致度和平顺性上的优势，应该已经十分明显，您早已心神领会，不太需要详细解释了。首先，V12 引擎曲柄轴每转两圈，12 个汽缸就轮流各点火一次，平均每 720/12=30度就有一个汽缸动力冲程输出，动力输出即使不用飞轮处理，也必然十分连贯、平顺。再就振动的平衡来说，V12 引擎由两组已经是完美平衡的六汽缸架构，以 60 度面对面排成 V 型，更是理论上平衡性最完美的引擎架构。V12 引擎动力输出强劲自不待言，精致度、平顺性也是内燃机引擎的极品。当然V12 引擎主要的劣势在其制造成本、重量、和尺寸，一般量产汽车自然不容易高攀。4. 结语内燃机引擎架构还颇有一些学问对不对？下回您看到哪部汽车的引擎是直线四缸、直线六缸、还是 V6、V12，您应该对其引擎精致度的先天条件有更深入的认识了。就引擎的平衡来说，水平