发动机平不平顺到底是怎么一回事？看完懂了[28P]

jiupaizi

世间万物，皆遵循物理定律运动着。汽车发动机是人类现代化社会高精度的工业产物，其中蕴含的物理科学知识不胜枚举。作为汽车发动机最关键主体的气缸，无论是其数量还是排列形式，都对整个发动机系统的工作特性起到了十分重要的作用，尤其是发动机运作时的平顺性。

如果说某厂家宣称其全新的四缸发动机在平顺性上能媲美六缸发动机的话，有机会你去感受下该厂家旗下的搭载四缸引擎和六缸引擎的车辆的行驶质感，你就会发现这其中不能说的秘密了。

发动机的缸数及排列形式

在切入正题之前，还是先给大家科普下发动机缸数和排列形式的概念。缸数，顾名思义，就是发动机有几个缸，常见的汽车发动机缸数有3、4、5、6、8、10、12、16缸，这个缸指的就是气缸，气缸内的活塞做功最终带动了车辆的行驶。一般情况下，缸数越多，发动机的排量往往就大，在民用汽车领域，排量的大小一般与缸数呈正相关的关系。

气缸的排列形式指的就是发动机气缸的排布形式。最常见的排列形式就是“L型”和“V型”。

L型排列，代表是直列排布的发动机，这种布局的发动机的所有气缸均是按同一角度并排成一个平面，并只使用了一个气缸盖，同时其缸体和曲轴的结构也要相对简单，好比气缸排成一列纵队。

V型排列，正如其名，将所有汽缸分成两组，把相邻汽缸以一定夹角布置一起，使两组汽缸形成一个夹角的平面，从侧面看汽缸呈V字形（通常的夹角为60?），故称V型发动机。

VR型的排布更像是L和V型排布的混合体，VR发动机的汽缸夹角非常小（15?），两列汽缸接近平行，汽缸盖上火花塞的孔几乎并在一条直线上，因两列汽缸相离很近所以只需要一个汽缸盖就可以搞定，紧凑的排布是其最大的特征。

W型的气缸排列是完全基于VR型排列衍生而来，W型排列的发动机气缸往往有12个甚至更多，工程师将两台VR6发动机以一定的汽缸夹角合在一起，便制造出了一台拥有4列汽缸的W型12缸发动机，由于其特殊的结构，W12发动机的大小仅与V6发动机相当。

H型发动机也叫水平对置发动机，水平对置发动机的气缸夹角为180度，水平对置的汽缸布局是一种对称稳定结构，低重心是其一大优势。当前世界上最著名的使用水平对置发动机的当属保时捷了。

此外还有转子发动机，因其结构特殊性，本文暂不做探讨。

以此我们可以看到，当前市场上的在售车辆标注的发动机布局形式L4便是代表了直列4缸发动机，V6的含义则是V型6缸发动机。发动机发展到今日，不是为了追求更高的动力便是为了加强行驶质感，行驶质感这东西，说不清道不明，却真实地存在着，而如何加强行驶质感，抑制发动机的震动得到更好的平顺性感受便是一个很大的课题。不得不承认现今的四缸发动机已经成为市场的主流，并且在平顺性方面，发动机的震动也被抑制得相当轻微，但如果说真要达到六缸发动机的平顺性的话，那可能就和我们所要遵循的物理定律背道而驰了。

气缸是如何运作的

当前的汽车发动机普遍是4冲程发动机，这4个冲程包含了吸气、压缩、做功、排气这4个阶段，其中吸气、压缩、排气这3个冲程并不产生动力，只有做功冲程燃烧燃油后将化学能转化为动能带动发动机运作起来，其余的3个冲程在发动机整个运作过程中甚至还要消耗部分的能量。

这每4个冲程是一个完整的工作周期，在这期间，气缸内的活塞完成了2次从上止点到下止点再回到上止点的运动，而链接连杆的曲轴在这个周期内转了2圈，一共转过720度。

上图的横轴是曲轴一个工作周期的的转动角度，纵轴为活塞（连杆）受到的扭力的变化，从这条结果曲线（实线）来看，在一个完整的工作周期内，气缸的内部扭力输出是不平均的，正是这不平均的动力输出，导致了发动机内部震动的产生。坐过小型单缸拖拉机的童鞋肯定会有这样的印象——拖拉机的前进是伴随着巨大的“蹦、蹦、蹦”的噪音和极其强烈的震动的。单缸发动机的震动是无法被抑制的，所以这种小型单缸拖拉机有节奏的震动感必然会对你胃中的事物构成一定的威胁……单缸机搭载在汽车上显然不合适，那么2个气缸又如何呢，以另一个气缸相反的震动来抵消震动应该是一个相对完美的解决方案了吧？

一台直列2缸的发动机的运转模式应该是怎么样的？一个完整的工作周期内曲轴转过720度，两个缸的连杆链接同一曲轴，为了让点火平均，也就是曲轴得每转360度让气缸点火一次。我们只看两个气缸的点火冲程，这两个点火冲程之间间隔360度，360度意味着曲轴正好旋转一圈，也就是说一个气缸在点火冲程时另一个气缸是吸气冲程（同向冲程），换句话说，这两个气缸的运作方式是同上同下工作的，本身是为了相互抵消震动的直列2缸的初衷最后却导致了放大震动的结果，这肯定不是工程师想要的结果。怎么办，直列4缸发动机能否解决这个问题。

既然是4缸发动机，不难理解在一个周期720度的情况下，曲轴每旋转180度就需要点火一次。180度就是曲轴旋转半圈，每个活塞和其他3个活塞在曲轴上的相对位置是180度或180度的倍数，直观点说就是4缸发动机能保证在同一时间有两个活塞出现在上止点而另外两个活塞出现在下止点。

将4个活塞标号，分别为1、2、3、4号活塞，为了抵消震动，1号活塞位于上止点时，2号活塞需处于下止点，1、2号活塞在垂直方向上的震动就被相对抑制了，之所以不能说是完全抑制，是因为1、2号活塞的扭力作用点是在曲轴上的不同的两个点，这两个作用点不同的力，会对曲轴的1链接和2链接施加两个相反的力，但这两个力是以两个链接点中间的轴承为旋转支点，暂且称之为“旋转力矩”。

为了平衡1、2号活塞制造出的“旋转力矩”，就需要3、4号活塞制造出相反的一个平衡力将其平衡。如果3、4号活塞分别对应1、2号活塞的运行轨迹的话，3、4号活塞制造出的这个“旋转力矩”是与1、2号活塞制造出的这个力同向的，整个发动机系统就无法平衡。于是工程师将1、4号活塞，2、3号活塞的运行轨迹两两对应，这个4缸发动机在垂直方向的力和曲轴“旋转力矩”都得到了平衡，一个看似完美的发动机系统也就此诞生了。

似乎4缸发动机就已经达到了一个十分平衡的状态，为什么我们还要拼命去研究和制造6缸、8缸甚至12缸的发动机呢？要说发动机的完美的体系的话，4缸发动机，还远远配不上“完美”这个词。

发动机的震动主要来源是垂直方向上力以及“旋转力矩”的不平衡，这个震动被称作“一阶震动”，占到的比例高达70%左右。对，四缸机的结构从理论上平衡了“一阶震动”，但还有剩下的约30%的震动是无法平衡的，这个震动被称之为“二阶震动”。

二阶震动是被这样定义的：震动源的震动频率是发动机输出转速的两倍。二阶震动的源头，就是曲轴带动的活塞在上下往复运动时的产生的行程不同。为什么会产生这个不同？

让我们先来了解一下气缸内活塞的运动轨迹。众所周知，发动机的活塞做的是往复运动，当活塞运动到上止点时，就必须开始往下运动，直到到了下止点，如此循环往复构成了活塞的基本运动轨迹。然后我们将1、2号活塞单独取出分析。理论上要达到的平衡状态的话，当1活塞运动行程为m时，2活塞的行程也应该是m，从曲轴旋转180度为一个周期来看，确实如此（1活塞从下止点运动到上止点的同时2活塞从上止点运动到下止点），看起来也没什么问题。但是如果将这旋转的180度拆分后，我们能看到的是一个全新的“秘密”。

连杆和曲轴的链接点在运行的时候，轨迹是一个正圆，而活塞却一直是上下往复的运动，曲轴和连杆的链接点走过的轨迹路径和活塞走过的轨迹路径是存在不可协调的矛盾的。我们可以简单得推导一下。

因1、2号活塞和3、4号活塞两两对应，轨迹相同，故只取1、2号活塞作为分析对象。A、B分别为1、2号活塞的连杆与曲轴的链接点，将活塞视作质点，C、D分别为1、2号活塞。在1、2号活塞分别处于上止点和下止点时，CDAB成一条直线，当曲轴转动α（0?≤α≤180?）后，A运动到A’；B运动到了B’；C运动到了C’；D运动到了D’。此时1号活塞运动的轨迹是CC’，而2号活塞运动的轨迹则为DD’。

由图可知FB’=EA’=ysinα，D’F=C’E=√（x?-y?sin?α），由此可知CC’=x-√（x?-y?sin?α） z；DD’=√（x?-y?sin?α）-x z。结果就是CC’-DD’=2x-√（x?-y?sin?α）。也就是说，当连杆与曲轴的链接点作圆周运动时（以180度为小周期），1、2号活塞的上下往复运行的行程是存在差值的！这个差值的大小就是2x-√（x?-y?sin?α）。用白话说就是，1号活塞向下运行了m时，2号活塞向上运动的值是n，m≠n。也正是这个差值的存在，导致了2阶震动的产生，这个震动以曲轴每转动180度出现1次，曲轴旋转一周出现2次。随着转速的增加或是排量的提升带来的活塞变大或冲程变长，这个震动也就愈发的明显。

平衡轴的运用

工程师们自然是不希望这个二阶震动过份地影响到我们的对搭载四缸发动机汽车的驾驶体验，于是想出了加平衡轴的办法，这个平衡轴自然是用来制造出和这个2阶震动相反的震动来抵消之，但是这对技术精细度的要求十分的高，同时由于气缸工作时的扭力输出曲线也并不是一条可以求导的三角函数曲线，所以想要平衡这个二阶震动的难度可想而知，即便是再先进的技术，能达到的效果也只是更好地抑制这个震动，而不是真正的平衡。

于是，六缸发动机站了出来，什么叫平顺性，从六缸机上我们可以很好地找到答案。要说六缸机的话，还得先从直列三缸发动机说起。还是从曲轴开始，直列三缸发动机的曲轴形式在侧面的投影，就像一个三片间隔120度的花瓣，曲轴每旋转2圈（720度），3个气缸各点火一次。这样的结构的优点就在于，无论曲轴如何转动，重心点一直保持不变，即为曲轴的中心点。单独看3个活塞的话，我们会发现，3和活塞因为各自相差120度，它们的重心是处在同一水平线上的，同时连杆的重心也保持在同一条直线上，在这样的情况下，2阶震动是被相互抵消了的，这是直列三缸发动机结构上的先天优势。

虽然从侧面的投影看2、3缸活塞连杆的惯性合力正好等于1缸活塞的惯性力，两者能够完美平衡，但事实确是三个活塞上下运动各自施力的作用点在曲轴的三个不同的位置，以2号气缸为中心点固定，1、3号气缸给曲轴一直在施加方向相反的两个力，这就又产生了“旋转力矩”。

这个“旋转力矩”的实际表现就是三缸发动机的曲轴两端受力不均匀，导致其会产生以2号气缸连杆链接曲轴的链接点为中心的跷跷板式的摆动，而消除这种摆动的唯一途径就是通过增加一根平衡轴的方法对其进行抑制，平衡轴两端各有一个砝码来制造震动，砝码移动的方向和两端汽缸的活塞移动方向相反，活塞向上升、砝码便向下降，活塞向下降、砝码便向上升……三缸机虽然完美解决了“二阶震动”，却无法通过自身平衡“一阶震动”，因为“一阶震动”带来的震动更为明显，所以三缸机的实际体验不如四缸机来的平顺。

革命性的六缸机实际上只是两组三缸机拼合而成，但却从根本上从内部平衡了“一阶震动”和“二阶震动”。一台直列六缸发动机只是两个三缸发动机对称排列而已。

通过在一条轴上将两组三缸发动机对称排列，我们可以看到的是两组汽缸左右对称组合在一起，1、2、3号活塞和4、5、6号活塞自成两组自我平衡系统，而1、2、3号活塞分别对应6、5、4号活塞一直处于同一水平高度，困扰直列三缸发动机的跷跷板式的摆动也得到了平衡。这就是直列六缸发动机为何能够完全平衡内部震动的原因。直列六缸发动机不依靠平衡轴就完全平衡了“一阶震动”和“二阶震动”， 这基本上可以算作是一个完美平衡的引擎架构了。

当然六缸发动机的排列形式还有V6这样的结构。相比L6发动机，V6的优势在于将两组L3以一个角度（一般为60度或90度）成V形排列，两组气缸产生的作用力经过运行分配后理论上可以进行自我平衡，但由于每组L3气缸跷跷板式的摆动依旧没有得到完全平衡，V6发动机仍旧需要加装平衡轴来抑制这个震动。不过此时的这个跷跷板式的震动因为横向的力被另一边的作用力抵消，剩余的只是竖向的向下的部分力了，其震动也远远小于直列三缸发动机。

V6发动机的曲轴每旋转120度便有一个气缸点火，相比直列四缸每180度才有一个气缸点火，V6发动机的点火冲程将动力输出覆盖地更加全面。前文已经讲到，4冲程发动机的气缸每一个冲程曲轴转动的角度为180度，对于四缸发动机而言，曲轴每旋转180度，只有一个点火冲程运作输出动力，而六缸的发动机在曲轴旋转180度时，理论上就有1.5个点火冲程输出动力，这个概念的名称叫做“做功冲程叠加”。动力覆盖得更广，加上相对抑制较好的震动，V6发动机相比L4发动机在平顺性上有质的提升。

当然了，V6相比L6发动机，因为不得不增加的平衡轴，V6从结构上的平顺性就已经输给了L6。当前之所以V6发动机能大行其道主要还是因为L6发动机过长的曲轴导致发动机的长度没法缩减，而V6最大的优势就在于紧凑，便于安装到各种车型内。即便L6在结构性能上是最完美的，但V6可以做到的是体积与性能在技术上的一个折中，当前我们能看到的坚持使用L6发动机的，也只有宝马一家了。

顺带讲解一下H4、H6发动机。H的排列方式又叫水平对置排列，水平对置发动机的气缸数量无论多少，对面的汽缸活塞都永远在相对方位，这是一种对称稳定结构，因此所有横向的力都能够完全平衡。H6发动机可能算是理论上最完美的发动机结构，但水平对置发动机的宽度过宽，在发动机舱如何放置是一大难题，同时由于积碳等原因导致可能气门不能完全闭合，可能会造成横向力不等，这种情况下同样会造成左右抖动，影响发动机的平顺性。

L5发动机

再回过头来看L5发动机，五缸发动机的曲轴每旋转144度气缸点火一次，点火顺序为1、2、4、5、3。从自身结构看，五缸发动机的与三缸发动机类似，理论上已经不存在2阶震动，但是相对较长的曲轴却将三缸发动机“遗传”下来的最大的缺陷“跷跷板式的摆动”放大了，这个震动最后还是得通过平衡轴进行抑制。五缸发动机的制造成本并不低，却没有达到应有的多缸的优势，市场上的五缸发动机已逐步被淘汰。单数缸发动机的这个先天劣势也导致了市场上没有七缸、九缸的这类发动机。

V8发动机

至于V8发动机，一般其气缸夹角排布为90度。民用V8发动机其曲轴横向投影为“十“字形，其曲轴每旋转90度气缸便点火一次，做功冲程叠加十分密集，相当于相同转速下L4发动机两倍的做工行程，其平顺性自然不言而喻。唯一的缺点在于V8发动机的轴向不对称，从理论上来讲，V8的平顺性还是要弱于L6发动机。

V10发动机

V10发动机完全可以看作是两组L5发动机的结合。尽管拥有更密集的冲程叠加，但由于L5的先天缺陷，在震动的抑制上，V10还是比不过V8，更别说L6发动机了。当前使用V10发动机的车型更是寥寥无几，只有兰博基尼Huracan、奥迪R8和道奇蝰蛇SRT坚持着V10的信仰。

雍容华贵的V12

什么是最尊贵的身份的象征，我想，没有什么比一台V12发动机来的更有说服力了。由两组完美平衡的L6发动机面对面成V字架构而成的V12。这便是我们能接触到的平衡性的巅峰，曲轴每旋转60度 便迎来一个做工冲程，动力绵绵不断，L6完美平衡的震动在V12上得到了延续，得此一物，夫复何求？

怪咖W12发动机

文章开篇的时候提过W12发动机，其可以看作两个VR6发动机组合而成。相比较V12，虽然W12的名字看起来更高端一点，结构也更加复杂，但跟天然平衡的V12的平顺性相比，W12还是处于绝对的劣势的，具体原因，就不展开了。

写到这里我还要再罗嗦几句。2015年开始，各种四缸配豪华车的组合纷纷进入市场，先有沃尔沃的XC90，后有路虎揽胜运动版2.0T，宝马X5/X6 2.0T，奥迪Q7 2.0T。可能技术的发展已经使得这些4缸机器能达到曾经6缸甚至8缸发动机的动力水平，这些都无可厚非，这只是厂家单纯的市场行为而已。但是抛开4缸机搭载在豪车上是否合适不谈，要说4缸机能达到6缸机的平顺性这一点上，我是绝对不赞成的，这是我们遵循的机械物理定律无法摆脱的现实，具体原因在上文也已有阐述。

雍容高贵的V12永在，完美平衡的L6长存！