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恶·即·斩

汽车发动机气缸排列形式简述

本文最早发表于本人微信公众号《汽车发动机气缸排列形式简述》,如需转载请注明出处。

另外,由于原文配图未留底,已上传配图又已经被打了水印不美观,故本文配图为重新搜索或绘制,并非与原文完全一致。

文中配图来源于网络,若发现有涉及图片版权问题,请留言告知,我会积极处理。(已有版权标注的图片,版权声明见文章结尾)

就在这两天,微信公众号竟莫名其妙的出现了一位新增粉丝,让我猝不及防。于是,“我需要写点什么了”的使命感便油然而生!

红星

既然决定了要写点什么,那么——很显然——问题就来了:挖掘机技术哪……呸!不对!

蓝翔

问题是——介回所点嘛?总不能写天津美食狗不理包子吧……(btw,我个人非常不推荐狗不理包子……并不好吃……还贵!)

思来想去,还是接着说说车吧,给想买车的人提供点参考意见。但毕竟汽车是个很复杂的综合机械,我不可能一两句话就说完,故决定拆开来一部分一部分讲。那么第一部分,我决定说说汽车的发动机。

画外音:那么就是说后面还会有第二部分、第三部分咯?

我:呃……看吧……

画外音:那么讲发动机从哪方面入手呢?

我:说说汽车发动机的气缸排列形式吧。

画外音:谁买车会关心发动机气缸的排列形式啊??!!

我:我就当你们会!

画外音:但是……

我:你!闭!嘴!

那你闭嘴

好,既然大家都这么感兴趣(谁特么感兴趣了!!!),那我们就开始吧(强行乐观)。

首先明确一下——发动机气缸的基本结构是初中物理里面学过的,我这里就默认大家都是有基本概念的。就算想不起来了,“活塞运动”总知道吧?(想污了的自己去面壁)

面壁

从气缸本身来说,活塞往复运动的方式主要分为四冲程循环和二冲程循环两种,而从气门数量上分,主要有2气门和4气门两种结构。如果没记错的话,初中物理书上讲的发动机结构应该是2气门四冲程的发动机气缸结构。

所谓2气门,即1个进气门1个排气门,而4气门,即2个进气门,2个排气门。区别显而易见——4气门的进排气都更“痛快”了,但相对的结构略复杂成本略高而且会损失一部分低转速扭矩。再深了就不探讨了(貌似大众集团还研发过每缸5气门的结构,但貌似自己后来也弃用了,不是很了解)。

而活塞往复运动来说,四冲程循环就是我们初中物理都学过的:

进气压缩做功排气

通过以上这样两次往复(即四个冲程)的过程。相信初中物理还没完全就着馒头吃掉的同学应该还有印象。

四冲程示意图(版权)

四冲程示意图(版权)

而二冲程循环,这四个过程并没有省略,只是把他们两两合并为一个冲成里去做了:

进气 & 压缩做功 & 排气

二冲程示意图(版权)

二冲程示意图(版权)

 二冲程发动机的主要优点在于其在容积功率(即单位排量所提供的马力)和平顺性两方面的先天优势。而致命缺点则在于其润滑系统:其结构决定了无法设计独立的润滑系统,这一方面会导致缸体磨损大,另一方面则导致其名正言顺的“烧机油”——机油与燃油一同加注一同消耗。

画外音:(举手!)我知道还有五冲程和六冲程的发动机。

我:你给我去死!

去死吧

分别一句话:五冲程是一种涡轮增压的变种;六冲程则更复杂,又分为单活塞和双活塞两种结构,每种结构又有很多不同的设计方法——太复杂了,懒得说了——强行假装自己懂。)

以上是对气缸的简述,再多就不展开说了——毕竟从一个正常人买车角度出发,你能买到的车应该都是四气门四冲程的车(此处说的是新车,强行买十多年前的老车不算)。


气缸说完了,就可以说说气缸的排列了。来,把那个说单缸发动机的同学丢出去,谢谢。

摔

倒不是说没有单缸发动机,相反,单缸发动机很多——尤其是在摩托车上。但我们说的是排列,一个气缸还排列个毛线啊!

把捣乱分子都扔出去了,我们可以开始了。





直列发动机

[ Straight Engine / Inline Engine ]

L6发动机

直列气缸发动机开篇,原因很简单——这是最常见的气缸排布形式,也是当前在汽车上应用最广泛的气缸排布形式。

顾名思义,直列气缸就是把所有气缸按照一条直线的布局排列起来。在国内的汽车网站上一般简称“L”,在欧美更多被简称为“I”,总之,都是In-Line里面摘出来的字母。

直列发动机优点:显而易见——结构简单,一个一个的气缸排起来就好(讲真,事实上远没有这么简单)。

直列发动机缺点:看看上面的图也显而易见——太长了……气缸少点还好,气缸多起来,真的不是什么车都有这么大的空间去放这么大的一台发动机的。这里可能有人会说为什么不说平顺性不如V型的缺点?因为直列发动机平顺性不一定比V型差——比如L6的理论平顺性就要优于V6

也正是由于上面的原因,在越来越讲究经济实惠的今天,市售的大部分汽车,都是选择了结构简单又不算很大的直列四缸直列三缸的气缸排列型式。

这里关于三缸发动机再简单说几句:由于四冲程的结构,导致三缸发动机不可能保证动力的连贯性(你总能找到一段时间是任何一个气缸都没做功的)。所以,三缸机不平顺的缺陷是先天性的。但另一方面,发动机平顺性≠汽车平顺性!三缸的先天缺陷不能回避,但也不是说搭载三缸发动机的汽车平顺性全都不如搭载四缸发动机的汽车——毕竟决定车辆平顺性的因素不止发动机一个。

搭载L4发动机差点把我抖吐了的G10

搭载L4发动机差点把我抖吐了的G10

直列发动机最有名的估计就是宝马的直列六缸发动机了,可近几年宝马却拼了命的减少四轮车的汽缸数量(三缸的3系和四缸的7系,这你敢信?),反倒是在两轮车上从不掩饰自己对自家直列六缸宝贝的喜爱。

BMW K 1600 B

六缸男儿

BMW 318Li

三缸废物




V型发动机及其衍生

[ V-Engine & Derivatives ]

V6发动机

V型发动机,应该说是仅次于直列发动机第二多的气缸排列方式。而且这类发动机的衍生品极多,所以我只能用一个“及其衍生”来带过。

首先说说V型本尊。直列发动机里说了,直列发动机最大的缺点就是一旦气缸数量多起来,发动机就会变得很长。那要怎么解决呢?放两排不就好了么。

其实可以把V型发动机理解为两排直列发动机以一定的夹角安装到同一根曲轴上,以实现汽缸数不变的情况下缩短发动机长度(或在发动机长度不变的情况下增加气缸数)。虽然这样发动机会变得更宽,但毕竟发动机舱都是比较方的形状,略宽一些总比太长了的好(是的,发动机舱好方)。

好方

V型发动机优点:气缸数不变的情况下更加节约空间。

V型发动机缺点:结构更复杂,成本更高。

不难发现,V型发动机的优缺点都是和直列发动机对应的。

接下来说说V型发动机的衍生品——VR型发动机和W型发动机。这里先要提一句:这两种主要的衍生结构都是大众集团做的,可见大众集团对V型发动机的偏爱。

上面说了:直列长,V型宽,直列绑在了V型上……不对……不是这段绕口令!

我是要说:如果需要一个更小一些的发动机怎么办呢?两排气缸夹角且总体积都比V型更小的VR发动机就这么来了。那么接下来,我们既然有了更小的V型发动机(VR发动机),我们可不可以像“用两排直列发动机拼一个V型发动机”一样,用两排VR发动机拼一个奇奇怪怪的发动机出来呢?可以!W型发动机就这么出现了(字面:V+V=W)!

L_V_VR_W

直列/V型/VR型/W型




水平对置发动机与H型发动机

[ Flat Engine & H-Engine ]

水平对置发动机

上面介绍完了V型发动机和V型发动机的两种衍生结构,现在我们再来看看V型发动机的另外一种衍生结构和衍生结构的再衍生结构。

嗨不嗨皮

水平对置发动机(Flat Engine或Opposed-piston Engine),说的简单点其实就是把V型发动机的两排气缸夹角做成180°(),这样就形成了两排完全水平的发动机——当然,机械这东西实际上都远远比“说”的要复杂得多。

本次转载注由于最初撰写该文时对水平对置与180°夹角V型发动机结构理解不深造成错误。水平对置和180°夹角的V型发动机从结构上说其实是有本质上区别的,关键在于对应的一组活塞是否共用了同一个曲轴的曲柄,详情可参考:@破破破小熊 的相关微博:https://weibo.com/2424036272/GyJDI15aO

水平对置发动机优点:重心低,可以给车辆带来更好的稳定性。并且无论汽缸数是多少——只要两边气缸数相等——就不存在不平衡力,换句话说就是有先天的平顺性优势。

水平对置发动机缺点:你可能会看到有人说水平对置的润滑和活塞偏磨都是问题,但事实上这些真的都不是问题。水平对置发动机的缺点主要还是结构复杂(不光自身复杂,还有在整体布局上的复杂)以及横向宽度过大——是的,虽然我上面说了发动机舱很方,但水平对置的宽度也确实过大了……

也正因为如上特性,目前还在玩水平对置发动机的主要就两家——保时捷和斯巴鲁(丰田86上的那台水平对置发动机是斯巴鲁的技术,毕竟BRZ的孪生兄弟)。

水平对置活塞运动示意图(版权)

水平对置活塞运动示意图(版权)

说明白了水平对置发动机,H型就很好理解了。但这里要插一句:由于斯巴鲁把自己的水平对置发动机称作“Horizontally-opposed”,所以其水平四缸和水平六缸的发动机常被写作H4和H6。但必须明确——这个H并不代表其发动机类型为H型。由于水平对置发动机又被成为Boxer,所以此类发动机用B表示更准确一些(也更有利于与H型发动机区分)。

丰田86气缸排列形式

此H非彼H更非羞羞的H

实际上,真正的H型发动机是水平对置发动机的一个衍生品,就如字形一样(当然,需要把H放倒):H型发动机就是两台水平对置发动机上下放置(),中间用链条连接而成。

本次转载注:同样由于最初撰写该文时对水平对置与180°夹角V型发动机结构理解不深造成错误。从示意动图中可以明显观察到对应一组活塞是共用了同一个曲轴的曲柄的,所以H型发动机实际上是由两台180°夹角的V型发动机上下放置组合而成,而非水平对置发动机。)

H型发动机剖面示意图(版权)

H型发动机剖面示意图(版权)

与上面所有提到的发动机不同——上面的发动机无论气缸有多少,呈何种方式排列,最终活塞都要连接到一条曲轴上。而H型发动机是有两条独立的曲轴的。然后在两条曲轴的一端被连接起来共同驱动汽车(实际上这玩意在用在车上很少,主要是用在飞机上)。

搭载了H16引擎的Lotus 43赛车

搭载了H16引擎的Lotus 43赛车




星型发动机与X型发动机

[ Radial Engine & X-Engine ]

星型发动机

星型发动机这种复古的东西其实并没有太多可说。因为这东西连赛车上都极少见,更多的是在下面这种东西上见到。

MARINES_VMFT_20

其主要特点是气缸固定,由活塞的往复运动推动曲轴转动(动图略魔性)。

星型发动机示意图

星型发动机活塞运动示意图

优缺点神马的就不讨论了……毕竟一战、二战的东西了,优缺点也不适用于当今了。

另外本节还提到了X型发动机,实际上X型发动机本质上还是V型发动机的衍生品(还真是多子多孙呢……)


而之所以把X型发动机和星型发动机放到一起,是因为从剖面图看,这俩东西真的好像(俩V型尖对尖戳到一起了)。

X型发动机示意图(版权)

X型发动机示意图(版权)

至于优缺点,虽然结构上和V型血缘关系更近,但作用却妥妥的和星型发动机是“亲哥俩”——同样主要用于二战时的战斗机发动机。所以也就不过多讨论了。




转子发动机

[ Rotary Engine ]

转子发动机

终于!要说到转子邪教了!

欢呼

呃……我觉得我们应该先冷静下来……

事实上旋转式发动机分为活塞式无活塞式两种。其中,活塞式转子发动机的外观,看起来真的超像我们上面提到的“星型发动机”……

本次转载注:这里其实犯了个错误,转子发动机实际上是一种发动机活塞运动的形式而非气缸排列形式。事实上,单无活塞式转子发动机的本质,就是我们开头说了不讲的单缸发动机。后文还要提及的“盘式发动机”亦同理。但我个人实在是喜欢这两种发动机魔性的结构,所以这里就权当作是跑题的私货吧)

活塞式转子发动机(版权)

活塞式转子发动机(版权)

那么活塞式转子发动机与星型发动机的区别在哪呢?上面我也说了,星型发动机是气缸固定,活塞带动曲轴转动;而活塞式转子发动机,则是曲轴固定或反转,活塞带动气缸转动。

曲轴固定活塞式转子发动机(版权)

曲轴固定活塞式转子发动机(版权)

曲轴反转活塞式转子发动机(版权)

曲轴反转活塞式转子发动机(版权)

至于作用……嗯……依旧是一战、二战的各种战斗机,以及更早的上古机械使用。如果说现在还有什么应用,我觉得应该就是下面这玩意了()。

摩天轮

而另一种——无活塞式转子发动机——才是重点!是的,无活塞!虽然此类发动机的设计方案也是多种多样,但最为大家所熟知的,应该就是马自达的三角转子邪教发动机了!

虽然无活塞,但依然使用了传统活塞发动机常用的四冲程循环。不同的是四个冲程不再是推动活塞的上下往复运动,而是改为驱动一个三角转子在气缸内转动。

马自达邪教示意图(版权)

马自达邪教示意图(版权)

憋说话——静静的看着这个完美的几何图形是如何运动的就好,就这么静静的看着……

好,看够了我们继续。

先说一个有趣的事情,这种发动机虽然是马自达的看家宝,但这种名为Wankel Engine的引擎其实最早是一名叫做Felix Wankel的德国工程师在德国NSU公司开发研制的。后来马自达为了度过自己的困难期(马自达曾一度因没有“独门秘笈”而险些被摘掉汽车生产牌照)而从NSU手中买下了这种发动机的专利。而NSU在卖了发动机后,公司则被大众集团收购,与Auto Union合并成为了“Audi NSU Auto Union AG”——也就是后来的奥迪公司。

说完了历史,说说这个Wankel发动机的优缺点。

Wankel发动机优点:非常多……在同等动力输出的前提下,发动机更小更轻;同排量的情况下,理论上可以提供三倍于传统活塞式发动机的动力;抗爆震性更强;更容易达到更高转速……

Wankel发动机缺点:同样多(且致命)……转子密封性问题难以解决;低速偏心转动引起转子与壳体之间间隙加大;燃油经济性不佳;排放过高……

那么,如此神奇的发动机,马自达会把它塞到什么车型上呢?就说一个——高桥凉介的FC了解下。

高桥凉介

马自达对转子发动机一直有一种迷の偏爱……以至于很多人相信马自达的主业是做转子发动机的,而卖车只是为了赚取进一步研究转子发动机的经费而已。据说新一代的转子发动机和与之匹配的新车RX-9已经在测试了,拭目以待吧。

Mazda_RX9




U型发动机与盘式发动机

[ U-Engine & Nutating Disc Engine ]

Bugatti_U16

Nutating_Disc

首先,这俩类型的发动机除了都是发动机之外,没有半毛钱关系!放在一起说纯粹是因为实在都没啥可说的。

U型发动机——看字面形状就很像V型。所以!没错!你猜对了!这——并!不!是!V型发动机的衍生品。

哈哈哈

事实上U型发动机和V型发动机是“平辈”的——都是直列发动机的一种衍生品种。U型与直列的关系,很像是H型与水平对置的关系。两组直列发动机并排放置,两条曲轴一端用链条相连,就这么简单。

U型发动机示意图(版权)

U型发动机示意图(版权)

而最后这个盘式发动机,之所以发出来主要是想给大家看看下面这个很魔性的发动机运转示意图。

盘式发动机示意图(版权)

盘式发动机示意图(版权)

这个构造其实最早是用在蒸汽机上的。而现在最为大家所熟悉的应用场景其实是……呃……水表……对,没错,就是水表(老式的,新的早不用这种了)。这东西很善于测量流体流量……

但也不应太小看这东西。它和前面的马自达转子邪教一样采用无气缸的结构加上其更轻的重量和更小的体积,使其还是有相当的潜力的。




就说这么多吧,你说这些类型就涵盖了所有汽车发动机了么?肯定没有。奇奇怪怪的东西还多着呢。但正常情况下,你买车的时候知道这几种应该就够了。

画外音:明明是太多了好嘛!谁买个车还要知道这么多啊!

你很机车

所以,就这样吧。下期见(如果我还能想起来的话)。


图片版权声明

四冲程示意图 

By Zephyris - Own work, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=10896588

二冲程示意图

By derivative work: Turbojet (talk)Arbeitsweise_Zweitakt.gif: Topory, A7N8X - Arbeitsweise_Zweitakt.gif, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=4410942

水平对置活塞运动示意图

By Anynobody - Own work by uploaderThis file was created with Blender., CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=6681708

H型发动机剖面示意图

By MichaelFrey - Own work, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=41235854

X型发动机示意图

By MichaelFrey - Own work, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=41099028

活塞式转子发动机

CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=155625

曲轴固定活塞式转子发动机

By MichaelFrey - Own work, CC BY-SA 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=41587909

曲轴反转活塞式转子发动机

By MichaelFrey - Own work, CC BY-SA 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=41611824

马自达邪教示意图

By User:Y_tambe - User:Y_tambe's file, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=290591

U型发动机示意图

By MichaelFrey - Own work, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=41250092

盘式发动机示意图

By WKTodd - Own work, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=22581218

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