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汽车是不是气缸数越多就越平顺?

我们在网上也许曾经听说过:买车不要买三缸的,三缸发动机抖,要买就要买四缸车。这种言论有一定的道理,毕竟由于三缸发动机运转平衡性不如四缸发动机,所以在理论层面三缸发动机的震动的确会比四缸发动机大。
 
汽车是不是气缸数越多就越平顺?
今天教授就讲讲关于发动机平衡性问题,发动机平衡性跟什么有关?什么可以增强发动机的平衡性?最平衡的发动机是怎样的?是不是缸数越多,发动机越平衡?
 
汽车是不是气缸数越多就越平顺?
对于发动机来说,最重要的一点就是确保发动机内的各种力矩能够平衡。首先需要平衡的是旋转部件质量产生的力,往复运动部件质量产生的力以及各个气缸点火顺序产生的力。
 
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总的来说,发动机平衡就是让所有的力、所有的动量旋转部件的重心保持在旋转的中心轴上,假设有一根金属棒,它在旋转的时候如果是保持旋转中心不变,那么其旋转起来就是规律的,且平衡的,如果有另外一个力施加在轴的某端,那么其旋转就会受到严重影响,伴随而来的是震动、噪声等。
 
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如果一个两端有大质量的旋转部件绕着轴心旋转,两端的质量就会产生一个向内合拢的力,而它们在旋转中心互相平衡。但是两端的质量在旋转的时候回产生一个由旋转中心指向外部的力,这个指向外部的力就会产生不平衡,假如这个东西是曲轴,那么整个发动机就会疯狂震动。
 
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此时只需要将两个质量的物品中心对称放置,那么左侧旋转产生的力就会跟右侧旋转产生的力互相平衡,但整个旋转部件的重心依然在轴心上;当两端的质量(假设是连杆)在旋转的时候,拿右侧来讲,它会有一个以重心为中心向左的旋转力;对于左侧的来讲,它产生的力又是以重心为中心向右旋转的力。所以当整个结构在旋转的时候,它会绕着重心一直摇摆,会趋向一个锥形(两边的质量都在围绕着重心做绕圈运动)。
 
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为了解决这个问题,我们可以添加另外的质量来平衡这种情况,在两侧都加上相同的质量后,整个部件的旋转就会变得平衡,各个力都有反方向的力去抵消,四个绕着重心旋转的力也互相抵消。
 
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往复运动中最重要的就是活塞,活塞相对于其他往复运动的部件,例如气门、推杆等来说,活塞显得更加重,更大。活塞上下运动的时候,运动产生的作用与发动机上的力也是不断地上下往复,假如是单活塞发动机,那么发动机的运动趋势就会跟活塞运动的趋势一样,假如有两个活塞的话,它们上下运动的力就可以互相抵消(两个活塞相反运动)。
 
一阶震动
活塞运动中会有几种不同类型的力,一阶、二阶、三阶,意思是每转一圈发生的次数,当曲轴转一圈,一阶力基本是由活塞产生,活塞上行到达顶点是向上的力,活塞下行到下止点是向下的力。常见的做法是增加平衡配重来抵消掉活塞所产生的力。
 
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一阶震动是曲轴每转一圈往复式部件发生一次的震动,例如一副直列四缸发动机,有四个活塞,14缸跟23缸的运动相反,之所以这么做就是为了平衡活塞运动惯性产生的力,我们可以从一个图表中看出,14缸由于相同方向运动,所以可以看做是一个合力,这个力类似正弦曲线运动,而23缸的运动则相反,所以如果图表的纵轴表示发动机受力,那么四个气缸的合力就会刚好互相抵消,在图表上的合力就是一条直线,这样一来,发动机在一阶震动的角度上就平衡了。
 
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对于单缸发动机来说,只有一个活塞上下运动,于是作用力也是上下往复,没有其他活塞来平衡,于是就需要在曲轴上加入一个配重,当活塞向下运动时,配重向上运动产生向上的力;活塞向上运动时,配重向下运动,产生向下的力,这样同样可以使得垂直方向的合力是零,发动机不产生震动。问题是单缸机的曲轴配重在旋转的时候还会同时产生向左和向右的力,这个力的不平衡的。
 
二阶震动
 
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二阶震动是曲轴每转一圈发生两次,它基本上是由活塞在上半周运动得比下半周快而产生的。我们假设曲轴带着连杆旋转的直径是1,连杆长度是2,那么活塞的上止点系统的总高度就是3,而在下止点的总高度是2。
 
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我们来算换一下曲轴在上下的中间点时的总高度,根据勾股定理,该长度为4-0.25=根号3.75,等于1.9365,这时候只是连杆的长度,系统的长度需要加上曲轴旋转半径,也就是2.4365才是系统总高度。
 
当在上止点时,总高度是3;当曲轴旋转90度后,系统高度变成了2.4365,然而它并不是2.5,不是上止点和下止点中间;而在下止点时(曲轴转角为180度)的高度是2。也就是说,实际上还曲轴从上止点旋转90度,活塞运动的距离比从90到下止点的距离更长;同时,从180度到270度时,活塞的运动距离比270度到360度时短。
 
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同样的时间内(曲轴转角一致)活塞运动的距离更长,也就是说曲轴和连杆的连接端在上面的180度时,活塞的运动速度比连接端位于下面180度时更快,这就形成了二阶震动。上半周时连杆给活塞向上或者向下的力会更强,因为活塞运动得更快,而下半周时力量会减弱,因为活塞的运动速度会稍微慢一些。
 
根据不同的发动机布局,可以使用其他气缸或者平衡配重来抵消这些不平衡的力,关于不同发动机的结构,教授会另起文章讲解。
 
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想要平衡点火顺序之间的力,就意味着每一个气缸的点火间隔要一致,所以发动机中的所有气缸不能同时点火,需要每个气缸轮流点火。对于四冲程发动机,一个冲程曲轴旋转180度,4X180再除以气缸数量就是点火间隔了,点火间隔等于这个值的时候,发动机就是在均匀点火。
 
举个例子,一个四冲程的V8发动机,那就是4X180/8=90,也就是90度,所以对于一个V8发动机来说,让曲轴每转90度就让一个气缸点火,这样就可以平衡掉点火顺序的力了,这个角度还表示了最佳气缸夹角,以上面的例子,点火间隔是90度,对于V8发动机来说,气缸的夹角最好就是90度,这样就使得点火间隔和发动机结构布局相匹配。
 
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四个气缸排列成一列,这也是直列四缸发动机名称的由来。典型的点火顺序是1342,先是1号气缸点火,然后是3号、4号、2号,这样平衡了点火的不平衡性,并且两侧的两个活塞保持同步,中间的两个活塞保持同步,之所以这么做的原因同样是为了平衡,为了避免不必要的震动。
 
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两边你的两个活塞向上运动产生的一个向上的力,中间两个活塞向下运动产生向下的力,所以它们相互平衡。问题是,L4发动机的二阶震动并不平衡,因为当两侧活塞到达上止点,中间两个活塞达到下止点时,二阶不平衡力是向上的,这也就对发动机造成了震动。
 
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当然,可以通过平衡轴或者其他方法解决该问题,例如橡胶减震机脚,让震动尽量不传导到车系那个内部,但这个震动是客观存在的。
 
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直列四缸发动机相对于其他结构发动机的优势就是体积小以及轻量化出色,这是巨大的优势,因为其体积小,所以它可以用于各种驱动布局的车辆上,前驱、后驱、四驱。同样,L4是很简单的设计,它只需要一个缸头,因此也只有一列气门机构,相比起V型布局的两组气门机构,L4拥有更小的运动部件,所有的零部件在维修难度上相比V型等发动机更有优势。
 
二阶震动是L4发动机的最大缺点,由于二阶震动的存在,这就限制了发动机的体积,因为发动机排量越大,活塞越大,震动就会更加强烈,于是L4的体积就无法做得很大,进而限制了输出功率。另外一个缺点就是L4发动机的重心太高,不如水平对置发动机拥有低重心,所以对于车辆操控性有一定影响。
 
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从上文可知,5缸发动机的点火间隔为4×180/5=144,点火间隔为144度。对于四冲程的四缸发动机来说,它的点火间隔是180度,这就意味着总有一个气缸处于做功冲程,但是没有做功叠加,对于L5发动机来说,它的点火间隔是144度,这意味着两个做功冲程之间有36度的重叠,所以L5发动机的动力输出会更加平顺,这是L5的一个优点。
 
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从L5发动机的曲轴可以知道,假如从侧面看这根曲轴会类似五角星形状,1号活塞在顶端,2号在左下,3号在右下,4号在右上,5号在左上,曲轴的曲柄夹角是72度,144度就是两个夹角,这也就是最佳点火间隔。假如这台发动机按照最佳点火间隔点火,那么其气缸点火的顺序就是12453。
 
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从曲轴上看到,L5发动机是不平衡的,一阶震动和二阶震动都会让发动机产生前后俯仰问题,所以L5发动机通常会布置一根平衡轴,相比起L4发动机,L5发动机最大的优点是平顺的动力输出,相比起V6和L6发动机,它长度比L6短,宽度比V6窄,更容易安装在一辆横置前驱的车辆上;同时,对比起L4,L5发动机可以拥有更大的排量,也就能拥有更高的功率输出。
 
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但L5发动机也有缺点,例如前后俯仰的震动问题,L4就不会有这种问题,原因上文已经介绍过。由于增加了平衡轴,这就增加了转动惯量和复杂程度;同时,体积也是一个重要因素,L5的体积比L4更大,所以需要更大的机舱容纳它。
 
所以,在车辆需要比L4更大排量,但是又受制于发动机舱空间时,就可以选择L5发动机,这也使得L5发动机的应用面比较窄,所以市场上使用L5发动机的车辆较少。
 
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L6发动机,L6是一种在体积、震动、动力输出上都做得相对完美的机型。L6发动机有着相当多的著名机型,例如2JZ,RB26,以及宝马的很多发动机等。
 
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L6发动机,6个气缸排成一列,点火顺序通常是153624,这样的话,发动机所有的力都是平衡的,点火间隔是120度。从曲轴上看,基本上456缸就是123缸的镜像,所以16号活塞同步运动,25号活塞同步运动,34也是如此;每组两个活塞同时向上或者同时向下,这么做的原因很简单,就是为了平衡掉所有不平衡力以及使得点火均匀。
 
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假设,16号活塞刚好位于上止点,那么上下的两组活塞和曲轴相位他们各差120度,力向上,剩下的几个活塞是力是向下的,且大小是16活塞合力的一半,由于有两组,所以整个发动机的合力为0,所以发动机是平衡的。平衡是L6发动机的一个巨大的优势。
 
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对于V型发动机来说,L6发动机的制造成本更低,因为它只有一列缸体和一列缸头,一组配气机构,而V型发动机需要2组。但L6发动机也不是没有缺点的,也正是由于L6发动机的直列排列,所以其需要的空间也更大,所以无法安装在一些小车型上,同时加上变速箱的影响,所以对于空间的要求较大,不利于车内空间的发挥。
 
L6发动机无法使用在目前流行的FF车型上,主要是由于宽度不足,导致无法布置发动机、变速箱、驱动轴等。与L4发动机一样,L6发动机同样存在重心高的问题;此外,L6发动机由于长度较长,所以发动机的刚性不如V6发动机,相对于V6发动机更小更紧凑的机型来说,L6更容易发生扭转和形变。
 
汽车是不是气缸数越多就越平顺?
以上就是关于发动机震动以及几个常见的发动机类型的震动、优缺点,总结来讲,L4发动机体积小,但是无法自平衡二阶震动;L5发动机功率大,但是需要平衡轴来缓解发动机俯仰的问题;L6发动机天生自平衡,但是长度较长,无法使用在一些前置前驱的车型上,对车辆空间影响较大。
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