04.29 再也不用给六缸发动机「续命」了

如果听到V6、L6时你的心里会有涟漪,那你一定是对汽车有着足够好奇心的同学。事实上,关于六缸机的传说,这么多年来一直不曾断绝。

「六缸机是高档汽车的象征,又安静又舒服!」

「三缸机开起来抖得像地震一样!四缸机也不如六缸!」

大抵如此。

这些传说实际上都有着深刻的理论基础,接下来……逆着知友们的习惯……我们先看看为什么,再问是不是。

发动机对于汽车而言,是一种输出动力的机械,用「心脏」作为比喻再形象不过了。但大多数人可能并不熟悉它的另外一种定义:一种将往复运动转换为旋转运动的机械。汽油的燃烧是意义上的「爆炸」,气体的能量释放伴随着体积的迅速膨胀,本是非常无序的。我们不太能指望将一个没有方向性的「爆炸」过程,转换成有方向的旋转运动。

工程师说,我就偏要有!

于是就有了这个。

我们常说的「四冲程」,指的是发动机做功的整个循环。每次做功前,首先让活塞下行,打开进气门引入新鲜空气和汽油;此后让活塞上行,关闭气门形成一个密闭空间,将混合的油气压缩到极限;完成前两步准备以后,点燃汽油让膨胀的气体推动活塞下行;最后打开排气门,让上行的活塞将废气排出气缸。

不论是活塞的往复还是曲轴的旋转,都是种简单的运动,然而有了摇摆的连杆,这两种运动就得以建立起复杂而确定的关系。

这种关系,正是我们想要从汽油当中索取的能力。

你肯定已经注意到了,整个循环只有第三冲程才是汽油释放能量的窗口,而其他三个冲程都由曲轴带动活塞消耗残存的能量。那么问题就来了,第三冲程活塞给曲轴造成的冲击力,岂不是要比其他三个冲程大很多?确实如此。

工程师说,四个冲程三个不做功,明显是一缺三!再找三个气缸就可以凑一桌麻将了!

于是,就有了四缸机。

为了方便描述活塞和曲轴的运动,平时我们用曲轴转角对相位进行定义。一个工作循环活塞往复两次,曲轴旋转两圈,一共转过720°,每个冲程就是180°。由于四个气缸均匀点火,每个气缸的相位偏差也刚好是180°。

一桌麻将的问题,就解决了。

曲轴的受力每180°出现一个压力波峰,但气体能量的释放却有自己的过程——即便是电压的跳动都难以是阶跃的变化,更何况是可压缩的气体。这意味着在整个做功循环里,曲轴从受到1次冲击变成了4次,但冲击依旧是冲击,并不是平稳的受力。只不过当发动机的转速从1000r/min提升到6000r/min时,曲轴转过180°的时间从0.03s降低到了0.005s,冲击更加密集,点火燃烧的压力波峰都快能连成一条线了,我们也就能感受到越来越平顺的结果。

转速太低的话……还记得停车怠速为什么抖动得特别厉害吗?这就是原因之一了。

当然了,气缸的数目越多,相同的发动机转速下点火频率更高,无限数目的气缸,理论上可以让曲轴在每时每刻都受到恒定的力,简直不要太稳。仅从点火频率来考虑平顺性的话,六缸机显然要比四缸机好上很多。

这就是全部了?这只是个入门。

下面我们要开始三步画好蒙娜丽莎的第三步了!

开玩笑开玩笑……

大篇幅的推导,就不在这里吓唬大家了,那是工程师做的事情。但在发动机的曲柄连杆机构里头,受力分析确实复杂,有缸内气体作用力、运动质量惯性力、摩擦力等等,当中的惯性力又分为一阶和二阶。往复惯性力可以写作:

其中一阶惯性力写为:

二阶惯性力为:

具体的变量意义就不解释啦,反正大家也不喜欢看。但这公式很清晰的描述了活塞的往复运动,实际上是一种简谐运动。

简单说来,活塞在气缸内的上、下极限位置速度是零,但加速度最大。在从上往下或从下往上运动时,加速度慢慢减小,而速度是增加的。在某个临界点时速度达到最大,加速度变成零,过了临界点以后开始受到反向加速度,速度又再一次下降至零。活塞的加速度与自身质量的乘积,就是其往复惯性力;同理,曲轴在旋转的过程,运动和连杆有直接联系,其自身的质量也会形成旋转惯性力。

问题出在哪里呢?

前面我们提到了气缸数目和点火做功的关系,多个气缸对外输出的总转矩,就是所有气缸转矩的叠加。为了让输出平稳,点火间隔都是均匀的,序列内每间隔两个气缸相位就相差360°。以四缸机为例,点火顺序为1-3-4-2,如此,第1、4气缸的活塞就成为一对,相位相差360°;第2、3气缸的活塞则成为另一对,相位也相差360°。这意味着,每对气缸中的活塞,永远都处在相同的位置,即使他们在处在不同的冲程。当第一气缸中的活塞下行时,第四气缸也相应下行,而第二、三缸都同时上行,完全对称,并不会因为活塞的上行或下行,导致整个发动机随之跳动的情况。而以曲轴中心为支点,前后两端受力刚好是均匀的,也达到了活塞内部的和谐。

这个效果,就可以理解为是一阶惯性力和一阶惯性力矩的物理作用,只是他们已经平衡。如果只有三个气缸呢?两边的活塞一对,中间的活塞单干,看起来是平衡的……

三缺一平衡个啥?一对二的难道不是斗地主么!气缸轴线上的合成惯性力是平衡的,但是惯性力矩却无法抵消,这是三缸机特别抖的主要原因。

四缸机和六缸机看起来都成双成对,一阶惯性力和一阶惯性力矩都能完美抵消,但遗憾的是,还有二阶惯性力。

任何相关的教科书,在种种看图写作以后,都会把活塞的运动速度说成这样:

其中α指的是连杆和曲轴中心线的夹角,λ则是指曲柄连杆比,对于特定的机型它是一个常量,通常小于1。初中的数学知识告诉我们,这个公式也可以写成这样:

发现了吗?以排气冲程为例,活塞从下止点往上运动到上止点时,前半段α是个钝角,那么,sinα为正,cosα为负;而后半段α是个锐角,sinα和cosα都为正;也就是说,后半段的值肯定大于前半段,活塞在气缸上半部分的运动速度,平均起来要大于气缸的下半部分。

换句话说,活塞队上半场梦游,到了下半场突然开始了跑轰战术!过分!

于是当第1、4气缸开始下行,走到1/2位置时,第2、3气缸上行还未达到1/2位置。两对活塞的位置、速度、加速度,在竖直方向上实际上并不对称。这种因为向上、向下运动差异造成的振动,也就是二阶惯性力的效果了。

功率较小的四缸机,二阶惯性力的效果并不明显,而高功率的机型,或者是近些年为了降低油耗而存在的Downsizing,通过增压造就了许多升功率奇高无比的机型,就需要平衡轴来抵消这个二阶惯性力的作用。

那么直列六缸机是什么情况呢?它可以看成是两台组合在一起的三缸机,往复惯性力完全平衡,而两台三缸机的往复惯性力矩则刚好相互抵消,全方位无死角。可是,当气缸数再往上增加到八缸、十缸的时候,如果采用直列方案的话,常见的整车是没有足够的空间的,因而会使用V8、V10的方案,这种形式并无法得到「天然抵消」的效果。

所以,即便说气缸数目是某种意义上的豪华与奢侈的象征,但六缸机才是完美的选择。

看起来,六缸机比起四缸机,实在是非常稳了?

并不全是。如今它的地位,正在受到挑战。

因为四缸发动机,已经有了新的形态。

英菲尼迪的VC-T有着特别的意义,它是量产可变压缩比技术的机型。而可变压缩比,正是通往发动机辉煌篇章的必经之路,是无数人都渴望的,打开巅峰大门的最后那把钥匙。

为了实现可变压缩比,VC-T选择的是与众不同的多连杆机构。这组机构包含了几个特别的部件,U-Link(上连杆),L-Link(下连杆),曲轴,C-Link(控制连杆),以及摇臂和驱动器。当需要调整压缩比时,驱动器驱动摇臂旋转,摇臂推动C-Link,C-Link推动L-Link,L-Link强行为U-Link调整冲程长度,改变活塞在气缸中的上止点位置,而上止点决定了汽油和空气的混合物在气缸中被压缩的极限状态。普通工况下被压缩的越厉害,膨胀时就能释放越可怕的能量;恶劣的工况下压缩比过高反而会带来一系列的问题。压缩比可变,就能应付各种各样的场景。

与普通的四缸发动机相比,VC-T的机械结构复杂很多,运动的复杂程度也呈上升趋势,但在这个高难度的操作下,VC-T不仅得到了可变压缩比的技能,也顺手解决了四缸机二阶惯性力不平衡的问题。

多连杆机构与普通的传统结构本质上是类同的,是活塞、连杆和曲轴的关联运动,活塞也依旧会有二阶惯性力的问题,只不过下半部分通过力学的优化,可以实现比平衡轴好得多的效果。

简化整个机构以后,就可以看到它最本质的样子。对于普通的发动机来说,不考虑活塞倾斜敲缸的情况下,活塞只有纵向上的运动,当我们说水平方向上的惯性力时,事实上说的是摇摆的连杆和旋转的曲轴,但它们也只有一阶惯性力,多连杆机构中的U-Link、L-Link和C-Link却因为复杂的联动而存在着不同程度的二阶惯性力。也就是说,使用了多连杆机构的VC-T,如今不仅是纵向上存在不平衡,水平方向也出现了问题。

等等?怎么和说好的不一样?

如果要评价多连杆机构,首先我们需要有一种评价方法。英菲尼迪设计了质量平衡指数BMI来作为评价的指标,其中L指的是连杆长度,x指的是每个连杆的质心,m自然是指质量了。这个指标综合考虑了三个连杆的运动,如果BMI能够完全等于零,也就说明水平方向上一切该有的不该有的力,都相互自爆了。

而为了让BMI变成零,英菲尼迪不仅对多连杆的长度、重量进行了多轮优化和论证,还在VC-T的设计上做了两个巧妙的改动。

一个是让三角形的L-Link扁平化。这个改动使得连接C-Link和U-Link 的L-Link几乎成为一条直线,而L-Link和U-Link的节点将被挤到曲轴右侧较远的位置,运动轨迹也相应加长,但是L-Link起到了类似于杠杆的作用,最终减小了系统在水平方向的摆动幅度。如此,L-Link的角加速度也好,活塞在竖直方向的加速度也好,都得到了削弱。什么?活塞?是的,因为U-Link的运动,最终会影响到活塞,它在竖直方向的二阶惯性力就被减小了。

另外一个是气缸中心线相对曲轴主轴颈,向L-Link的右侧进行了偏置。这是因为L-Link的扁平化,导致U-Link的运动轨迹变长,并整体向右侧推挤,如果保持气缸中心线在原位置,U-Link运动时出现的倾角会比原来大很多。这不仅改善了活塞连杆受到的侧向力,而且,当U-Link出现倾角时,活塞的往复惯性力、U-Link受到的水平分力最终都会传递给L-Link,较小的倾角在改善水平分力以后,年轻的L-Link再也不用承受它这个年纪不应承受的压力了。

水平方向就这样被多连杆机构平衡完毕啦!可是不是说好要解决普通发动机在纵向上的二阶惯性力作用吗!

是这样的,这个问题对于多连杆机构来说不要太容易。前面提到的这些设计,刚好很巧妙地让U-Link、L-Link和C-Link的两个结合点,在力学上出现相反的相位,完美地相互抵消,而最终由活塞造成的纵向振动,则被降低到普通机型的十分之一以下了。

对于普通的发动机来说,增加平衡轴能够将发动机的振动水平降低10dB左右,而既然水平和垂直方向,VC-T都已经没有了惯性力的困扰,即使取消平衡轴,全转速也都能够达到更好的水平,那么平衡轴还有存在的必要吗?

多连杆的优势,是VC-T在平顺舒适性这件事情上,足以向六缸机发起挑战的基础。

现在你能够明白,六缸机的传奇的终结者,已然在这里了。

先进的燃烧和增压技术带来了200kW的额定功率和高达380N·m的扭矩;可变压缩比在大幅降低冷启排放的同时,更是将高效区域拓宽到了接近极限的范围。让QX50在动力、排放、油耗同时拥有卓越造诣的,是VCR+Turbo的力量,而不逊于六缸发动机的舒适与平稳,实在让它无可挑剔。

当然,VC-T有着更加深远的意义,后续它将逐渐褪下面纱,把最好的自己展现给这个世界,「革新」之意义所在,英菲尼迪从不含糊。

而VC-T这颗强大的内心,此时正在QX50 2018里,安静地等你按下那第一次「Start」,感受这个新世界澎湃而沉稳的内涵。