水平对置那么好，为啥没人用？
萝卜报告 2021-06-12 17:00:05 0
说起水平对置发动机，重心极低、响应极快、运转极其平顺的优点，基本是个车迷就能脱口而出。那么问题就来了，如此完美的发动机形式，为何如今只剩斯巴鲁和保时捷在坚守阵地呢？答案很简单，因为水平对置发动机的缺点比起优点只多不少！
在水平对置发动机的众多缺点中，最致命的就要属制造成本了。不同于只需一套凸轮轴配气系统，就能服务所有气缸都处于一条线的直列发动机，水平对置引擎由于气缸是横躺着、左右分布，且气缸燃烧室位于发动机两侧的关系，所以它的配气系统也必须像大多数V型发动机一样，为左右两排气缸单独布置（如上图红框部分）。这就意味着，哪怕是水平对置四缸发动机，也需要两套配气系统。这对于精打细算的车企来说，为听着并不高端的四缸机搭进去两套配气系统，显然不是一笔精明的买卖。此外，由于水平对置发动机的缸体必须采用左右拼接的设计，来保证发动机的曲轴，以及与曲轴相连的曲轴连杆、活塞能被安装进缸体内部。因此，相较于直列、V型发动机的一体式缸体而言，水平对置发动机的分体式缸体，无论是在制造成本，还是组装工时成本上，都是要明显更高的。三种发动机制造成本的高低排序为，水平对置＞V型发动机＞直列发动机。 纵置水平对置
虽然水平对置发动机的上下厚度明显更薄，对垂直空间的占用更少。但实际上，水平对置只是把直列发动机上的纵向气缸，给水平放在了左右两端。因此，纵置水平对置发动机夸张的宽度便会严重压缩到车辆悬挂的可用空间。这也是为什么斯巴鲁BRZ的前悬，以及保时捷718的后悬都只能使用麦弗逊悬架的原因之一。因为如果要在容纳纵置水平对置的情况下，还使用多连杆悬架的话，那就必须得让车宽“肥”到如同保时捷911屁股的程度才能实现了。![]()
纵置水平对置
目前无论是斯巴鲁还是保时捷，他们的发动机都采用了纵置布局，也就是发动机曲轴为前后纵向摆放。以斯巴鲁为例，纵置发动机的动力首先会传递到位于发动机后方的变速箱位置，此时如果想要采用前轮驱动的话，则需要额外再增加一根传动轴将动力“回传”到车头前轴的位置。这样做不仅会降低动力的传递效率，导致油耗增加、动力变差。同时，由于纵置变速箱的存在，这台斯巴鲁即使采用前驱，也无法像其他横置前驱车那样，获得更大的车内空间。最后相当于油耗、空间、驾驶感受一个都没得到。也许有同学会好奇，如果把水平对置发动机横过来摆放是不是就能解决发动机侵占乘员舱的问题了？答案依旧是不能。横置前驱车型之所以能保证乘员舱最大化，是因为他们使用了比较窄的直列四缸引擎，横向摆放时不会过分侵占车头前后的长度。而水平对置发动机是一个“又扁又宽”的造型，这就导致即使它调转90°横向摆放，依然会严重侵占机舱前后的长度，依然无法让乘员舱空间最大化。除此之外，横置的水平对置发动机的维修保养也是大问题，在需要更换靠近乘员舱一侧的火花塞时，根本就无从下手。因此，虽然为横置水平对置发动机匹配上横置的变速箱能解决效率低下的问题，但这种形式依然享受不到前驱车本应该有的乘员舱最大化优势。综上所述，无论水平对置发动机如何摆放，它都不适用于前驱车的形式。众所周知，一台发动机的动力取向，很大程度取决于发动机缸径与冲程的比值。其中，在同等排量的情况下，发动机的缸径越大，冲程越短，那这台发动机就需要更高的转速才能释放出峰值马力；反之，缸径越小，冲程越长，就能在更低转速下释放峰值马力。那么根据功率=扭矩x转速就能得出，能在低转速下释放更大马力（功率）的长冲程，也同样能在低转速下释放更大扭矩，因此长冲程发动机在日常行驶中自然会给人更有劲的感觉。正因如此，为了保证日常驾驶的畅快感，主流的汽车厂家都会采用冲程大于缸径的设计。而对于直列或V型发动机而言，长冲程设计所付出的代价，无非就是发动机的垂直高度会更高一些罢了。但反观水平对置发动机，要想通过增加冲程来换取更好的低转速扭矩，可就没那么简单了。上面我们已经讲过了，水平对置发动机会大幅侵占机舱的横向空间，同时机舱可供水平对置发动机侵占的空间也十分有限，这就导致水平对置发动机的宽度并不能太宽，进而限制了水平对置发动机横躺着的气缸冲程不能太长。这样一来，水平对置发动机的低扭自然就好不了。更尴尬的是，如果想靠提升发动机排量来增大马力的话，那水平对置发动机在宽度（冲程）受限的情况下，就只能通过增加缸径的方法来实现了，而这种操作又会进一步将发动机的最大功率推至更高的转速区间。所以水平对置发动机在空间的限制下，低扭是很难做到像直列、V型发动机那么好的，日常低转速行驶自然也就会给人带来无力的感觉了。像是斯巴鲁刚刚发布全新一代BRZ上的2.4L发动机，就是在老款2.0L发动机冲程不变的基础上，将缸径从86mm提升到94mm实现的。从这点来看，全新一代BRZ应该能为我们带来更澎湃的高转表现！水平对置发动机最广为流传的“易爆”，也就是容易爆缸，同样也是很多厂商拒绝它的主因之一。水平对置之所以“易爆”，原因有两点，其一是由于燃烧室位于引擎两侧，会经常出现两边温度高，中间温度低的情况，导致缸体受热不均匀，进而引发缸体强度下降。其次，由于水平对置发动机左右两侧缸体是拼接在一起的，因此为了方便缸体的组装，就必须在两个部件之间留出设计公差。正因为公差的存在，势必会导致结构强度的下降。而恰好两个缸体拼接的位置，安装的是高速旋转的曲轴，在发动机高速运转时，曲轴的离心力会对周围的结构产生很大压力，甚至出现轻微的碰撞。长此以往，一旦缸体出现损伤和变形，发动机自然就很容易爆缸了。此前，这个问题在使用刚性极高的铸铁缸体配合封闭式水道时并没有显现出来，但随着厂家对轻量化的追求，在使用了铝制缸体和开放式水道后，“易爆”这个问题便开始显现了。虽然使用铝材打造出来的发动机缸体更轻，但由于铝制缸体的受热膨胀系数较大，高温时容易发生形变，因此在遇到内部受热膨胀系数更小的铸铁活塞飞速运转时，会加剧铝制缸体的磨损。因此，现如今铝制发动机内部的缸体，都会使用更耐磨，且与铸铁活塞受热膨胀系数相同的铸铁缸套来负责与铸铁活塞接触，并且与铝制缸体之间留有缝隙。而这个缝隙一方面能作为冷却液的通道，来为发动机进行散热；另一方面还能为铝制缸体的膨胀变形留出空间。不过，由于这个缝隙的存在，也直接导致了缸套稳定性的下降，在遇到长时间高压、高转速的工况下，很容易产生形变，最终导致活塞的异常磨损甚至是爆缸。 左：有涂层 / 右：无涂层
目前，要想避免铝制发动机爆缸，共有三种方法。一个是通过降低动力输出，避免动力超过缸套强度的承受能力；二是不用铸铁缸套，通过直接在铝制缸壁上使用高成本缸壁涂层的方法来提高铝制缸体的耐磨度，让其直接与铸铁活塞接触；第三种同样是基于铝制缸体，不使用铸铁缸套的方案。通过使用昂贵的锻造铝制活塞+锻造铝制连杆的方式，来解决活塞与缸体受热膨胀系数不同的问题。对于保时捷这种昂贵的车型而言，选择缸壁涂层自然是没问题。可对于价格相对亲民的斯巴鲁来说，一味地提高成本显然是不现实的。因此，在一般的家用车上，斯巴鲁就只能通过限制动力输出的方式来确保缸体强度了。可对于改装用户而言，斯巴鲁一般家用车上相对薄弱的缸体强度，也让压榨动力成为了一件不容易的事情，稍有不慎就可能导致爆缸。说到水平对置发动机的优点，其无与伦比的平顺性绝对是最值得称赞的。大家应该有所耳闻，发动机震动主要源自两点：一个是活塞上下运动时所产生的震动，被称为发动机一阶振动；另外一个则是曲轴旋转时所产生的震动，被称为二阶振动。 直列四缸发动机
其中，由活塞上下运动所产生的一阶振动其实是很容易解决的。因为当一个活塞向下运动时，只需有另外一个活塞进行反方向的向上运动，便可以将这两个活塞运动时所产生的震动相抵消。由此也可以得出，只要发动机的缸数为双数，且活塞互相呈相反方向运动，便可以有效避免一阶振动的影响。像是直列四缸发动机（如上图）就是通过两两反向运动来抵消震动的。不过，由曲轴产生的二阶振动就比较难以避免了。二阶震动之所以会产生，是因为发动机使用的活塞曲轴连杆结构，天生就具有一个特性，即曲轴每个阶段所旋转的角度，与活塞上下运动的距离，并不是时刻等比例的。简单来说就是，在一个冲程内，曲轴进行180°旋转的过程中，前90°旋转所对应的活塞上下移动距离，与后90°旋转所对应的活塞上下移动距离，并不相等。其中，根据物理学原理，活塞在缸体上半部分的运动速度，是要明显快于活塞在下半部分缸体的运动速度的。所以在实际中，曲轴（上图蓝色部件）从任何一个冲程的起始位置，比如吸气、做功冲程的12点位置（如上方左图12：00位置），曲轴经过90°旋转运行到3点位置；或是压缩、排气冲程起始的6点，经过曲轴90°旋转运行到9点位置，活塞都会处于缸体更靠下的位置。而正是这种活塞上下运转时，加速度的不对称性，最终引发了发动机的二阶震动，这也意味着直列四缸发动机并非是完全平顺的。但水平对置发动机就完全不存在二阶震动的问题了，这是因为水平对置发动机曲轴（上图蓝色部件）两侧的缸体之间是完全同步运动的。当活塞吸气时，两侧的缸体都会向中间运动，并且活塞所产生的加速度是一致且对称的，因此可以彻底杜绝二阶震动的产生。此时再加上水平对置发动机的缸体数都为偶数缸，也不存在一阶震动。所以水平对置发动机是可以仅凭自身就实现完全平衡的，最终达到与直列六缸以及V12相同的平顺性。相较于直列发动机的气缸竖置，以及V型发动机的气缸斜置来说，水平对置发动机平躺的气缸，重心无疑是最低的。而重心的高低，则会对车辆的操控性带来非常大的影响。其中，重心越低的车，在过弯时的侧倾就会越小。而更小的侧倾幅度，不仅可以使内侧轮胎更加贴地，在过弯时发挥更大的作用，从而提高车辆的过弯速度。同时还可以极大程度地提升驾驶者对于车辆的主观操控性。这也是宝马M4、GR雅力士这种讲求极致操控性的车，都会在车辆最高的车顶位置，使用碳纤维材料进行减重的根本原因。此外，高度更低的水平对置发动机，还能使机舱内的垂直空间产生更多的用武之地。比如可以通过将涡轮中冷器布局在发动机的上方，来减少机舱的长度；又或者在更低矮的机舱高度内，布置四驱系统；甚至可以将引擎盖的位置进行大幅降低，来换取更好的视野。除了高度更低以外，水平对置发动机的前、后长度也较短。这主要是因为它两侧缸体的气缸连杆，在曲轴上的固定位置是极其紧凑的。所以水平对置四缸发动机的曲轴长度，是要明显短于气缸在一条线上依次排列的直列四缸的，甚至比直列三缸发动机还要更短一些。也正是这些尺寸上的优势相加在一起，才能让保时捷911在本就狭小的车尾空间里，塞进一台拥有六个气缸的发动机！通过上文我们已知，水平对置发动机的曲轴长度是要明显短于直列发动机的。那在曲轴钢材近似的情况下，更短的长度一定是更轻的。这时，再加上水平对置发动机不需要曲轴配重块，天生自平衡的特性。因此，水平对置发动机的曲重量，是要明显轻于直列和V型发动机的。显而易见的是，更轻的曲轴重量，转动惯量自然就更小。因此在发动机运转时，内部损耗就更小，转速上升也就更快。所以相比起直列和V型发动机来说，水平对置发动机拥有着最快的动力响应速度。虽然现在只有斯巴鲁和保时捷在使用水平对置发动机，但在上世纪50年代的时候，水平对置发动机其实是一种非常主流的选择。这是因为受技术限制，当时发动机只有被动式的风冷可以选择，因此撞风表面积相对较大的水平对置发动机（如上图所示）便在散热性方面有了很大的优势，这也让当时不少廉价车型都选择了水平对置发动机作为动力来源。当然，这也是1963年初代保时捷911敢于在竞争对手已经使用了水冷中冷器的前提下，自己依旧走风冷路线，并且能坚持到1997年996代才换上水冷的原因。在这其中，经典的水平对置车型，有50年代的大众甲壳虫、保时捷356、雪铁龙2CV；60年代的雪佛兰Corvair、蓝旗亚Flavia；70年代的雪铁龙GS。而在这之后，由于水冷技术的成熟，除了斯巴鲁和保时捷以外的其他品牌，就相继投靠了成本更低，制造更简单的直列发动机。作为发动机各种形态中最特别的一种，水平对置拥有令人爱憎分明的特点。喜欢的人，爱它的低重心、平顺性以及高转速取向；不喜欢的人，则讨厌它有限的改装潜力、干瘪的发动机声浪以及高昂的售价。而对于汽车厂家来说，高昂的制造成本和相对脆弱的缸体都是能将其打入冷宫的不二理由。也正因如此，保时捷和斯巴鲁才拥有了“独享”水平对置发动机的信仰红利！ 
