稀世珍品之V8引擎 为何法拉利的歌喉与科尔维特不同 | 析技

作者丨张一弛

责编丨小树

在这个时代大排量多缸引擎被称为魔鬼，是吞噬蓝天的真凶，虽然我很想和这些口号提出者去理论一番，但似乎已经没有什么意义了。四缸和三缸引擎横行天下，V10、V12早已成为稀世珍品，V8的能见度也越来越低。

当然在理性层面，小排量涡轮机性能并不差，想要性能，加大涡轮和增压值就好了。且不说坐拥420匹的奔驰M139，上世纪八十年代标致205 16T赛车，1.77升的排量也可以榨出近500匹的马力，还不是依靠3.5bar的涡轮压力么。正所谓：只要涡轮大，走遍天下都不拍；只要bar值高，V10、V8边上靠。

但从情感上说，谁不爱大排量呢，那种与体内细胞产生共鸣的声浪，小排量是无法比拟的。所以我想趁大排量引擎还没消亡做个系列，聊聊这些多缸引擎的技术特点和故事，本期先从V8说起。

要了解V8引擎，必须要搞清楚平面曲轴（flat plane）和十字曲轴（cross plane）这两件事，这也是V8引擎的两大类别。具体的形式如下图：

所谓十字曲轴（图中左侧）意思是，1、2；3、4曲拐之间的夹角为90度，如果把曲轴立起来，从上往下看就是图中左下部的样子，成一个“十字”，这也是命名的由来。而平面曲轴看起来就熟悉多了，它看起来就像是直列四缸的曲轴，只不过每个曲柄销上连了两个活塞，也可以把它看成把两个直列四缸引擎拼在了一起。

震动的差异，十字曲轴更优秀

那么平面曲轴和十字曲轴有什么区别，各自有怎样的优缺点呢？首先我们从震动的角度去看，引擎内部可分为一阶震动和二阶震动，所谓一阶震动是指频率和曲轴转动速度相同震动，简单的说就是曲轴纵向俯仰产生的震动；而二阶震动是指频率相当于曲轴转动速度两倍的震动，可以理解成曲轴横向摆动造成的震动。这部分内容之前的析技已经详细讲解过，今天就不展开了。

接下来我们就看看两种不同形式的V8引擎内部产生的力是怎样的，先说十字曲轴。为了简化和直观一些，只看一侧气缸就可以了，如下图：

此时，一号气缸上行至上止点；二号和三号气缸位于同一平面，不过一个上行、一个下行；四号气缸下行至下止点。如此的运行轨迹可以看出，虽然活塞是两上两下，但1、2号气缸上行、3、4下行，力的作用点并不重合，所以曲轴会产生纵向的俯仰，就是一阶力不平衡。

但是二阶力是平衡的，1号和4号活塞二阶力向上，而3号、4号活塞二阶力向下，正好可以相互抵消，如此就不会产生横向的二阶震动。

现在可以得到结论，十字曲轴的V8引擎二阶是平衡的，但一阶不平衡。不过这个问题也相对好解决，只要在曲轴上加配重平衡块就可以了。如下图：

这是张90度夹角V型引擎的正面示意图，红色部分为曲轴配重，为了直观我把引擎转了45度。假设上方活塞向下运动，此时会产生一个向左侧的力，而配重块的力正好向右，如此就可以抵消。再看下方活塞，它此时刚好到达下止点，力的方向同样向左，那么配重块也会正好抵消它的力，使得曲轴处于平衡的状态。

再说平面曲轴，它的工作方式如下图：

前面说了。平面曲轴V8引擎可以看做两台L4引擎以90度夹角拼接而成，所以只看一侧气缸，它的特性与L4引擎没有区别。

1、4号活塞向上；2、3号活塞向下，并且这两组活塞运动方向始终保持一致，如此它的一阶力是平衡的。但是，二阶就存在问题，1、3、4号活塞的力是一个方向，2号活塞是另外一个方向，这就导致了不平衡。

相比十字曲轴，平面曲轴二阶不平衡的问题要更加棘手一些，如同L4引擎，很难完美的克服二阶震动。所以从震动的角度说，十字曲轴是优于平面曲轴的。但事情总有两面性，虽然十字曲轴用配重块解决了震动问题，而带来的问题是曲轴重量大、转动惯量大，使得转速响应偏慢。此外，配重块需要更大的空间，所以要配备更大的曲轴箱，增加重量的同时，还会让引擎的重心偏高。

点火顺序的差异造成十字曲轴的短板

除了震动不同，十字曲轴与平面曲轴的点火方式也不一样。

上图是两种不同的活塞布局，左侧为平面曲轴，它的点火顺序是1、5、3、7、4、8、2、6；右侧的是十字曲轴，它的点火顺序是1、8、7、2、6、5、4、3。如果仔细观察，会发现十字曲轴的一个重大问题，就是无论怎么改变点火顺序，每排气缸总会两个以曲轴转动90度间的隔点火，这就导致严重的排气干涉。

简单的说，平面曲轴的排气方式是：左、右、左、右、左、右、左、右；而十字曲轴的排气则是：左、右、左、右、右、左、右、左。即便不说原理，看排气顺序也是平面曲轴更加顺眼一些。

严重的排气干涉是高性能所不能容忍的，所以像法拉利、莲花包括F1的V8引擎都采用平面曲轴的设计，而传统的美式V8绝大多数是十字曲轴。排气干涉也给十字曲轴V8带来了独特的声浪，这也是法拉利和科尔维特听起来有那么大差异的原因。

当然也不能说欧洲V8都是平面曲轴、美式V8都是十字曲轴。比如宝马的高性能引擎S65B40（曾搭载于E90 M3）就是十字曲轴，为了解决排气干涉的问题，宝马也费了很大功夫来设计排气管路。而福特最新Mustang Shelby GT350则采用了平面曲轴的设计，有意思的是福特的工程师为了照顾美国消费者的耳朵，故意营造出十字曲轴特有的排气声浪。

至此可以总结一下十字曲轴和平面曲轴的优劣。十字曲轴：更加平顺、但存在排气干涉、响应速度慢、重量大的问题；平面曲轴：转速响应快、更适合高转、性能优异是它的优势，但震动是短板。