工程师说 | 同样都是大排量发动机 V10怎么就落寞了？

尽管大排量发动机在小排量和新能源的大潮之下，发展空间越来越小，但就运动型车市场而言，大排量依然有着无可取代的魅力。只是仔细观察就会发现，同样是大排量发动机，V8和V12还有着不小的份额，而V10发动机却日益少见。

文 | Sleepy Lin

其实就三个字：平衡性。

V10这种发动机不可能平民，从油耗、经济性、性价比上来讨论都不合适，那个级别的车都在乎动力理想不理想，有谁在乎几毛钱汽油。

至于V8动力直追V10，是因为我们选择了V8，假如V10也得到V8一样的关注度，它的动力性不会比V8差劲。

发动机是通过连杆，将活塞的往复运动转化为曲轴的旋转运动的。

车用发动机四个冲程里，只有一个做功行程，其他三个冲程都是由这个冲程的功带过去的。

因此曲轴并不是每个时刻都受到相同的力，以此引发各种问题。

平衡性，需要考虑三个力和三个力矩：旋转惯性力、一阶往复惯性力、二阶往复惯性力以及旋转惯性力矩、一阶往复惯性力矩、二阶往复惯性力矩。

先看看气体燃烧给活塞的力的作用，如下图。

缸内燃烧爆发时，冲击活塞表面，给了一个力F，连杆将活塞的往复运动转化为曲轴的旋转运动的过程里，受到F的F1分力，另一个分力Fc则成为对气缸壁的压力。

连杆给曲轴的力作用在B点，大小就是F1，这个力又可以分为两个分力，其中分力Ft与曲柄运动的圆相切，是驱动曲轴旋转的作用力，它与曲柄销处的作用力F' t形成一对力矩，使曲轴旋转；而法向力Fn则使曲轴受压。

曲柄销处的反作用力F''t与形成'的合力，这个合力在垂直向的分力F'会由车身承受，而水平方向的分力F'c则与Fc形成力矩，这个力矩使发动机有倾倒的趋势。

其次看看活塞的往复惯性力。

活塞在缸内做往复运动的时候，在上止点、下止点的位置时，速度是0，但加速度最大，在从上往下或者从下往上时，加速度慢慢减小，速度慢慢增加，其中有个临界点速度达到最大，加速度变成0，过了临界点以后开始受反向加速度，速度减至0。类似单摆，是一种简谐运动。

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，运动是和连杆有直接联系的，其自身的质量也会形成旋转惯性力。

下图可以看出气体作用力与往复惯性力的关系。fg是作用在活塞上单位面积的气体作用力，只有在做功冲程爆发；

fj是活塞的往复惯性力，一个工作循环内，往复两次，就从一个方向的最大值，到0，到反向的最大值，不停循环；

两者形成合力f，由于气体作用力在非做功冲程都很小，所以合力的趋势与往复惯性力差不多，只有在做功冲程会体现出不同。

那么什么是一阶惯性力和二阶惯性力？

往复惯性力可以写为：

其中一阶惯性力为：

二阶惯性力为：

先说说气缸的数量问题。

从上面可以看到发动机在工作过程中是处在一个不太稳定的过程的，它会发生振动，受力不平衡、做功爆发的越厉害，振动也就越严重。

气缸的转矩是随曲轴转角变化的，如下图所示。

当发动机有多个气缸的时候，它的总转矩也就等于各个气缸的转矩的叠加，

我们需要把各缸的转矩曲线互相错开一个相位，也就是发火间隔，这样形成的总转矩才会使发动机更平稳。

比如四缸机最常见，因为刚好每一个气缸结束做功行程时立刻就又有另一个气缸开始做功。

气缸数越多，我们就可以把每个缸之间的点火间隔变得更小，越细分平顺性就越好，也就是越不容易感受到气缸做功与不做功中间的区别，但发火间隔不一定是720/气缸数（一个工作循环曲轴旋转720度），这是外话。

知道了发火间隔，那发火顺序呢？

四缸机一般的点火顺序是1342，如此以14为一组，23为一组，曲轴旋转过程中成对的活塞尽管所处冲程不同，但运动位置相同，运动方向也一致，两对活塞运动方向相反。

第一缸在做功冲击曲轴的时候，第四缸活塞也向下走，可以起到一定的平衡作用。

如若不是，则以发动机中心为支点，曲轴前后受力不均，会发生前后摇摆振动，这个效果可以理解为“一阶惯性力”的作用。

同时各个气缸里活塞处于不同冲程，受到气体压力不同，但是都受到曲轴旋转的约束，在这个约束的作用下每对活塞的往复惯性力是相同的，运动速度也相同。

可是一对活塞向下运动时，另一对活塞是向上的，而活塞的加速度与速度在一个冲程内的上半行程、下半行程时并不对称。

如下面两张图，分别是某1.6L汽油机在3000rpm，2bar时的活塞运动速度、加速度。

可以看到，四个缸形成两组，每组的加速度、速度是重合的，但上半行程的加速度更大，速度也更大。

也就是说，其中一对活塞从上止点往下走到1/2处时，另一对活塞往上走还没走到1/2，但之后两者运动关系反过来。

所以同一个时刻，两组活塞的位置并非上下对称，加速度也不同，这种因为向上向下运动差异造成的振动，就是二阶惯性力的效果。

总之，一阶惯性力的关键是“做功行程”，二阶惯性力的关键是“行程前半程与后半程的运动差异”，由于一个工作循环做功只有一次，但活塞往复两次，所以二阶惯性力的频率是一阶的两倍（如前面式子所示），当然这个力比起一阶不大，但频率更高也会造成明显的振动。

前面所提到的惯性力是必须通过总体的布置，或者增加平衡块、平衡轴的方式来平衡才能避免发动机发生振动的。

接下来就容易说了。

对于单缸机（实用效果较小，一般作用于先导性研究），一阶、二阶惯性力都没法抵消，所以单缸机要配四根平衡轴才能达到平衡。

二缸机平衡性同样很差，两缸只能轮流点火，点火间隔为360度才能工作平稳，而间隔360度时，两活塞同上同下，振动得到强化。 

三缸机的三个气缸，间隔不是180度的整倍，三个活塞的往复运动不存在对称性，所以以中间的气缸为轴心，两边的气缸轮流做功冲击曲轴，会让曲轴发生前后摆动的翘曲，也需要平衡轴。

四缸机的一阶是平衡的，二阶并不平衡，所以需要看，普通小型的机器是不需要平衡轴的，因为二阶不够显著，动力性好一些的机器二阶明显时就需要上平衡轴。

五缸机和三缸类同，曲轴前后两端受力不均会发生摆动翘曲。

直列六缸机呢，相当于两组三缸机连接在一起，可以完美的相互抵消受力情况，平衡性非常好。

之所以提到以上，是因为V6、V8、V10、V12可以看做是两个三缸、两个四缸、两个五缸、两个六缸的对侧排布，当然实际上没那么简单。

V型的发动机气缸两边排布，理论上讲两边同时有一个气缸点火，是有可能达到平衡的效果，但两个气缸在做功…那个力发动机受不了的，最后还是只能一缸一缸来。

所以对于V6来说，两侧各可以看做是一个三缸机，而且这两个三缸机轮流做功，曲轴受力不均问题是仍然存在的。

而V8和V12可以在一阶和二阶惯性力上平衡，其中V12更完美。

V10则与V6类似，五缸机是存在曲轴前后摆动翘曲的问题的，在大马力的冲击下，受力情况更为恶劣，要平衡不是问题，但平衡轴、平衡块的布置只会让本身已经相当复杂的十气缸结构变得更加复杂。

所以对V10来说，前有平衡性好结构简单的多的V8。

后又有平衡性也好动力更强劲的V12，何必呢？