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水平對臥進化論

水平對臥進化論
車主教室
更新: 2005-03-07 11:16:51 AM   標籤:tags: 汽車

水平對臥震動學?!

內燃機引擎是車輛的動力來源,這項基本理論相信再過五年也無法完全由電力馬達或替代動力科技來打破它。所以,我們可以這麼說:從有車輛,從有引擎開始,人類基本的汽車動力科技就一直沿用至今,甚至未來!這就是藉由壓縮空氣及燃料點火爆發而產生動力的內燃機理論。最早的內燃機是由比利時發明家諾瓦於1860年所製成,然而這具內燃機的混合氣並未經過壓縮就點燃爆發,因此產生的效率極低;而目前四行程內燃機引擎基本結構的底定是由1876年德國人鄂圖所發明,它是藉由活塞的上下運動及行程產生動力,至今,一直是世界上車輛動力的主流。

還有一種另類內燃機是由德國人汪格爾所發明的引擎,也就是大家都知道安裝在MAZDA RX-7上的那種轉子引擎,由於氣密及製造研發成本的不易突破,這種引擎目前很少出現,在此我們也不多加討論。單純就鄂圖引擎來作討論,它是將活塞上下的進氣、壓縮、爆發、排氣四行程經由曲軸將動力轉個90°成為旋轉輸出,而在每一個活塞的連續運動中,如果活塞正值爆發行程向下產生動力,對於整顆引擎勢必產生一個向下的作動勢,接著,動力行程結束後的排氣過程,活塞藉由曲軸飛輪的慣性飛甩向上,對於引擎整體又產生了一股向上的作動勢,如此這般再加上進氣及壓縮行程,您可想像引擎在作動時所產生的震動有多大!

因此這種引擎用在摩托車上或許能為人接受,要是用在講求舒適的汽車上,單缸引擎的震動及動力不足特性,都教人難以恭維!以此類推,多缸引擎的天下於是展開。以雙汽缸引擎來說,設計時得將曲軸加長以容下兩隻活塞搖臂運作;而在活塞的排列上,必須一顆活塞正好向下運動時,另一顆向上運動。如此180°的反向力才能平衡活塞上下運動的慣性力,減少引擎震動……真是這樣嗎?好吧!這樣說好了,理論上當一顆活塞運動到上頂點時,另一顆活塞就在下頂點,這時的作用力是呈上下相反互相抵消,然而在活塞上下頂點之間的過程呢?75°?135°?160°?170 °?這些角度下活塞的施力角是不平衡的,因而也造成了引擎除了上下以外的斜向震動!

好吧!雙缸引擎還是會震動,那就用三缸。算算看,用三個汽缸來分散曲軸旋轉一圈360°的力矩,平均一缸要分攤120°的施力,這種情形下如果你由曲軸正面看過去,三隻活塞搖臂拴點正好成一個BENZ廠徽的三星角,三者間還是有太多的無法平衡力存在,所以三缸引擎的車款平衡要理想,曲軸配重得設計精良,要不就加裝平衡輔助軸來穩定引擎整體的震動!

四缸呢?以此類推,每汽缸90°的施力角,力矩接合點已經較密,配以施工精細的曲軸平衡及配重,在不用平衡輔助軸的情況下,目前市面上許多直列四缸引擎都有著不錯的穩定性。看到這裡,或許您會想,那這樣引擎的缸數越多一定震動就越低啦?其實不是這樣的!看起來引擎的缸數越多所能平分的力矩角就越少是沒錯,然而您是否想過在所有活塞的運動中,單位時間裡有的活塞是呈施力狀態,有的則是在反施力作用(例如:進氣、壓縮、排氣);再者,引擎活塞間的排列一定是前後順序,而當我們都在看活塞彼此的運動力抵消,可別忽略了它們彼此間可還有一橫向作用力喔!而引擎缸數越多,也就代表著生產成本的提高,也是代表引擎體積的加大,怎麼看都不合汽車大量生產的理念啦!

所以,根據專業的測試顯示,真正平衡性最良好、引擎震動最低的是直列六缸和V型60°十二缸引擎;無論在施力矩及反力矩行程、一次及二次作用力都能達到最完美的施力平衡。穩定表現其次的引擎呢?您可別以為是什麼八缸、十缸引擎喔,因為水平對臥的四缸引擎穩定度都比它們高啦!以上是屬於過度專業的理論領域,您只要參考一下便可!

用機械一點的方式來談引擎的平衡性,如果以同樣的曲軸平衡條件來說,早期的汽修業調整化油器引擎時,三缸引擎可以調到怠速1000轉而不會開始震動漸趨熄火,四缸引擎就可以調到900轉而不震動,六缸引擎甚至調低到600~700rpm可都還不見得會開始震動哩!而水平對臥四缸引擎呢?大概700轉您也察覺不到它的震動喔!

講到這裡,相信您已了解水平對臥引擎的穩定優勢,正因為它的活塞設計是以橫向對向運動為主,實際最大的震動力都已在180°的施力中互相抵消,就算還有散向震動力,也不似平衡不良的直列四缸引擎那般會上下呈現,橫向的震動極易被橡皮引擎腳所吸收!震動量低,可謂是水平對臥引擎的第一項優勢。

水平對臥重心學?!在汽車所有組成零件中,引擎是重量最重,也最難配置的一項。直列式引擎因為活塞上下運動的先天特質,引擎整體是呈上下垂直的形態;而水平對臥引擎的設定是以橫向結構為主,因此您可以把引擎想做是一個長方體,直列引擎是直的擺在引擎室內,水平對臥引擎是橫的擺,因此如果設定得宜,把這個「長方體」擺在越低的位置,間接不就等於降低了車體的重心嗎?

還有前面提過,水平對臥引擎因為活塞運動角的設計先天優勢而平衡良好,因此相較於直列式引擎,它在曲軸上所需的反向配重也很少,間接就減輕了曲軸重量,這對於減少引擎整體重量,甚至對於轉速提升反應都有相當助益喔!可以降低引擎重量及車身重心,則是水平對臥引擎的第二項優點。

水平對臥引擎的缺點前面提過種種水平對臥引擎的優點,難道它沒有缺點嗎?有的!首先,就以四缸引擎配置來說,直列式引擎四缸直線排列,因此車廠在製造引擎時基本上只要一個汽缸本體、氣門上座、凸輪軸、汽門外蓋便能組成一個引擎構型;然而水平對臥引擎的設計硬是將這些部件都拆成了左右兩邊,一邊兩缸,因此就需要兩個雙缸的汽缸本體、氣門上座、凸輪軸及氣門外蓋,偏偏又因為引擎腳及周邊配件的安裝孔位不同,這些東西都是無法開單模成對生產,非得花更多開模成本來製造兩邊不同的引擎組件才行。所以,水平對臥引擎的第一項缺點就是生產成本較高!

其次,不知道您有沒有騎過YAMAHA的150c.c. 迎光摩托車,想當初它也是標榜橫置引擎震動較少,然而之後一連串的引擎故障問題在在使得它的風評每況愈下。其一是因為汽缸頭的散熱不良問題,而另一項主要的問題便是因為進氣門的橫置角度設計不佳,造成油氣在此迴流累積,間接使得氣門積碳情形嚴重後無法氣密而失去汽缸壓縮功能。

所以,水平對臥引擎的汽缸也有著如此的特性,它已經改變了鄂圖引擎基本的上方進排氣理念,因此無論是在進排氣角度、氣門構型、流體慣量、地心引力……都必須有一番全新的設計考量,才能確保引擎的正常耐久運作。所以,設計困難度較高就是水平對臥引擎的第二項缺點!

水平對臥引擎的蹤跡目前在世界上,生產水平對臥引擎執牛耳地位的車廠,不消說就是日本的富士重工SUBARU了!旗下許多車款,諸如Impreza、Legacy、 Forest……都是採用水平對臥引擎設定,並且成熟度早已達到滿分的境界。除了SUBARU車系外,目前市面上最著名使用水平對臥引擎的車廠就是PORSCHE了,旗下車款無論是早期的氣冷引擎,還是新款的水冷引擎;最小的Boxster 2700c.c.,抑或性能之王996 Turbo 3600c.c.都是水平對臥引擎。而且,PORSCHE的水平對臥引擎是六缸設定,整體的平穩度及性能指數又較四缸水平對臥引擎為高!

其它一些路上還能看到搭載水平對臥引擎的車款,包括最早的老金龜車、VW T3廂型車、以及ALFA 145/146上早期的1700c.c.水平對臥引擎……。這次,為了詳細介紹及凸顯水平對臥引擎的發展沿革,我們特別找來了1955年出廠的老金龜車,以及最新科技的代表作-SUBARU Legacy & Impreza GT。

──轉載自《汽車日報網站》(http://www.autonet.com.tw)
(http://www.dajiyuan.com)

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