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浅谈四冲程发动机的种类和特点
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众所周知,发动机摩托车的心脏。当您讨论一辆摩托车的性能时,话题一定会讨论到发动机。这是因为人们在驾乘摩托车的过程中,始终以肉体直接感受到发动机运动时的振动、热力和排气声音。发动机作为摩托车重量最重的组件,它的重量和重心都会直接影响驾乘者的操控乐趣。其实,直接影响驾乘者操控乐趣的关键是发动机的布局,各式各样的气缸布局使无数车迷为之倾倒,这是汽车所望尘莫及的。当然,这里还存在一个敏感的成本造价问题。本文拟就四冲程发动机气缸的排列方式和优缺点,以及大家普遍关心的一些热门话题展开讨论。

一、单气缸

单气缸是所有发动机的基本起点,也是发明摩托车发动机时采用的排列方式。不同型式的发动机都是由不同数量的单缸布置而成。由于曲轴需要旋转两周才会燃烧做功一次,因此工作的流畅感不佳,驾驶者会很清楚地感受到气缸内的活塞上下运动的振动。从表面上看,在性能上是缺点,但在主观情感上有的车迷却偏爱这种感受。

优点:价格便宜、造型简单、风阻和外形尺寸小。由于曲柄轴长度较短和发动机宽度窄,气缸低,有利于发动机倾斜转向,为驾乘者提供轻快的乘骑感受。此外,单缸发动机还比多缸发动机较省油。

缺点:燃烧效率会随着燃烧室容积的增大而不断下降。加上排气量越大,发动机活塞越大,其重量也随之增加,造成转速不能设计过高,限制了大功率的输出。单缸发动机常见于小排量(一般不大于125ml)摩托车或以轻巧为上的各种车款。

二、并列(平行)双缸

简单来说,并列双缸发动机可以想象为把两个单气缸发动机连接在一个180º的曲轴上。当一个活塞在上止点时,另一个活塞则在下止点位置(少数发动机如本田CD250除外)。由于两气缸活塞上下运动惯性差不多,可以互相抵消,因此运动零件引起的震荡较单缸少。

优点:在同一排量条件下,燃烧速率较单气缸发动机为好,发动机部件的重量和体积均细小,有利于作较高转速的功率发挥,化油器和进气管的布局也较简单。

缺点:由于气缸数的增加,相应的曲轴、气缸、活塞、活塞环、活塞销等零件数量就会增加。此外,像化油器、气缸盖、曲轴、进排气系统等专用零件的结构要比单缸机更加复杂,这无疑使得双缸机的制造成本会大大高于单缸机,而且由于零件数量的增加,会导致发动机的故障点增多,再加上增加了调整双缸机的平衡,因此使用维护也更复杂。

三、V型双缸

气缸呈V型布置的发动机,可以从简单的V2发动机说起。不同的气缸V型夹角,可使发动机产生很大的变化。夹角越小,工作越不流畅,这也是美式巡航车营造强烈节奏感的源头。

优点:使对向布置的连杆都装在同一个曲柄销上,减少了曲轴的长度,有利于减小发动机体积并使之轻量化,营造轻巧的转向特性。V2发动机的工作顺畅程度一般以90º夹角最为流畅,所以高性能的V型发动机跑车多以90º夹角布置。因为在V型夹角的开阔空间里可以放置化油器等附件,利用V型气缸不同轴向运转动作来相互抵消因活塞上下运动而产生的振动,这对于转速在10000r/min以上的发动机,此方案特佳。

缺点:制造较为昂贵、结构比较复杂。虽然化油器或电子燃油喷射系统可以放在V2的夹角中,但后排气缸的排气、排气系统的布置和散热效果都是V型发动机常见的问题。如果把V型夹角做成70º~75º时,和90º夹角相反,发动机便发出“哒、哒、哒”有规律的振动声,这种振动能一直传递到骑手的身体。美国名车哈利V型双缸摩托车就是这样,当夹角只有42º时,排气声更使人感到像马蹄声一样,这就是哈利迷们如痴如醉的哈利声浪。

四、水平对置双气缸

水平对置的双气缸发动机夹角为180º,两个活塞连杆分别装在两个相位角差180º的曲柄销上,形成一个绝佳的活塞惯性抵消作用。由于两个活塞犹如拳击手搏击般运动,因此,人们都习惯称这种发动机为Boxer(意译为拳师)发动机,也称拳击手。

优点:发动机的重心低,在弯道中的操控稳定性十分优良。由于两个气缸横向延伸,风冷效果显著,维修也较方便。水平对置双缸机因其活塞顶正面相对,像两个拳击运动员对打一样,活塞和曲轴的惯性力能被对向布置的两个气缸抵消而过到平衡。从力学上,惯性力的一阶振动和二阶振动都能完全平衡。而且两个气缸的点火间隔相等,以上两点都有助于提高发动机的平稳性,因此,从平衡角度来看,这是一种很好的结构型式。

缺点:因这种发动机采用顶置式气门,所以不能用于高速发动机(如果凸轮轴上置便可用于高速机,但左右各需要一个传动链)。发动机横向体积巨大,如果不幸发生事故,发动机容易受到结构性伤害,尤其是转弯时,若车身过分倾斜,气缸盖容易擦地损坏机件。

对Boxer发动机最为津津乐道的是宝马摩托车,除了各代F650和C-1系列之外,几乎所有宝马摩托车仍然使用这种发动机。倘若您骑在宝马车上,会发现左右两气缸中心线并不在一条线上,而是前后错开一定的距离,气缸下的左右踏板也是前后错开的。我国早期生产的长江CJ750跨斗式摩托车就是采用这种水平对置双缸机。总而言之,装用水平对置双缸发动机的摩托车,是在高速路上做长途旅行最适宜的车型。

五、并列3气缸

可以想象,为把3个单气缸发动机连接在一个120º的曲轴上,它需要糅合单缸和多缸发动机的优点,在重量和运动性能方面提供一个中间的落脚点。

优点:以并列3气缸为例,制造成本比V3发动机便宜,随着电脑加工中心CNC技术的发展,制造标准的120º曲轴已经非常容易。并列3气缸发动机的性能比并列双气缸要好,但重量却比直列4缸或V4发动机轻许多,成本也低不少。再有,曲柄旋转的惯性效应较4缸发动机低,能为大排量摩托车提供较为轻快的驾乘感受。缺点:发动机的工作流畅仍不及4缸以上的发动机,曲轴相位的准确度也需要技术调校。目前仍沿用3缸发动机的摩托车主要以英国凯旋Triumph为主流,并为其树立了独特风格的卖点。

六、并列4气缸

顾名思义,4气缸发动机可以说是把4个单气缸发动机并列在一起。第一和第四活塞平衡了第二和第三活塞的运动惯性,这是250ml以上的街车或跑车最乐意采用的标准布局。

优点:发动机工作流畅,振动小,排气声浑厚连绵。加上发动机部件轻巧,燃烧速率高,有利于高转速发动机的功率发挥,供油系统和排气系统的布置也十分方便。况且各气缸都能够接触自然风散热,不仅可布置水冷系统,采用风冷散热也可。

缺点:发动机体积庞大、沉重,结构较为紧密,造价昂贵。曲轴旋转的惯性效应较高,不利于发动机倾斜转向,同时,燃油消耗也较高。

采用并列4气缸发动机的摩托车以高性能的街车(CR /KJR /ZRX /GSX)和跑车(CBR /YZF-R /ZX-R /GSX-R)为主,以及强调极速的ZX-12R、CBR1100和GSX-1300R,都采用并列4气缸的设计。

七、V4气缸

V4发动机,简单来说是把两台V2发动机结合在一起而得来的。当然,这种结构在进气系统和排气系统的布置上将更为复杂。

优点:如果将V4气缸发动机与并列4气缸作比较,则V4对向布置的两个气缸的连杆可以使用同一个曲柄销,缩短了曲轴长度,大大节省了空间和发动机的重量,轴距也可以设计较短,即使大排量的发动机,其宽度也比直列4气缸发动机窄,这样,容许车身有更深的倾斜度。采用V4发动机的车种通常都是高性能的跑车或重型巡航车。

缺点:发动机的结构紧密复杂,不利于维修保养作业,且价格较为昂贵,不是一般工薪阶层易拥有的“宝驹”。

八、水平对向6气缸

水平对向6气缸发动机可以想象是三台Boxer发动机前、中、后排在一起再塞入车架中。在摩托车的世界里属于极为罕见的品种。这是因为发动机宠大的体积和沉重的重量,非一般摩托车能把它容纳。近代仍然采用水平对向6气缸发动机的摩托车,是广为人知的本田金翼1800,它装有全球定位巡航系统等世界最尖端技术的仪器,是所有车迷朝思暮想的超级豪华摩托车。

优点:发动机运行极为平滑顺畅,全区域的功率扭矩输出都非常出色,很少有其它类型的发动机可以与它抗衡。

缺点:发动机的体积、重量和宽度都十分地惊人。结构之复杂造价之昂贵,是其它类型的摩托车发动机所望尘莫及的。

以上介绍了这么多类型的摩托车发动机,其中单列气缸和并列双缸发动机在我国摩托车市场上最多。有人不禁要问,在发动机排量相同的情况下,究竟是单缸机好?还是双缸机好?要回答这个问题,我们需要将单缸机与双缸机的特点进行对比,通过比较才能明白这个问题。

单缸四冲程发动机,曲轴每转两圈才燃烧做功一次,因此,能明显地感到发动机的工作是断续的,排气声音的断续性更强。由于上述特点,单缸摩托车给人一种冲劲和节奏感。而从工作圆滑角度来看,单缸机肯定不如双缸机好,特别是在低转速时,单缸发动机工作不平稳,转速波动大,而且一旦失火,二次燃烧时间间隔较长,很容易使发动机熄火停机。在相同排量条件下,和双缸相比,单缸发动机的运动件惯性力不能互相抵消,因此,单缸机的振动大,特别是高转速时,这个问题表现得尤为突出。此外,在相同排量的条件下,单缸机缸径较大,燃烧室尺寸大,因此混合气的燃烧相对较差。当然各运动件的尺寸也较大,譬如活塞、连杆等。这些因素不利于发动机提高转速,也不利于提高功率。上述这种倾向会随着发动机的排量增加而明显。所以单缸机排量越大,升功率越小,但是单缸机的脉动感却越强。

在摩托车上,发动机是最重要的装置,由于单缸机重量轻,结构尺寸小,它的宽度比双缸机窄,因此单缸机对整车布置十分有利,便于实现整车造型的苗条化。同时,由于单缸机有利于减轻整车的重量,也提高了方向把的灵活性。这是由于单缸机曲轴短而轻,尤其是横置发动机,曲轴旋转的陀螺效应阻碍摩托车侧倾转弯,而且曲轴越重转速越高,陀螺效应也越大。在这一点上,单缸机比较好,陀螺效应低,因此,车辆左右侧倾十分轻便,再加上单缸机尺寸短,不会妨碍摩托车的侧倾。此外,单缸机尺寸小,风阻也较小。单缸机的另一个特点是,在同一排量条件下,构成单缸机的零部件数量也较少,且不需要进行左右气缸的平衡调整,故障点少。同时,较小的结构又决定了单缸机具有制造和装配工艺简单、技术难度小等特点,因而单缸机制造成本低,使用维护简便,具有很好的经济性。

而双缸机的结构相比之下就要复杂多了,由于气缸数的增加,相应的曲轴、活塞、活塞环、活塞销等零件数量就会增加。此外,像化油器、气缸盖、曲轴、进排气系统等专用零件的结构就比单缸机更加复杂,这无疑使得双缸机的制造成本会大大高于单缸机,而且由于零件数量的增加,会导致发动机的故障点增多,再加上还需要增加调整双缸机的平衡因此使用维护也更加复杂。事物都是一分为二的,双缸机也有单缸机不可比拟的优势:双缸机的活塞、气缸直径小,曲轴、飞轮的质量也相应要轻,活塞的行程短,因此即便是在活塞保持相同线性速度的情况下,双缸机可以通过提高转速来增加发动机的最大功率。

单缸机在实际使用较多的中低速范围内,其扭矩较大、加速爬坡性能确实优于双缸机,但在噪声振动方面,由于双缸机往复运动及回转运动零件的质量小,其惯性力相对较小,且发动机的爆发次数是单缸机的数倍,因此,发动机扭矩变动幅度小,振动比单缸机小许多,排气噪声也明显低于单缸机,在平坦道路上车速快于单缸机,整车显得平稳顺畅。但是,单缸机可以采用特别设计的平衡轴或平衡块来减少振动,达到与双缸机的同等效果。从这个意义上说,不能片面地讲是单缸机好,还是双缸机好。 (end)
文章内容仅供参考 (投稿) (12/15/2007)
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