浅谈四冲程发动机的种类和特点

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欢迎访问e展厅 展厅 1 发动机展厅 汽油发动机, 柴油机, 船用柴油机, 天然气发动机, 气缸及部件, ... 众所周知，发动机是摩托车的心脏。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)