发动机布局详解：直列式、V型与水平对置发动机

20世纪初，汽车工程技术突飞猛进，彼时一台10升排量的发动机，可能是单缸机，也可能是直列八缸机。那个年代，没人会对23升直列六缸机或将七缸星形航空发动机移植进汽车感到大惊小怪。

随着大规模量产的推进和成本压力的加剧，一切逐渐走向规范化。单缸发动机成为历史遗迹。如今，普通乘用车发动机的单缸排量通常在300至600毫升之间，升功率从自然吸气柴油机的约35马力/升到高性能汽油机的100马力/升不等。这是大众化量产的最优区间——偏离这一范围在经济上便得不偿失。

那么，现代发动机的格局究竟是怎样的？大体而言：

• 100马力的发动机通常采用四缸布局
• 200马力的发动机一般为四缸、五缸或六缸
• 300马力的发动机多为八缸配置

那么，这些气缸究竟可以如何排列？工程师在设计多缸发动机时有哪些布局选择？让我们逐一梳理。

直列发动机：结构简单，但日趋局限

每位发动机设计师最先考虑的问题，是如何简化设计——降低生产成本，便于日常维护。在这方面，直列式发动机无疑独占鳌头。气缸排成一列，增加排量只需增加缸数，简单直接。

直列发动机的各种形式在实际中的应用情况如下：

• 两缸和三缸发动机在乘用车中相对少见，但得益于先进的燃油喷射技术和涡轮增压，两缸机正在迎来复兴——菲亚特500搭载的85马力涡轮增压两缸机便是典型案例。
• 直列四缸是乘用车领域的绝对主力，覆盖1.0至2.4升的排量范围。
• 直列五缸发动机是较为晚近的产物。梅赛德斯-奔驰于1974年率先推出了五缸柴油机（搭载于W123平台的300D车型），两年后奥迪推出了两升五缸汽油机，随后沃尔沃和菲亚特也于1980年代末相继跟进。
• 直列六缸发动机以运转平顺著称，长期是欧洲车企的心头好，但如今已日趋稀少。其更长的兄弟——直列八缸——则早在1930年代便基本退出了历史舞台。

这一趋势背后的原因不难理解：缸数越多，发动机越长——由此带来严峻的布置难题。例如，将直列六缸横置于前驱发动机舱内，历史上成功实现这一壮举的案例寥寥无几：奥斯汀Maxi 2200（变速箱不得不塞入发动机下方）以及沃尔沃S80（配备了一款极为紧凑的变速箱）。

V型与水平对置发动机：结构紧凑，但工艺复杂

那么，如何缩短直列发动机的长度？一个优雅的解决方案应运而生：将发动机从中间一分为二，两半并排放置，共用一根曲轴驱动。这便是V型发动机的核心理念。

最常见的V型发动机夹角为60°或90°。若将夹角一路推到180°——气缸完全朝向两侧——便形成了水平对置发动机，也称拳击手式发动机（由此衍生出B2、B4、B6等命名）。

与直列发动机相比，V型和水平对置发动机的代价相当明显：

• 两个气缸盖——各自配备独立的垫片和歧管
• 更多的凸轮轴以及更为复杂的气门驱动机构
• 更大的宽度（水平对置发动机尤为突出），限制了安装位置的选择
• 更高的制造成本以及更复杂的维修保养

由于上述缺点，水平对置发动机目前仅被少数厂商采用——保时捷和斯巴鲁是其中最具代表性的品牌。

若想通过将夹角压缩到60°以下来进一步提升V型发动机的紧凑性，这并非没有先例——1970年代的兰西亚Fulvia便搭载了一台夹角仅23°的V4发动机。然而，夹角越小，发动机的平衡难度越大。这引出了发动机设计中最关键的挑战之一。

发动机振动：力、力矩与平衡之道

没有任何活塞式内燃机能够完全消除振动——这是其固有特性。然而，有效管理振动至关重要，不仅关乎乘坐舒适性，更关乎安全：严重的不平衡振动可能从物理上损坏发动机零部件，而高速运转中零件飞脱的后果不堪设想。

发动机振动从何而来？主要有三大来源：

• 不均匀的点火间隔——在某些发动机布局中，各缸的做功冲程并非以完全均等的间隔触发，由此产生扭矩脉动。加重飞轮有助于平抑这种波动。
• 活塞惯性力——活塞在行至上止点时加速向上、随后减速（下止点时反之），由此产生的惯性力与汽车制动或加速时的感受类似。
• 连杆几何形状——连杆的运动轨迹并非直线，活塞的运动也并非完美的正弦曲线，因此会在曲轴转速的整数倍频率处引入额外的力分量。

这些高阶惯性力通常可以忽略不计——除了二阶力，它以曲轴转速两倍的频率作用，必须纳入设计考量。当相邻气缸的惯性力方向相反且彼此之间存在固定距离时，还会产生力偶矩，进一步增加了设计的复杂性。

工程师应对这些力的手段主要有两种：

• 选择本身就具有良好平衡性的布局——通过合理排列气缸和曲轴拐角，使各力和力矩自然抵消。
• 加装平衡轴——附加带有配重的轴，以与曲轴相反的方向旋转，产生等大反向的力，从而抵消问题振动模式。这会增加成本和机械复杂性，但能彻底消除特定振动。

在所有常见发动机布局中，理论上完全平衡的只有两种：直列六缸和水平对置六缸。这正是宝马和保时捷对这两种布局如此执着的根本原因——也是其他厂商尽管面临布置困难，仍不愿轻易放弃它们的缘由。

各布局发动机的平衡性：实用指南

下面我们来看看各种主要发动机布局在实际使用中的振动与平衡表现。

两缸直列发动机（曲柄同向）的平衡特性与单缸机类似——两个活塞同步升降。俄罗斯的奥卡（Oka）轿车采用了两根反转平衡轴来应对一阶惯性力，但二阶力则未作处理。在这样一款小型经济型车上再加装两根平衡轴完全不现实。许多两缸发动机——如1957年最初款菲亚特500以及印度塔塔Nano——干脆取消了平衡轴，依靠柔性发动机悬置来吸收振动。这种方案成本低、结构简单，对经济型车而言完全可以接受。

曲柄呈180°布置的两缸发动机（活塞反相运动）一次平衡性更佳，但只有在二冲程形式下才能实现均匀点火间隔——二战前的德国DKW及其后继车型、东德的特拉班特（Trabant）便采用了这种方案。

V型双缸发动机如今几乎只存在于摩托车领域——哈雷-戴维森及其日本模仿者是最典型的例子。苏联的NAMI-1是极少数采用这种布局的汽车之一。曲轴上的配重可以使其接近完全平衡，但均匀点火间隔仍无法实现。

三缸发动机的平衡性比直列四缸更差。斯巴鲁和大发等厂商将平衡轴列为标准配置；而欧宝在第二代科尔萨所用的Ecotec三缸机上省略了平衡轴以控制成本，结果该车在1996年上市后被德国汽车媒体冠以”在城市路况变化行驶时根本无法忍受”的恶评。

直列四缸发动机——全球最普及的发动机布局——存在自由的二阶惯性力，只能通过以两倍曲轴转速运转的平衡轴来消除。为抵消由此产生的力矩，还需要第二根反转轴。成本不菲——但在追求精致性的场合，三菱、萨博、福特、菲亚特以及大众集团旗下多个品牌均采用过这一方案。

水平对置四缸发动机比直列四缸略有改善——残余的仅是二阶力偶矩，其作用是使发动机绕垂直轴产生偏摆。即便如此，风冷甲壳虫的发动机和斯巴鲁的拳击手式发动机数十年来都未采用平衡轴。

直列五缸发动机的一次惯性力已得到补偿，但机体内始终存在一个周期性传递的弯曲力矩——这要求缸体具有极高的刚性。梅赛德斯-奔驰、奥迪和沃尔沃通过精心设计的发动机悬置和配重加以解决（如奥迪TT RS搭载的2.5升TFSI增压发动机），而菲亚特的工程师则更进一步，为其配备了完整的平衡轴。

有一个有趣的细节值得一提：几乎所有五缸发动机都可以看作是在四缸发动机基础上加装一个气缸的产物。这种模块化思路允许共用活塞、连杆和配气机构零件——只需更换缸体、缸盖和曲轴（拐角间隔72°）即可。

V6发动机取代了直列六缸，但其平衡特性与三缸发动机相同——也就是说，并不理想。梅赛德斯-奔驰首款V6发动机（M112，每缸三气门）通过在两列气缸之间的谷地安装一根平衡轴来解决这一问题。标致-雪铁龙集团的三升六缸机则将平衡轴置于缸盖内。其他厂商则选择对曲轴销进行精确偏置——如奥迪V6所采用的方案——以在不增加复杂度的情况下将振动降至最低。夹角为90°的V6发动机还带来另一个难题：其固有的不均匀点火间隔，仅靠加重飞轮只能部分改善。

V8发动机采用90°夹角、曲轴拐角分布在两个相互垂直平面内的结构，平衡性非常优秀。均匀点火间隔可以实现，仅剩两个残余力偶矩——通过在曲轴端部轴颈处增加配重即可轻松解决。这在很大程度上解释了为何美国工程师对V8情有独钟：他们对振动几乎零容忍。

V4发动机本就罕见，如今在乘用车领域几近绝迹。欧洲福特V4（搭载于Taunus、Capri和萨博96）以及扎波罗热茨（Zaporozhets）那台颇具特色的V4，都需要借助平衡轴来应对一阶力偶矩。紧凑性和成本是选用这一布局的主要驱动力，平衡性则退居其次。

V10发动机与直列五缸具有相同的平衡特性。但这并未阻止F1发动机设计师、道奇Viper和道奇RAM的开发团队选用这一布局——当需要强大动力时，振动问题总有办法应对。

至于那些更为特殊的布局：水平对置八缸（如保时捷917赛车所用）本质上是两台水平对置四缸共享一根曲轴；而V12和水平对置十二缸发动机则可以分解为两台直列六缸——这正是它们运转极度平顺的根本原因。

VR6、VR5与W型发动机：大众集团的布置艺术

前文提到了兰西亚Fulvia所采用的小夹角V型发动机。数十年来，这种布局一直受到回避——相比60°或90°布局，它平衡性更差，而带来的布置优势似乎并不足以弥补这一缺陷。然而，随着优先级的转变，局面发生了改变。

两项技术进步改变了这一格局：

• 液压发动机悬置的普及大幅抑制了振动传递，使发动机的理论平衡性变得不那么关键。
• 发动机舱空间日益紧张，紧凑性成为稀缺价值。谁能想到一辆普通掀背车的引擎盖下会藏着一台2.8升六缸机？大众做到了。

大众VR6发动机——”VR”代表V-Reihen（V型直列）——将小夹角理念推向了比兰西亚更极致的境地，两列气缸之间仅有15°夹角。结果是如此紧凑，以至于它实际上相当于一台错列式直列发动机，而且令人惊叹的是，两列气缸共用同一个气缸盖。这台2.8升六缸机搭载于第三代大众高尔夫，占据的空间是常规V6无法实现的。

此后，大众的工程师们乘势将这一理念发扬光大：

• VR5是在VR6基础上去掉一个气缸的产物。
• W8将两台缩短版VR单元（各四缸）共享同一根曲轴，搭载于旗舰版帕萨特轿车。
• W12于1998年随W12 Roadster概念车首次亮相：两台VR6发动机以72°夹角对接，共用一根曲轴。
• W16——配备四个涡轮增压器——驱动布加迪威龙达到431公里/时的极速，是这一架构迄今为止最极致的量产应用。

为何这些布局以前从未出现？答案在于现代计算机辅助设计的支撑。在如此复杂的几何结构中，对夹角、曲轴销位置、点火顺序和平衡特性进行综合优化，在1990年代之前所能获得的计算能力面前，几乎是不可能完成的任务。仅一根W12曲轴，就是令机械师噩梦的零件——只有经过计算机验证每一处公差后，这种复杂性才有了存在的意义。

现实世界中真正重要的是什么

如果说以上内容有一个核心结论，那就是：在工程师选择发动机布局时，理论平衡性几乎从来不是决定性因素。真正的优先考量是：

• 布置空间——能否装入发动机舱？
• 重量与功率密度——对于特定用途，二者的最优比值是多少？
• 生产成本——能否在产品系列中共用零部件？
• 模块化程度——如今越来越多的厂商基于统一的活塞和缸径架构，构建涵盖从三缸经济机型到十二缸旗舰的完整发动机家族

梅赛德斯-奔驰当前的发动机产品线是模块化理念的教科书式范例：一套共通架构支撑起涵盖截然不同功率输出和缸数的整个产品矩阵。

说到振动，有一点值得铭记：理论平衡与实际平衡是两回事。即便是理论上完全平衡的直列六缸，如果曲轴总成未经充分平衡，或者各缸活塞与连杆的重量差异明显，同样会产生抖动。现实生产中的制造公差和零件在载荷下的形变，意味着没有任何发动机在实际运行中能达到理论方程所预示的那种平顺性。这正是发动机悬置设计——即动力总成与车身其余部分的隔振方式——与布局本身同等重要的原因所在。有时甚至更为关键。

本文为译文，原文请见：https://www.drive.ru/technic/4efb337800f11713001e54e1.html