坚守阵地! 解析两种"非主流"发动机技术

    [XCAR 资讯 原创]

    前言：说到汽车的发动机，我们比较熟悉的有直列式发动机，如L4即直列4缸；V型发动机，如V6、V8；还有像大众旗下的W型发动机，如W8和W12。而还有一些并不是十分普及的发动机技术，像水平对置发动机和三角活塞旋转式发动机（转子发动机），它们在汽车领域的应用仍属小众派，我们不妨称它们为“非主流”发动机。气缸的排列形式决定了发动机外型尺寸和结构特点，对发动机机体的刚度和强度也有影响，并关系到汽车的总体布置。下面我们就来解析一下这两种非主流发动机技术。

坚守阵地!  解析两种"非主流"发动机技术

    水平对置发动机工作原理及优缺点

    水平对置发动机通常也被称为B型发动机，如B6、B4，分别代表水平对置6缸和4缸发动机。B是英文单词“Boxer”（拳击手）的第一个字母。由于水平对置发动机的气缸呈水平相对的方式排列，活塞在水平方向上进行往复运动，就像是拳击手在出拳搏击一样，B型发动机也因此而得名。所以水平对置发动机通常也被称为BOXER。

水平对置发动机通常也被称为BOXER

    如果我们将水平对置发动机的构造理解为是把V型发动机两排气缸的夹角加大到180度而形成的，那么就很好理解水平对置发动机的几大特点了。水平对置发动机的本质依然为往复活塞式内燃机，依然采用了曲柄连杆机构作为运动系统，依然有进气、压缩、做功、排气四个冲程，这就决定了水平对置发动依然会有普通发动机的一些优缺点，但也正因为它独特的气缸排列形式又有它自己独有的优缺点。

水平对置发动机结构图

 
可以把水平对置发动机的构造理解为V型发动机夹角加大到180度（动态演示）

    水平对置发动机的一个显著优点就是重心低，如果我们对比水平对置和V型发动机，就可以很好理解水平对置发动机重心低的这个优点了。如果再将所有的运动部件看作质点的话，那么他们都在一个水平面上，自然重心也就在该水平面上了。重心低这个优点直接增加了车辆行驶稳定性，高速过弯时车辆的侧倾更小，减小了侧翻的可能。

 水平对置发动机结构图（对比直列式与V型发动机）

    水平对置发动机将气缸放在一条直线上当然高度自然就会降低，这与前面所说的造成重心低那个优点的原因有些类似，而发动机整体高度较小就便于在有限的发动机舱中增加涡轮增压器的装置。保时捷一直钟情于水平对置式发动机有很大一部分原因是源于它的这个优点，因为保时捷911车型都采用了“溜背”式的外形设计和后置后驱的驱动方式，这就需要高度较小的发动机来提供动力。

水平对置发动机实拍图

    低振动是水平对置发动机的另外一大优点，活塞运动的平衡良好（180度左右抵消），相比直列式，在曲轴方面所需的平衡配重因素减少，有助转速提升。它能保持650转的低转速，并保证发动机平稳的工作。

水平对置发动机近景实拍

    既然水平对置发动机拥有以上诸多优点，那为什么目前在全球市场，一直采用水平对置发动机的只有保时捷和斯巴鲁两个厂商？必然是它存在一定的缺点。首先是，润滑系统不太理想，技术要求很高；其次是冷却系统也要求很严格；最重要的是它的制造成本要比V型发动机还高，之前我们介绍的一大优点——振动小是种理想状态，要在实际工作中达到这种理想状态，对发动机制造工艺和零部件装配精度的要求较高，因此制造成本相比常见的直列或V型发动机高出不少，而且维修保养难度较大。

1. 水平对置发动机工作原理及优缺点

    保时捷水平对置发动机技术

    保时捷的水平对置引擎最早是从6缸2.0L风冷开始的。911从诞生的头一天开始就是高性能跑车，因此保时捷引擎上面使用了昂贵的尖端技术。911是后纵置引擎后轮/四轮驱动布局风冷设计，引擎仓可用空间不多，保时捷设计之初只预留2.7L的空间认为2.7L是一个极限。

保时捷水平对置发动机

保时捷水平对置发动机

    进入70年代不断增长的马力需求，催化转换器/无铅汽油引入以及新废气排放条例的实施让保时捷急需增大引擎容积。要扩大容积有两个选择：一个拉长冲程（增加长度），一个增大口径（增加宽度）。

保时捷911系列车型（09款Carrea敞篷）

 
水平对置发动机是保时捷的经典技术

    虽然在911 Turbo上保时捷可以大幅增加车尾的宽度来增大引擎仓空间，但这样会大大增加空气阻力而且成本也非常高，在普通的911行不通。凭借在赛车场上累积的技术和经验，保时捷从增强缸体强度减少缸壁厚度增大汽缸口径找到突破点，新型高强度金属材料和电子燃油喷注的应用也让911引擎最高转数和输出大幅提升。

保时捷911 GT-2水平对置发动机结构图

    虽然引擎的总体尺寸没有明显增大，但容积在2.7L以上的911引擎为了不增加车尾宽度保持最优化的整体布局，引擎和排挡箱/传动轴之间是有一个倾斜的齿轮连接，跟一般汽车直连是有区别的。

保时捷水平对置发动机

保时捷水平对置发动机

    风冷911 Flat 6引擎在993一代已经发展到极限，使用风冷设计3.2L一个技术极限同时为了保留冷却空间，保时捷一直使用占用空间较少的SOHC 2V per clinder 设计，而没有采用同代引擎已经普遍使用高性能DOHC 4V。风冷引擎曾经是保时捷911的招牌，但在911 GT1/Boxster上保时捷首先试验水冷Flat 6 DOHC设计，并在随后的996一代911上采用了水冷设计。得益于水冷设计996引擎容积达到空前的3.8L(911 GT3)。

保时捷911 GT-2水平对置发动机

加装了燃油直喷技术的保时捷3.6L水平对置发动机

    水平对置发动机当然是保时捷的经典技术，然而结合燃油直喷技术的水平对置发动机让保时捷获得动力方面的全面提升，以保时捷09款911为例，得益于燃油喷射系统的改进，保时捷3.6L水平对置六缸发动机的最大输出提高了20马力，达到345马力。3.8L水平对置六缸发动机的最大功率从原来的350马力提高到385马力，最大扭矩从原来的400N·m/4600rpm提升到420N·m/4400rpm。

2. 保时捷水平对置发动机技术

    斯巴鲁水平对置发动机技术

斯巴鲁的水平对置发动机

    说到斯巴鲁的水平对置发动机，翼豹就属于这一技术的代表车型，而最让斯巴鲁感到得意的应该就是翼豹在世界汽车拉力锦标赛（WRC）上取得过比较优异的战绩。帮助斯巴鲁在赛车界扬名立万的“利器”正是水平对置发动机和左右对称全时四轮驱动系统这两项在斯巴鲁技术武库中最具有“杀伤力”的核心技术，而水平对置发动机又是左右对称全时四轮驱动系统发挥作用的基础和动力源。

斯巴鲁翼豹

 
斯巴鲁翼豹（点击查看大图）

    斯巴鲁和保时捷的水平对置发动机之间最大的区别其实在于安装方式：斯巴鲁是前纵置引擎、前轮驱动或者四轮驱动，跟一般的前横置引擎前轮驱动车型不一样，斯巴鲁的引擎实际上跟奥迪的V型引擎+Quattro的布局很相似，是非常典型的Symmetric AWD Layout。

斯巴鲁水平对置发动机实拍图

斯巴鲁左右对称全时四轮驱动系统

 
斯巴鲁水平对置发动机结构图及实车发动机舱（点击查看大图）

 
斯巴鲁2.5L/3.6L水平对置发动机实拍图（点击查看大图）

    由于EJ系列引擎只有4/6缸容积不超过3000cc，前置引擎仓的空间比较充裕因此斯巴鲁只需要解决引擎的供油和散热问题就可以。所以也有这样一种说法：其实斯巴鲁的引擎并不是很先进或者很特别的设计，只是现在同级厂商没有使用水平对向设计所以显得“与众不同”。

3. 斯巴鲁水平对置发动机技术

    转子发动机的结构和工作原理

    三角活塞旋转式发动机也就是转子发动机，它采用三角转子旋转运动来控制压缩和排放，与传统的活塞往复式发动机的直线运动迥然不同。一般发动机是往复运动式发动机，工作时活塞在气缸里做往复直线运动，为了把活塞的直线运动转化为旋转运动，必须使用曲柄连杆机构。

 转子发动机的结构实拍图

 
 转子发动机的结构和工作原理（动态演示）

    转子发动机则不同，它直接将可燃气的燃烧膨胀力转化为驱动扭矩。在转子发动机中，燃烧产生的压力保存在壳体和三角形转子（在该发动机中用来代替活塞）构成的密封室中。

转子发动机的工作原理

转子发动机的工作原理

    转子的行进路径与呼吸测量仪产生的轨迹类似。转子的顶点与壳体接触，从而形成三个独立的气室。转子不停地围绕燃烧室运动，三种体积的气体交替膨胀和收缩。正是这种膨胀和收缩将空气和燃料吸入发动机，然后对此混合气体进行压缩，并在气体膨胀时生成有用的动力，最后排出废气。

德国人菲加士·汪克尔发明的首台转子发动机

    马自达投巨资购得转子发动机版权 

    这种发动机由德国人菲加士·汪克尔发明，在总结前人的研究成果的基础上，解决了一些关键技术问题，研制成功第一台转子发动机，所以也有的称之为汪克尔转子发动机（Wankel Engine）。汪克尔发动机的面世，让很多有实力的汽车生产商都嗅到了新时代技术的气味。可是，汪克尔发动机在启动试验中暴露出的缺点，却打消了很多向汪克尔发动机挑战的年头。

马自达的首台量产型转子发动机10A-8010

马自达首台实用化兼量产化的转子发动机车-Mazda Cosmo Sport

    一向对新技术情有独钟的马自达公司投巨资从汪克尔公司买下了这项技术，马自达在购得版权后，以RE-Rotary engine译名转子发动机作为汪克尔发动机的新名称。1964年，日内瓦的德法合资企业COMOBIL公司，首次把转子发动机装在轿车上成为正式产品。1967年，日本人也将转子发动机装在马自达轿车上开始成批生产。

马自达RX－7

马自达RX-8所使用的1.3L转子发动机

    70年代石油危机爆发，各国忙于应付各方面的困难而无暇顾及发展转子发动机，唯有马自达公司仍然深信转子发动机的潜力，独自研究和生产转子发动机，并为此付出了相当大的代价。他们逐步克服了转子发动机的缺陷，成功地由试验性生产过渡到商业性生产，并将安装了转子发动机的RX－7型跑车打入了美国市场，令人刮目相看。不过，RX-7于1995退出美国市场。

4. 转子发动机的结构和工作原理

    转子发动机的优缺点分析

    由于从生产装配到维护修理，转子发动机都与传统的发动机大不一样，开发成本大。加上往复式活塞发动机在功率、重量、排放、能耗等方面都比过去有了显著提高，转子发动机没有显出明显的优势，因此各大汽车企业都没有积极性去开发利用，唯有马自达一家苦苦支撑。

 转子发动机侧面图

    都说“存在就是有意义的”，那么我们就来客观的分析一下转子发动机的优缺点，也许看完这些，我们也会明白为什么马自达会对这“非主流”的转子发动机那么情有独钟。

马自达对这“非主流”的转子发动机情有独钟

    转子发动机有几个优点，其中最重要的一点是减小了体积和减轻了重量。在运行安静性和平稳性两方面，双转子RE相当于直列六缸往复式发动机。在保证相同的输出功率水平前提下，转子式发动机的设计重量是往复式的三分之二，这个优点对于汽车工程师们有着无比的吸引力。

 转子发动机减小了体积和重量

    由于转子发动机将空燃混合气燃烧产生的膨胀压力直接转化为三角形转子和偏心轴的转动力，所以不需要设置连杆，进气口和排气口依靠转子本身的运动来打开和关闭；不再需要配气机构，包括正时齿带、凸轮轴、摇臂、气门、气门弹簧等，而这在往复式发动机中是必不可少的一部分。综上所述，转子发动机组成所需要的部件大幅度减少。

转子发动机中的“转子”

 
转子发动机组成所需要的部件大幅度减少

    根据研究结果，转子发动机在整个速度范围内有相当均匀的扭矩曲线，即使是在两转子的设计中，运行中的扭矩波动也与直列六缸往复式发动机具有相同的水平，三转子的布置则要小于V型八缸往复式发动机。

转子发动机的缺点也是显而易见的

转子发动机的加工制造技术高、成本比较贵、推广困难

    但是转子发动机的缺点也是显而易见的，耗油量比较大，这主要是由于转子发动机燃烧室的形状不利于完全燃烧，火焰传播路径较长，使得燃油和机油的消耗增加。而且转子发动机只能用点燃式，不能用压燃式，也就是不能采用柴油。功率输出轴位置比较高，令整车布置安排不便。另外，转子发动机的加工制造技术高，成本比较贵，推广困难。

5. 转子发动机的优缺点分析

     延伸阅读：“T”字之争 解析多家车企涡轮增压引擎

      前言：为了在发动机高输出功率、低尾气排放和燃油经济之间寻找到平衡点，各大厂商频频使用涡轮增压系统。涡轮增压的主要作用就是提高发动机进气量，从而提高发动机的功率和扭矩，让车子更有劲。这样也就意味着同样一台的发动机在经过增压之后能够产生更大的功率。如今之汽车市场，多家车企都有各自的一套涡轮增压系统，可谓一直上演着“T”字之争，下面我们就针对多家车企涡轮增压引擎的特点及优势来为大家逐一解析。

解析多家车企涡轮增压引擎

    为何涡轮增压发动机会大行其道？

    我们知道，只有燃油充分燃烧，才能令每滴燃油所储存的能量最大化地发挥作用，使发动机在消耗更少燃料的情况下，产生更低排放，输出更强劲的动力。涡轮增压技术就是来提高发动机效率。不仅为车辆提供出众的动力性能，还为使用者带来更佳的燃油经济性。

涡轮增压发动机可以让性能得到极大的提升

如今高效省油的小排量涡轮增压发动机发展迅猛

    与传统汽油发动机相比，它体积更小、质量更轻，却拥有更好的动力输出及更为清洁的排放。以往涡轮增压发动机多是为了提升性能，在提倡低碳和高油价以及电动车等新能源汽车还没有普及的大背景下，“T”型车尤其是搭载小排量涡轮增压发动机迎来了最好的发展机会。

著名涡轮制造商Garrett的产品（点击查看大图）

    涡轮增压发动机简介、分类及优缺点

    涡轮增压器(Turbo)实际上就是一个空气压缩机。它是利用发动机排出的废气作为动力来推动涡轮室内的涡轮(位于排气道内)，涡轮又带动同轴的叶轮(位于进气道内)，叶轮就压缩由空气滤清器管道送来的新鲜空气，再送入气缸。当发动机转速加快，废气排出速度与涡轮转速也同步加快，空气压缩程度就得以加大，发动机的进气量就相应地得到增加，就可以增加发动机的输出功率了。

 
涡轮增压发动机示意图（点击查看大图）

    增压发动机主要分为以下四种类型：

    1.机械增压系统(Supercharger)：装置在发动机上并由皮带与发动机曲轴相连接，从发动机输出轴获得动力来驱动增压器的转子旋转，从而将空气增压吹到进气岐道里。 　　

    优点：转子的速度与发动机转速是相对应的，所以没有滞后或超前，动力输出更为流畅；

    缺点：由于它要消耗部分引擎动力，会导致增压效率不高。

机械增压发动机（Supercharger）　　

    2.废气涡轮增压系统：是目前应用最为广泛的发动机增压装置。它是利用发动机排出的废气达到增压目的。增压器与发动机无任何机械联系，压气机由内燃机废气驱动的涡轮来带动。一般增压压力可达180-200kPa，或300kPa左右，需要增设空气中间冷却器来给高温压缩空气进行冷却。

废气涡轮增压发动机

  
废气涡轮增压发动机示意图（点击查看大图）

    优点：增加效率高于机械增压； 　　

    缺点：发动机动力输出略滞后于油门的开启，加大油门后一般需要等片刻，稍后发动机会有惊人的动力爆发。

涡轮增压+机械增压+燃油直喷的大众TSI发动机

    3.复合增压系统：即废气涡轮增压和机械增压并用，大功率柴油机上用的较多。复合增压系统发动机输出功率大、燃油消耗率低、噪声小，但结构过于复杂。

双涡轮增压发动机

 
涡轮虽然可以自行改装但是我们不推荐

    4.气波增压系统：利用高压废气的脉冲气波迫使空气压缩。这种系统低速增压性能好、加速性好、工况范围大；但尺寸大、笨重和噪声大是最大的缺点，不太适合安装在体积较小的轿车里面。 》》点击阅读全文《《