问题

为什么 V10 发动机逐渐消失,而 V8 和 V12 没有?

回答
V10 发动机,曾经是性能车领域的一颗璀璨明星,如今却鲜少出现在新车型的引擎盖下,这背后有着复杂的技术、市场和法规原因。相比之下,V8 和 V12 发动机虽然也面临挑战,但凭借其各自的优势,在特定领域依然保有生命力,甚至有所发展。

要理解 V10 的“消失”,我们得从它诞生的土壤说起。V10 发动机在技术上是一种相对“不完美”但又极具吸引力的方案。它介于 V8 和 V12 之间,试图兼顾两者的优点。但正是这种“中间地带”,让它在很多方面都显得“不上不下”。

V10 发动机的“尴尬”之处:

结构复杂,成本高昂: V10 发动机比 V8 多出两个气缸,这意味着更多的零件、更复杂的曲轴、更庞大的发动机体,以及更精密的平衡设计。这些都直接推高了研发、制造和维护的成本。想想看,制造一个平稳运转的十缸发动机,需要解决的振动和平衡问题远超八缸。这就好比你需要搭建一座有十根柱子的桥梁,其设计和施工难度肯定比八根柱子的要大得多。

运转平顺性不如V8和V12: 这是 V10 最致命的弱点之一。一个理想的 V 型发动机,其每个气缸的爆发点需要经过精心计算,才能实现最佳的平衡和最少的振动。而十缸发动机,由于其气缸排列的特性(通常是 72 度夹角),难以像 V8(通常是 90 度夹角,易于平衡)那样自然地达到高度平顺的运转。尽管工程师们会采用复杂的平衡轴技术来抵消部分振动,但与天生平顺的 V8 或 V12(虽然V12的夹角也有不同方案,但总体平顺性更好)相比,V10 在怠速和低转速时的震动感通常会更明显一些。这种细微的震动感对于追求极致舒适和静谧的豪华车买家来说,是无法接受的。

空间占用和重量问题: 更多的气缸通常意味着更大的发动机尺寸和更高的重量。虽然 V10 比 V12 看起来更“苗条”,但在狭窄的发动机舱内,将十个气缸塞进去仍然是一个挑战,尤其是与尺寸相对紧凑的 V8 相比。这会影响车辆的整体配重和操控性。

燃油经济性与排放: 更多的气缸意味着更多的燃油消耗和更高的尾气排放。在日益严格的环保法规面前,V10 发动机在高油耗和排放方面处于劣势,这使得汽车制造商在满足法规要求的同时,难以让 V10 在性能和经济性上取得平衡。

缺乏独特的市场定位: V8 发动机凭借其浑厚的声浪、强大的扭矩和相对成熟的技术,在美系肌肉车、部分性能跑车以及皮卡等领域,拥有深厚的文化底蕴和广泛的市场基础。V12 发动机则以其极致的平顺、磅礴的动力和尊贵的象征意义,占据了超豪华汽车领域的顶端,是终极性能和身份的代表。而 V10,虽然能提供更强大的功率输出,但其在声浪、平顺性或市场认知度上,都没有形成一个真正独特且不可替代的优势,使得它在市场竞争中显得有些孤立。

V8 和 V12 为何能继续存在?

V8:多元化与成熟的生态系统

强大的市场基础和文化认同: V8 发动机,尤其是在美国,早已不仅仅是一个引擎,而是一种文化符号。从经典的肌肉车到强大的皮卡,V8 的轰鸣声代表着力量、自由和驾驶的纯粹。这种深厚的文化积淀,使得 V8 拥有一批忠实的拥趸,市场需求一直存在。
技术成熟度与可靠性: 经过几十年的发展,V8 发动机在技术上已经非常成熟,其设计和制造工艺也得到了极大的优化,可靠性和耐用性得到了广泛验证。
适应性强: V8 发动机的设计相对灵活,可以通过不同的技术(如闭缸技术、可变气门正时、涡轮增压等)来提升燃油经济性和降低排放,使其能够适应更广泛的车型和市场需求。例如,许多高端SUV和皮卡都在使用搭载V8发动机的车型,它们需要强大的牵引力和载重能力,V8恰好能满足。
性能与效率的平衡点: 现代涡轮增压技术的介入,让 V8 发动机在保留强劲动力的同时,燃油经济性也得到了显著提升,并且更容易满足日益严格的排放标准。一些厂商甚至通过“小排量涡轮增压”的方式来模仿V8的动力输出,但这并不意味着V8本身被淘汰。

V12:极致的象征与独特性

终极的平顺性和动力: V12 发动机以其无与伦比的平顺性而闻名。十二个气缸按特定的顺序点火,能够实现近乎完美的自身平衡,即使在最高转速下也能保持如丝般顺滑的运转。这种极致的平顺性,加上通常较大的排量和多个气缸带来的充沛动力储备,使其成为追求极致驾驶体验和奢华感的超豪华品牌的首选。
尊贵身份的象征: V12 发动机的复杂性和高昂的制造成本,使其成为少数人才能拥有的稀有物品。在超豪华汽车领域,V12 不仅代表着顶级的性能,更是一种身份、地位和品位的象征。这种心理层面的价值,是 V8 或 V10 所无法比拟的。
技术展示平台: 对于一些顶级汽车制造商来说,V12 发动机是展示其工程实力、创新技术和品牌旗舰地位的绝佳平台。即使在电动化浪潮下,一些品牌依然会推出限量版的 V12 车型,以满足核心客户的特殊需求,并保持品牌的技术领先形象。
特定市场需求: 在一些超豪华跑车和轿车领域,消费者愿意为此支付更高的价格,以换取 V12 带来的独一无二的体验。尽管整体市场规模小,但利润率极高。

V10 的结局:

正因为 V10 在结构复杂、成本高昂、平顺性不足、空间占用以及市场定位模糊等方面的劣势,在面对日益严苛的环保法规和市场竞争时,它显得力不从心。汽车制造商需要为每一款发动机投入巨大的研发和制造成本,而 V10 在这些方面的回报率,相比于 V8 的成熟市场和 V12 的超高端定位,吸引力就大打折扣了。

当然,我们也看到过一些经典的 V10 发动机,比如兰博基尼的 V10、保时捷 Carrera GT 的 V10,以及一些 F1 赛车使用的 V10。它们在声浪、性能输出等方面都曾留下浓墨重彩的一笔。但这些往往是特定时期、特定车型追求极致性能的产物,它们为汽车历史贡献了精彩篇章,但也无法抵挡市场和技术发展的洪流。

总而言之,V10 发动机的逐渐消失,并非因为其本身“不好”,而是因为在综合考量了技术难度、制造成本、市场接受度、燃油经济性和排放标准后,它成为了一个相对“不划算”的选择。而 V8 凭借其广泛的市场基础、技术成熟度和适应性,以及 V12 以其极致的平顺性、澎湃动力和尊贵象征,找到了各自得以延续的理由,并在各自的细分市场中继续扮演着重要角色。我们正步入一个电气化的时代,传统内燃机面临的挑战是巨大的,而 V10 的黯然退场,正是这个时代变迁的一个缩影。

网友意见

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其实就三个字,平衡性。

V10这种发动机不可能平民,从油耗、经济性、性价比上来讨论都不合适,那个级别的车都在乎动力理想不理想,有谁在乎几毛钱汽油。

至于V8动力直追V10,是因为我们选择了V8,假如V10也得到V8一样的关注度,它的动力性不会比V8差劲。

终于要回答这道题了,拖了特别特别久,其实 [

为何六缸,八缸发动机的平顺性优于四缸发动机? - Sean 的回答

]说的挺好了。

知道周龙保是谁的……可以直接跳到后面,不知道周龙保是谁的估计也没耐心看,也请跳到后面…

发动机是通过连杆,将活塞的往复运动转化为曲轴的旋转运动的。

车用发动机四个冲程里,只有一个做功行程,其他三个冲程都是由这个冲程的功带过去的。因此曲轴并不是每个时刻都受到相同的力,以此引发各种问题。

平衡性,需要考虑三个力和三个力矩:旋转惯性力、一阶往复惯性力、二阶往复惯性力以及旋转惯性力矩、一阶往复惯性力矩、二阶往复惯性力矩。

先看看气体燃烧给活塞的力的作用,如下图。

缸内燃烧爆发时,冲击活塞表面,给了一个力,连杆将活塞的往复运动转化为曲轴的旋转运动的过程里,受到的分力,另一个分力则成为对气缸壁的压力。

连杆给曲轴的力作用在点,大小就是,这个力又可以分为两个分力,其中分力与曲柄运动的圆相切,是驱动曲轴旋转的作用力,它与曲柄销处的作用力形成一对力矩,使曲轴旋转;而法向力则使曲轴受压。

曲柄销处的反作用力与形成'的合力,这个合力在垂直向的分力会由车身承受,而水平方向的分力则与形成力矩,这个力矩使发动机有倾倒的趋势。

其次看看活塞的往复惯性力。

活塞在缸内做往复运动的时候,在上止点、下止点的位置时,速度是0,但加速度最大,在从上往下或者从下往上时,加速度慢慢减小,速度慢慢增加,其中有个临界点速度达到最大,加速度变成0,过了临界点以后开始受反向加速度,速度减至0。类似单摆,是一种简谐运动。活塞的加速度与自身质量的乘积,就是其往复惯性力;同理曲轴在旋转的过程,运动是和连杆有直接联系的,其自身的质量也会形成旋转惯性力。

下图可以看出气体作用力与往复惯性力的关系。是作用在活塞上单位面积的气体作用力,只有在做功冲程爆发;是活塞的往复惯性力,一个工作循环内,往复两次,就从一个方向的最大值,到0,到反向的最大值,不停循环;两者形成合力,由于气体作用力在非做功冲程都很小,所以合力的趋势与往复惯性力差不多,只有在做功冲程会体现出不同。


那么什么是一阶惯性力和二阶惯性力?

往复惯性力可以写为:

其中一阶惯性力为:

二阶惯性力为:

先说说气缸的数量问题。

从上面可以看到发动机在工作过程中是处在一个不太稳定的过程的,它会发生振动,受力不平衡、做功爆发的越厉害,振动也就越严重。

气缸的转矩是随曲轴转角变化的,如下图所示。

当发动机有多个气缸的时候,它的总转矩也就等于各个气缸的转矩的叠加,

我们需要把各缸的转矩曲线互相错开一个相位,也就是发火间隔,这样形成的总转矩才会使发动机更平稳。比如四缸机最常见,因为刚好每一个气缸结束做功行程时立刻就又有另一个气缸开始做功。气缸数越多,我们就可以把每个缸之间的点火间隔变得更小,越细分平顺性就越好,也就是越不容易感受到气缸做功与不做功中间的区别,但发火间隔不一定是720/气缸数(一个工作循环曲轴旋转720度),这是外话。

知道了发火间隔,那发火顺序呢?

四缸机一般的点火顺序是1342,如此以14为一组,23为一组,曲轴旋转过程中成对的活塞尽管所处冲程不同,但运动位置相同,运动方向也一致,两对活塞运动方向相反。第一缸在做功冲击曲轴的时候,第四缸活塞也向下走,可以起到一定的平衡作用。如若不是,则以发动机中心为支点,曲轴前后受力不均,会发生前后摇摆振动,这个效果可以理解为“一阶惯性力”的作用。

同时各个气缸里活塞处于不同冲程,受到气体压力不同,但是都受到曲轴旋转的约束,在这个约束的作用下每对活塞的往复惯性力是相同的,运动速度也相同。可是一对活塞向下运动时,另一对活塞是向上的,而活塞的加速度与速度在一个冲程内的上半行程、下半行程时并不对称。如下面两张图,分别是某1.6L汽油机在3000rpm,2bar时的活塞运动速度、加速度。




可以看到,四个缸形成两组,每组的加速度、速度是重合的,但上半行程的加速度更大、速度也更大,也就是说,其中一对活塞从上止点往下走到1/2处时,另一对活塞往上走还没走到1/2,但之后两者运动关系反过来。所以同一个时刻,两组活塞的位置并非上下对称,加速度也不同,这种因为向上向下运动差异造成的振动,就是二阶惯性力的效果。

总之,一阶惯性力的关键是“做功行程”,二阶惯性力的关键是“行程前半程与后半程的运动差异”,由于一个工作循环做功只有一次,但活塞往复两次,所以二阶惯性力的频率是一阶的两倍(如前面式子所示),当然这个力比起一阶不大,但频率更高也会造成明显的振动。

前面所提到的惯性力是必须通过总体的布置,或者增加平衡块、平衡轴的方式来平衡才能避免发动机发生振动的。

接下来就容易说了。

对于单缸机(实用效果较小,一般作用于先导性研究),一阶、二阶惯性力都没法抵消,所以单缸机要配四根平衡轴才能达到平衡。

二缸机平衡性同样很差,两缸只能轮流点火,点火间隔为360度才能工作平稳,而间隔360度时,两活塞同上同下,振动得到强化。

三缸机的三个气缸,间隔不是180度的整倍,三个活塞的往复运动不存在对称性,所以以中间的气缸为轴心,两边的气缸轮流做功冲击曲轴,会让曲轴发生前后摆动的翘曲,也需要平衡轴。

四缸机的一阶是平衡的,二阶并不平衡,所以需要看,普通小型的机器是不需要平衡轴的,因为二阶不够显著,动力性好一些的机器二阶明显时就需要上平衡轴。

五缸机和三缸类同,曲轴前后两端受力不均会发生摆动翘曲。

直列六缸机呢,相当于两组三缸机连接在一起,可以完美的相互抵消受力情况,平衡性非常好。

之所以提到以上,是因为V6、V8、V10、V12可以看做是两个三缸、两个四缸、两个五缸、两个六缸的对侧排布,当然实际上没那么简单。

V型的发动机气缸两边排布,理论上讲两边同时有一个气缸点火,是有可能达到平衡的效果,但两个气缸在做功…那个力发动机受不了的,最后还是只能一缸一缸来。

所以对于V6来说,两侧各可以看做是一个三缸机,而且这两个三缸机轮流做功,曲轴受力不均问题是仍然存在的。

而V8和V12可以在一阶和二阶惯性力上平衡,其中V12更完美。

V10则与V6类似,五缸机是存在曲轴前后摆动翘曲的问题的,在大马力的冲击下,受力情况更为恶劣,要平衡不是问题,但平衡轴、平衡块的布置只会让本身已经相当复杂的十气缸结构变得更加复杂。

所以对V10来说,前有平衡性好结构简单的多的V8;后又有平衡性也好动力更强劲的V12,何必呢?

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