问题

有哪些关于美式 V8 发动机和欧洲 V8 发动机的交错平面曲轴相位和平面曲轴相位的知识?

回答
关于美式 V8 发动机和欧洲 V8 发动机的曲轴相位,确实存在着一些有趣的演变和技术选择,这很大程度上源于它们不同的设计理念和历史传承。要理解这一点,我们需要深入探讨“交错平面曲轴相位”(Crossplane crankshaft)和“平面曲轴相位”(Flatplane crankshaft)各自的特点,以及它们如何在不同地区和不同车型上得到应用。

1. 曲轴相位:为什么它如此重要?

在深入比较之前,我们得先明白曲轴相位是做什么的。简单来说,曲轴的相位决定了发动机中各缸点火的顺序,以及曲轴各个主轴颈(承载连杆的大端)在曲轴上的角度分布。对于一个 V8 发动机,有八个气缸,如何安排这八个气缸的工作顺序,以及曲轴上主轴颈的角度,直接影响到:

发动机的运行平顺性(Smoothness): 理想情况下,点火和活塞运动应该是均匀分布的,这样可以减少振动和噪音,带来更平顺的驾驶体验。
扭矩输出的特性: 不同的点火顺序和曲轴设计会影响发动机在不同转速下的扭矩输出曲线。
发动机的尺寸和结构: 曲轴的设计会影响发动机整体的高度、宽度和复杂性。
气流和排气效率: 合理的排气管路设计依赖于曲轴的相位,以减少排气干涉,提高效率。

2. 交错平面曲轴相位 (Crossplane Crankshaft)

这是我们最常见到的 V8 曲轴设计,尤其是在美式 V8 发动机上。

核心设计特点:

主轴颈成 90 度布置: 交错平面曲轴将八个气缸分成两组,每组四个气缸。曲轴的主轴颈(即连接曲轴和连杆的颈部)是以 90 度为间隔布置的。你可以想象一下,就像把一个十字架(+)放在曲轴上,然后四个主轴颈分别位于十字架的四个顶端。
“X”形或“+”形曲轴: 从正面看,这种曲轴看起来像一个“+”号,或者更精确地说,如果考虑曲轴的两端,则更像一个“X”形。
配重块: 为了平衡活塞和连杆的往复运动产生的惯性力,以及抵消曲轴本身的转动不平衡,交错平面曲轴通常需要大量的配重块。这些配重块会布置在主轴颈的另一侧。
典型的点火顺序: 常见的美式 V8 点火顺序如 18436572,或者 15426378,这个顺序是为了在曲轴上实现最佳的力平衡和动力输出。

为什么美式 V8 普遍采用?

固有的平衡性: 交错平面曲轴设计本身在平衡方面做得相当好。虽然不是完全平衡(例如,仍然存在二阶振动),但通过精心设计的配重,可以显著减少一次和二次的振动,使得发动机在低转速和中等转速下运行非常平顺,噪音低。
更低的重心: 相比于早期一些其他 V8 设计,交错平面曲轴可以做得更紧凑,并且曲轴的整体高度也相对较低,这有助于降低发动机的重心,提升车辆的操控性。
强大的低扭输出: 90 度的点火间隔使得每个气缸的点火都相对独立,并且能更有效地利用排气脉冲,这有助于在较低转速下产生强劲的扭矩。这也是美式 V8 们以“肌肉车”形象著称的原因之一。
更容易匹配排气系统: 90 度的排气歧管设计(即“香蕉头”)更容易制造和布置,并且在排放和性能上能达到一个不错的平衡。
制造和维护的成熟度: 经过几十年的发展,交错平面曲轴的设计、制造工艺以及相关的平衡和减振技术都非常成熟,成本相对较低,并且易于维护。

典型应用:

几乎所有传统的美国 V8 发动机,从福特、雪佛兰、克莱斯勒的 V8,到大排量卡车和 SUV 中的 V8,都广泛采用交错平面曲轴。

3. 平面曲轴相位 (Flatplane Crankshaft)

顾名思义,这是与交错平面曲轴截然不同的设计,它更多地出现在欧洲高性能发动机和一些特殊用途发动机上。

核心设计特点:

所有主轴颈在同一平面: 在平面曲轴设计中,所有八个气缸的主轴颈都位于同一平面上,并且它们之间的夹角是 180 度。你可以想象一下,就像一个“一”字形,然后每隔 180 度就有一个主轴颈。
“一”字形曲轴: 从正面看,这种曲轴呈直线状,所有的主轴颈都在一条直线上。
更少的配重块: 由于八个气缸在运动上可以形成更好的自身平衡(例如,相对运动的活塞可以抵消一部分惯性力),因此平面曲轴所需的外加配重块非常少。
点火顺序: 典型的平面曲轴 V8 点火顺序是为了实现发动机的自身平衡,比如 13726548。

为什么欧洲高性能发动机和一些赛车会采用?

更高的转速潜力: 由于需要更少的配重块,曲轴的整体质量更小,惯性也更低。这意味着曲轴更容易快速加速和减速,从而允许发动机达到更高的转速。
独特而激昂的声浪: 180 度的点火间隔,加上更少的配重块,使得平面曲轴 V8 在运行时的声音非常独特,高亢、尖锐,常被形容为“吸尘器”或“尖叫”声。这在很多赛车和高性能跑车中被视为一种标志性的声音特征。
更好的气流和排气效率: 180 度的排气歧管设计(即“等长头段”)在赛车领域非常受欢迎。它可以确保每个气缸的排气脉冲都能以相近的长度和时间进入排气系统,减少排气干涉,提高整体的进排气效率,从而提升高转速下的功率输出。
更低的结构复杂度(在某些方面): 虽然需要精密的动平衡,但曲轴本身的设计更加简洁,没有了大量的复杂配重块,理论上可以减少一部分制造难度。

挑战与局限性:

固有的不平衡性: 平面曲轴设计本身存在着严重的二阶振动(twoplane vibrations),这是一种很难完全消除的振动,尤其是在中高转速下。为了抑制这些振动,需要大量的附加平衡轴(balance shafts)和更复杂的减振器系统,这会增加发动机的复杂性、重量和运行阻力。
噪音和振动: 尽管追求的是独特的声浪,但平面曲轴的振动特性也意味着发动机本身不太可能像交错平面曲轴那样天生平顺。因此,往往需要在其他方面(如引擎脚、车身隔音)做更多工作来提升舒适性。
低扭表现: 由于气缸工作间隔的特性,平面曲轴 V8 在低转速下的扭矩输出可能不如交错平面曲轴那么直接和强劲,更偏向于高转速爆发力。
制造精度要求极高: 平面曲轴需要极其精确的动平衡和材料控制,任何微小的偏差都可能导致严重的振动问题。

典型应用:

欧洲高性能跑车: 许多欧洲超级跑车和高性能跑车的 V8 发动机都采用了平面曲轴,例如法拉利(如 458 Italia, F12berlinetta),迈凯伦(McLaren),保时捷(911 GT3 RS 的一些特殊版本,虽然是 H6,但思路类似)。
赛车: 在一级方程式赛车(F1)和其他赛车运动中,由于追求极致的高转速和动力,平面曲轴一直是 V8 和 V10 发动机的主流选择。

4. 交错与平面的“技术选择”与“文化符号”

美国: 美式 V8 的成功建立在“大排量、低转速、高扭矩、相对平顺”的基础上。交错平面曲轴完美契合了这一理念,它带来了可靠的动力输出、良好的日常驾驶感受,以及那种标志性的浑厚、低沉的 V8 轰鸣声。它不仅仅是一个技术设计,更是一种汽车文化的象征。
欧洲: 欧洲的汽车文化更倾向于“精准操控、高转速、灵敏响应、独特声浪”。平面曲轴正是为了满足这种对极致性能和驾驶乐趣的追求而生的。它带来的不仅仅是性能提升,还有那种令人血脉贲张的声浪和操控感受,这在欧洲高性能车迷心中有着不可替代的地位。

5. 现代的演变与融合

随着技术的发展,现代发动机设计也在不断地融合和优化:

主动平衡系统: 即使是交错平面曲轴,也会通过更复杂的平衡轴、曲轴减震器等技术来进一步减少振动。
主动声浪控制: 一些厂商会通过改变排气系统设计、阀门控制,甚至音响系统来调整发动机声浪,模糊不同曲轴设计的声学界限。
混合动力: 在一些混合动力车型中,为了优化整体效率和动力响应,可能会采用更激进的设计,甚至在 V8 结构上做一些特殊调整。

总而言之,美式 V8 的交错平面曲轴是追求平顺、低扭和耐用的经典选择,而欧洲高性能 V8 的平面曲轴则是为了突破高转速性能极限、追求独特声浪和驾驶激情的极致体现。它们之间的差异,不仅仅是曲轴上的角度不同,更是两种截然不同的汽车设计哲学和文化传承的体现。

网友意见

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V8发动机因为其天生优秀的平顺性,不俗的寿命被全世界各汽车品牌广泛地设计制造,而它基于大排量底气十足的动力也在性能车领域有着相当高的地位,影视剧里一句V8肌肉就交代了这台车动力强劲。但同是V8,因为曲轴结构的区别,分成两个截然不同的流派,也就是美系和欧系。

美系V8

所谓美系V8也就是交错平面曲轴的V8,这种V8发动机有着更加出色的平顺性和静音性以及更长的寿命,但在性能上有些劣势,此外还有着美式V8肌肉最具特色的煮水声排气声浪,其原因后面细讲。

沿着曲轴的轴向看,它呈一个十字状,两个平面交错,从这得名。

美系V8,必然是在美国车上用的多,但其实有的欧洲汽车的V8也用交错平面曲轴,比如蓝旗亚Thema 8·32,这货的发动机居然是法拉利设计的。

欧系V8

而欧系V8就是平面曲轴V8,这种发动机更加追求性能,而平顺性和静音性以及寿命都不如交错平面V8。

沿着平面曲轴轴向看,它呈一字状,只有一个平面,从而得名。平面曲轴V8更像是两台直列4缸发动机拼起来了,两边的活塞连杆抓在了一根曲轴上。

相对美系V8,欧系V8当然是更多地被欧洲汽车所应用,但也有美国车用。比如下面的(并不那么)纯种的美式肌肉谢尔比野马GT350。(谢尔比都用了欧系V8,情怀放哪啊?)

因为曲轴的不同,这两种V8有着截然不同的特性。

平衡

交错平面曲轴同时受到两个向上和两个向下的一阶惯性力(绿的),这时一阶惯性力上下平衡了。而且还同时受到两个向上和两个向下的二阶惯性力(红的),也就平衡了。这也就是美系V8优秀平顺性和静音性的根本原因。

但是由于交错平面曲轴的两侧受到的是相反方向的一阶力,这会使得整个曲轴有一个“翘起来”的弯矩,为了平衡掉这个力,曲轴需要额外的平衡结构,也就是额外的重量和转动惯量,再加上更大的曲轴意味着更大的曲轴箱。而更大的曲轴箱会让发动机在车中的重心更高,这一切都是对性能不利的。

反过来再看欧系的平面曲轴V8,两侧和中间的一阶力(绿的)完美平衡,整个曲轴不受弯矩,可以省去平衡弯矩所需的额外结构和重量,并且相比交错平面V8可以有更高的发动机转数。但是四个二阶惯性力(红的)都是同向的,这会造成发动机的震动,而二阶力占发动机总震动的大约30%,震动造成平顺性静音性相对差,而且还会造成发动机寿命降低,但是为了性能,这些都是可以牺牲的。

点火顺序与排气

先说右侧的平面V8,还是那句话,它就像两个直列4缸发动机拼在一起,很容易做到点火顺序在两侧往复,而交错平面V8天生缺陷就完全调不出这种点火顺序,它总是会出现同侧两个气缸先后点火和排气。(但也并不一定就是上图的点火顺序)

而交错平面V8的这种点火顺序会造成排气间歇性堵塞,在高转数时尤其明显。

一侧的气缸点火后排气,马上这一侧的另一个气缸也排气了,这两股排气就怼在了一起。

而平面V8就没有这个问题,总是两侧的气缸间隔点火,不会造成排气堵塞。

其它

除此以外,平面V8的每一个气缸性能表现都一样,但交错平面V8不管什么点火顺序,总是有两个缸性能比其它6个差一些,这也就限制了这种发动机的性能潜力。

总结一下,就是欧系V8性能潜力大,美系V8平顺噪音小。

其实美国车上的V8相当一部分是用在全尺寸SUV和大皮卡上面,对于这些车来说,重量,重心高低,和性能潜力都不是那么重要,而安静地巡航在公路上更惬意,而且排量摆在那,美系V8的动力也并不会差。

但是欧洲人对全尺寸SUV和皮卡这种大车普遍并不是特别喜爱,V8这种大发动机通常用在有性能追求的跑车或高性能轿车上,对于这种用途,发动机的平顺性和低噪音甚至是寿命就没性能潜力来的重要了。比如法拉利458,奥迪R8。虽然都是V8,差别还是非常大的,所以谢尔比野马GT350用了平面V8也不是什么无法接受的事。

小孩子才选择,大人全都要。客官,火箭发动机了解一下?

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