為什麼 V10 發動機逐漸消失,而 V8 和 V12 沒有? | 知乎問答精選

 

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為什麼 V10 發動機逐漸消失,而 V8 和 V12 沒有?

2017年06月12日 知乎問答精選 暫無評論 閱讀 69 ℃ 次

【SleepyLin的回答(168票)】:

其實就三個字,平衡性。

V10這種發動機不可能平民,從油耗、經濟性、性價比上來討論都不合適,那個級別的車都在乎動力理想不理想,有誰在乎幾毛錢汽油。

至於V8動力直追V10,是因為我們選擇了V8,假如V10也得到V8一樣的關注度,它的動力性不會比V8差勁。

終於要回答這道題了,拖了特別特別久,其實 [為何六缸,八缸發動機的平順性優於四缸發動機? - Sean 的回答]說的挺好了。

知道周龍保是誰的……可以直接跳到後面,不知道周龍保是誰的估計也沒耐心看,也請跳到後面…

發動機是通過連桿,將活塞的往復運動轉化為曲軸的旋轉運動的。

車用發動機四個沖程裡,只有一個做功行程,其他三個沖程都是由這個沖程的功帶過去的。因此曲軸並不是每個時刻都受到相同的力,以此引發各種問題。

平衡性,需要考慮三個力和三個力矩:旋轉慣性力、一階往復慣性力、二階往復慣性力以及旋轉慣性力矩、一階往復慣性力矩、二階往復慣性力矩。

先看看氣體燃燒給活塞的力的作用,如下圖。

缸內燃燒爆發時,衝擊活塞表面,給了一個力缸內燃燒爆發時,衝擊活塞表面,給了一個力

,連桿將活塞的往復運動轉化為曲軸的旋轉運動的過程裡,受到

的分力

,另一個分力

則成為對氣缸壁的壓力。

連桿給曲軸的力作用在

點,大小就是

,這個力又可以分為兩個分力,其中分力

與曲柄運動的圓相切,是驅動曲軸旋轉的作用力,它與曲柄銷處的作用力

形成一對力矩,使曲軸旋轉;而法向力

則使曲軸受壓。

曲柄銷處的反作用力

形成

'的合力,這個合力在垂直向的分力

會由車身承受,而水平方向的分力

則與

形成力矩,這個力矩使發動機有傾倒的趨勢。

其次看看活塞的往復慣性力。

活塞在缸內做往復運動的時候,在上止點、下止點的位置時,速度是0,但加速度最大,在從上往下或者從下往上時,加速度慢慢減小,速度慢慢增加,其中有個臨界點速度達到最大,加速度變成0,過了臨界點以後開始受反向加速度,速度減至0。類似單擺,是一種簡諧運動。活塞的加速度與自身質量的乘積,就是其往復慣性力;同理曲軸在旋轉的過程,運動是和連桿有直接聯繫的,其自身的質量也會形成旋轉慣性力。

下圖可以看出氣體作用力與往復慣性力的關係。

是作用在活塞上單位面積的氣體作用力,只有在做功沖程爆發;

是活塞的往復慣性力,一個工作循環內,往復兩次,就從一個方向的最大值,到0,到反向的最大值,不停循環;兩者形成合力

,由於氣體作用力在非做功沖程都很小,所以合力的趨勢與往復慣性力差不多,只有在做功沖程會體現出不同。

那麼什麼是一階慣性力和二階慣性力?

往復慣性力可以寫為:

其中一階慣性力為:

二階慣性力為:

先說說氣缸的數量問題。

從上面可以看到發動機在工作過程中是處在一個不太穩定的過程的,它會發生振動,受力不平衡、做功爆發的越厲害,振動也就越嚴重。

氣缸的轉矩是隨曲軸轉角變化的,如下圖所示。

當發動機有多個氣缸的時候,它的總轉矩也就等於各個氣缸的轉矩的疊加,

我們需要把各缸的轉矩曲線互相錯開一個相位,也就是發火間隔,這樣形成的總轉矩才會使發動機更平穩。比如四缸機最常見,因為剛好每一個氣缸結束做功行程時立刻就又有另一個氣缸開始做功。氣缸數越多,我們就可以把每個缸之間的點火間隔變得更小,越細分平順性就越好,也就是越不容易感受到氣缸做功與不做功中間的區別,但發火間隔不一定是720/氣缸數(一個工作循環曲軸旋轉720度),這是外話。

知道了發火間隔,那發火順序呢?

四缸機一般的點火順序是1342,如此以14為一組,23為一組,曲軸旋轉過程中成對的活塞儘管所處沖程不同,但運動位置相同,運動方向也一致,兩對活塞運動方向相反。第一缸在做功衝擊曲軸的時候,第四缸活塞也向下走,可以起到一定的平衡作用。如若不是,則以發動機中心為支點,曲軸前後受力不均,會發生前後搖擺振動,這個效果可以理解為「一階慣性力」的作用。

同時各個氣缸裡活塞處於不同沖程,受到氣體壓力不同,但是都受到曲軸旋轉的約束,在這個約束的作用下每對活塞的往復慣性力是相同的,運動速度也相同。可是一對活塞向下運動時,另一對活塞是向上的,而活塞的加速度與速度在一個沖程內的上半行程、下半行程時並不對稱。如下面兩張圖,分別是某1.6L汽油機在3000rpm,2bar時的活塞運動速度、加速度。

可以看到,四個缸形成兩組,每組的加速度、速度是重合的,但上半行程的加速度更大、速度也更大,也就是說,其中一對活塞從上止點往下走到1/2處時,另一對活塞往上走還沒走到1/2,但之後兩者運動關係反過來。所以同一個時刻,兩組活塞的位置並非上下對稱,加速度也不同,這種因為向上向下運動差異造成的振動,就是二階慣性力的效果。

總之,一階慣性力的關鍵是「做功行程」,二階慣性力的關鍵是「行程前半程與後半程的運動差異」,由於一個工作循環做功只有一次,但活塞往復兩次,所以二階慣性力的頻率是一階的兩倍(如前面式子所示),當然這個力比起一階不大,但頻率更高也會造成明顯的振動。

前面所提到的慣性力是必須通過總體的佈置,或者增加平衡塊、平衡軸的方式來平衡才能避免發動機發生振動的。

接下來就容易說了。

對於單缸機(實用效果較小,一般作用於先導性研究),一階、二階慣性力都沒法抵消,所以單缸機要配四根平衡軸才能達到平衡。

二缸機平衡性同樣很差,兩缸只能輪流點火,點火間隔為360度才能工作平穩,而間隔360度時,兩活塞同上同下,振動得到強化。

三缸機的三個氣缸,間隔不是180度的整倍,三個活塞的往復運動不存在對稱性,所以以中間的氣缸為軸心,兩邊的氣缸輪流做功衝擊曲軸,會讓曲軸發生前後擺動的翹曲,也需要平衡軸。

四缸機的一階是平衡的,二階並不平衡,所以需要看,普通小型的機器是不需要平衡軸的,因為二階不夠顯著,動力性好一些的機器二階明顯時就需要上平衡軸。

五缸機和三缸類同,曲軸前後兩端受力不均會發生擺動翹曲。

直列六缸機呢,相當於兩組三缸機連接在一起,可以完美的相互抵消受力情況,平衡性非常好。

之所以提到以上,是因為V6、V8、V10、V12可以看做是兩個三缸、兩個四缸、兩個五缸、兩個六缸的對側排布,當然實際上沒那麼簡單。

V型的發動機氣缸兩邊排布,理論上講兩邊同時有一個氣缸點火,是有可能達到平衡的效果,但兩個氣缸在做功…那個力發動機受不了的,最後還是只能一缸一缸來。

所以對於V6來說,兩側各可以看做是一個三缸機,而且這兩個三缸機輪流做功,曲軸受力不均問題是仍然存在的。

而V8和V12可以在一階和二階慣性力上平衡,其中V12更完美。

V10則與V6類似,五缸機是存在曲軸前後擺動翹曲的問題的,在大馬力的衝擊下,受力情況更為惡劣,要平衡不是問題,但平衡軸、平衡塊的佈置只會讓本身已經相當複雜的十氣缸結構變得更加複雜。

所以對V10來說,前有平衡性好結構簡單的多的V8;後又有平衡性也好動力更強勁的V12,何必呢?

【李煊的回答(8票)】:

主要原因:產品定位。

12缸的存在可以作為一種圖騰和象徵,作為金字塔的塔頂,不會消失。而10缸不行,它沒有這個地位,尤其是在性能參數上很容易被8缸超越,法規又越發嚴格的年代裡了,10缸要繼續下去很困難。2.12缸的65.和8缸的55.差價如此之大,除了性能數據本身的差距外,定位,產量,成本,都是合理的溢價空間。

【馬行健的回答(3票)】:

取消了12缸怎麼彰顯身份,那些明晃晃的的V12,W12可不是一個裝飾那麼簡單

【蘇亮的回答(7票)】:

謝邀

1、個人認為,隨著技術的進步和各個國家對於排放標準的要求不斷提高,V10從經濟與性能的性價比方面已經無法平衡了。論性能,V8雙渦輪增壓已經可以達到V10的動力級別,調教的好的甚至超過。而油耗方便,V10又比V8高,這與現在不斷提高的排放標準又是衝突的。V10的線性確實不是V8渦輪能比的,但是,再現線性也架不住排放標準的死線。所以自然會被慢慢邊緣化。

2、G55AMG是V8機械增壓引擎:368KW,700N·M.

G65AMG是V12渦輪增壓引擎:450KW,1000N·M

這兩個的動力差距個人認為不小了。推測題主可能是數據瞭解的有誤吧。而且G65AMG全球限量200輛還是220輛來著,記不清了。。

【Machete的回答(4票)】:

v8掰開兩個l4,v12砍開兩個v6。多環保啊,充分體現了多快好省低成本的宗旨。再說美式v8分分鐘塞進s2000豐田86教你做人,v12體現尊嚴身份高端大氣上檔次倍有面兒。v10就……

【知乎用戶的回答(1票)】:

謝邀!V10本來就不是一個常規的架構,記憶裡最早用V10的是F1,如今F1都只有六缸了。話說,如果以尺寸,重量和輸出來衡量V10, 還真沒有什麼優勢了。。。

【MoxosYuri的回答(0票)】:

12缸是旗艦,不會淘汰。

【劉澤然的回答(0票)】:

補充一下蘇同學的,V8現在通過擴大排量或者裝增壓已經可以超越V10的輸出水平,而且相對而言維修要簡便許多,同時感興趣的話可以看看V10的Dyno曲線,扭矩相當鬼畜,並不太適合街車。而至於12缸,自古以來(真是自古以來)就是旗艦車的代表動力單元,不會被淘汰的

【AveryChen的回答(0票)】:

高不成,低不就。根據Volvo的說法,自從drive-E出現之後,V6離死期也不遠了

【機智的阿卡林醬的回答(0票)】:

我以為你問的是谷歌的v8js引擎呢

【秦輝的回答(0票)】:

沒看懂

【裡裡的回答(0票)】:

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