汽機車四行程引擎介紹5：引擎的震動與平衡
諸如平衡軸、一階震動與二階震動、V缸引擎夾角的玄機、十字曲軸到底減少什麼震動等？都會在這一篇文章中介紹。
在本網誌只是就大架構介紹一下四行程引擎，提供一個粗淺的認識。
但引擎有點複雜，就算是粗淺介紹，文章還是搞的蠻長的，於是分了幾篇來說明
5.汽機車四行程引擎介紹5：引擎的震動與平衡（連結）（就是本篇啦）
除了基本架構外，還有針對比較熱門的機件結構進行說明：
最大震動來源：燃燒震動
活塞是上下運動，被燃燒產生的壓力往下推動，當然會產生很大的震動，這種震動在大家熟悉的單缸引擎上就很明顯，催個油門就可以感受到引擎抖呀抖的，感受到滿滿的動力啊！
更慘的是這燃燒壓力在曲軸轉兩圈時才有一次產生，因此曲軸也就一直在加速與減速中循環，讓動力輸出很不平順。
要消除這種燃燒造成的震動與不順感，當然是不可能的事，但可以藉由安裝大質量的飛輪與增加汽缸數目來減少影響。
1.儲存動能的飛輪
引擎都會在曲軸上安裝一個大質量的飛輪，在燃燒行程中產生壓力時，可以儲存動能，在其他三個活塞行程中來釋放動能，如此就可以維持曲軸轉速，讓曲軸不會轉得忽快忽慢的。
要讓動力輸出越平順，飛輪的質量要越大，但質量太大會讓引擎轉速的變化變的很慢，就是你油門催下去，過了一陣子轉速才拉上來，油門放開後，轉速也是過了一會兒才降下來。
當然，質量越重的飛輪，會吃掉越多的引擎動力，因此調配適當的飛輪質量，也是廠商傷腦筋的地方，市面上也會有改裝輕量化飛輪的產品，來減少動力的耗損，但抖動就會增加一點哩！
2.增加汽缸數目
如果是單缸引擎，曲軸每轉兩圈點火燃燒一次，也就是曲軸每轉兩圈會有一次燃燒震動，這震動就會很明顯。如果這引擎有很多汽缸，在這曲軸旋轉的兩圈之中，就能增加很多次的燃燒震動，在一波未平一波又起的震動中，讓人感覺比較平順。
於是越是強調平順的車輛，就會使用越多缸數的引擎。此外，越多汽缸，還可以造就更大的排氣量（註），因此每家車廠的「旗艦車款」，都用上最多汽缸數的引擎，在機車方面是用上6缸引擎、汽車方面則是用上12缸引擎。
註：一般引擎設計上的限制，每個汽缸容積不要超過500c.c，超過500c.c.，會增加很多技術難題，造成效率不彰、成本太高。因此會看到很多4缸引擎排氣量是2000c.c.，6缸是3000c.c.，8缸是4000c.c.，12缸是6000c.c.。如果能每缸容積能超過500c.c.，效能又很強大，那廠商就是技術了得哩，保時捷就是其中王者。
量產機車中，引擎缸數最多就是6缸，6缸的成本、體積、重量都非常驚人，於是6缸引擎的機車都很大台、很貴。
而一般家庭房車，也多使用平順的4缸引擎。只是在最近嚴苛的環保法規規範下，很多車都改為使用扭力比較大的3缸1500c.c.渦輪引擎。3缸引擎就都要外掛平衡軸，才能減低震動感，這會在文後說明。
汽車則是會用上V12引擎來強調其當家老大的地位。在環保當道的現在，V12引擎會被說成是上古神獸，但各廠還是會將其保留在最頂級的車款上。圖為Ferrari 812 Superfast。
V12引擎除了平衡度佳，其動輒6000c.c.的排氣量也營造出相當大的出力，適合用在頂級超跑上。圖為Lamborghini Aventador。
有行動藝術品之稱的Pagani，其動力來源是AMG的V12引擎。雖然現在投資研發V12的報酬率低的可憐，但AMG還是保證繼續供應V12引擎給Pagani，畢竟V12是身份地位的象徵，不能用單純的CP值來衡量的。
V12引擎的特殊地位，更能彰顯概念車款與限量車款的特殊性。圖為Ferrari限量車款Monza SP1與SP2。
為了平衡掉活塞質量的慣性，多會在曲軸臂上加上配重（以下簡稱曲軸配重），這樣兩者的慣性就可以在活塞處於上死點與下死點時互相抵銷。
但活塞在跑到一半，曲軸位為於90度與270度時，也就是在左右兩邊時，曲軸配重就沒辦法與活塞質量抵銷，反而造成左右方向的震動。真害！解決掉上下震動，換來左右震動，不過這種水平方向的震動，駕駛比較感覺不到，算是不幸中的大幸（好像不是這樣說吧）。
為了繼續解決掉左右方向的震動，這時候就要用上平衡軸了，藉由跟曲軸旋轉方向相反的平衡軸，來抵銷曲軸配重造成的震動。一般單缸引擎的設計如上圖，會用上兩根平衡軸，曲軸配重會是活塞重量的50%，兩根平衡軸的配重負責平衡掉另外的50%。
但如果是直列3缸引擎，當中間活塞在最高點時，一邊的活塞是往下運動，另外一邊活塞則是往上運動，這樣曲軸左右兩邊的力量不平衡，於是會產生搖動。這種搖動又需要使用平衡軸來平衡。
雙缸引擎一般有360度曲軸與180度曲軸兩種，與比較特殊的270度曲軸：
第二大震動來源：曲軸配重
活塞上下運動的慣性力
活塞做上下運動，一直處於加速、減速、靜止的循環中，活塞質量會造成的慣性力，需要在曲軸上加上配重來平衡，而這配重也是造成震動的主要來源。
曲軸配重還有一個問題，那就是轉速越高，配重造成的慣性力就越高，對於汽車來說不是什麼問題，但如果你是熱血的騎士，想要透過引擎的震動感來掌握轉速變化，那這個慣性力就會讓轉速的震動感變得很模糊。
解決曲軸配重造成的震動1：平衡軸
為什麼不只用一根平衡軸，那是因為一根平衡軸的重心，與活塞、曲軸的重心不在同一位置，會造成另一種的不平衡。
在機車引擎上，有時候只會用上一根平衡軸，另外一根平衡軸由離合器旁的飛輪負責，這樣來減少重量與機件複雜性。除了平衡軸的質量外，配置的位置也是很重要，從上圖可以看到對於配重距離的精心設計。
還有一種平衡軸，是兩根旋轉方向相反，轉速是曲軸兩倍的平衡軸，這是用來平衡二階震動的，會在之後說明。
另外有一種平衡軸是平衡曲軸搖動的，也會在之後進行說明。
如果兩個活塞是處於180度相對位置，就是一個往上跑時，另一個往下跑，這時一樣保持在180度相對位置的曲軸配重，無論是在上下左右那個位置，都可以完美地互相抵銷。
此外像是三缸引擎的曲軸，三個曲軸配重的重心落在曲軸中央，就像是電風扇一樣，也可以互相抵銷而平衡，十字曲軸也是同樣的原理來抵銷。
V形引擎常是兩個活塞共用一個曲軸臂（圖為Ducati V4 Granturismo engine ）
上面汽缸在上死點時，曲軸配重一樣在正下方來抵銷活塞質量慣性。
在曲軸配重轉動到左邊時，這時右邊汽缸中的活塞位於上死點，剛好又與曲軸配重互相抵銷。
對於機車來說，V形90度雙缸引擎，會稱為L2引擎。L2引擎要嘛太長，不然就太高，在車輛設計上要有不少的折衷，不過L2引擎獨特的動力特性，就會成為車輛最突出的特點與強項。
透過Ducati V4 Granturismo 引擎的影片來看V形汽缸引擎的運作。
以4缸引擎為例，外側兩個活塞一組，內側兩個活塞一組，因此當外側活塞往上時，內側活塞則會往下，曲軸左右兩邊的力量剛好抵銷。
解決曲軸配重造成的震動2：曲軸配重互相抵銷
水平對臥引擎，兩個活塞總是往相反方向移動，理論上可以互相抵銷慣性，連震動最大來源的燃燒震動，都可以大致抵銷掉，但因為兩組活塞的重心位置不同，會產生偏轉的力矩，因此有時還是會設計曲軸配重來抵銷質量慣性。
解決活塞質量造成的震動3：V形90度汽缸
V形汽缸，一般都是兩個活塞共用一個曲軸臂，也共用同一個曲軸配重，在汽缸角度為90度時，活塞與曲軸配重剛好可以平衡，這也是很多V形引擎汽缸夾角採用90度設計的原因。
透過Ducati V4 Granturismo 引擎的影片來看V形汽缸引擎的運作。
第三個震動來源：曲軸搖動
剛剛都是從引擎側面看曲軸與活塞，如果轉到正面來看，則會有另外一種平衡關係。
1. 直列四缸引擎的曲軸平衡
2. 三缸引擎的曲軸平衡
3.直列雙缸引擎的曲軸平衡
3-1. 360度曲軸：
兩個活塞一同上下運動，能使用等間隔點火（360度），動力輸出比較連貫，也不會搖動曲軸，但並竟兩個活塞同上同下，曲軸配重震動會加大一倍。
其他像是Triumph的雙缸系列、BMW在2017年前的F系列、Kawasaki W800等，也是用這種曲軸。
3-2. 180度曲軸：
兩顆活塞一上一下，可以抵銷大部分活塞運動的慣性，但會造成曲軸的搖動，所以還是需要平衡軸，點火為不等間隔點火，會帶有一點脈動感。台灣賣翻的YAMAHA R3、Kawasaki 雙缸忍者，用的就是這種曲軸。
3-3. 270度曲軸
換個角度看，就是相差90度（360-270＝90），看到這角度，有沒有感覺到一點點的熟悉？
這種曲軸的會讓直列2缸的引擎特性近似於90度V形汽缸的引擎，但直列2缸會產生曲軸的搖動，V缸的兩個活塞共用一個曲軸銷，因此不會搖動曲軸。
二階力震動
以上的曲軸的搖動，就是一階力的震動（First Order Force），白話文就是曲軸每轉動一圈就震動一次。除了一階力，曲軸還有二階力的震動（Second Order Force），曲軸每轉一圈震動兩次，二階力比一階力要小了很多，但頻率高一倍，
二階力簡單來說，是活塞的上下運動跟曲軸的旋轉運動，這兩種方向完全不一樣的運動所造成的，用下圖來做個簡單的說明：
假設曲軸的半徑為1，活塞連桿的長度為2。為了計算方便，活塞連桿到活塞頂的距離就先忽略不計。
活塞在下死點時，曲軸中心到活塞軸承的距離為1.5；
但曲軸在90度時，活塞並沒有在位於中間2的位置！依據三角形邊長的公式，此時曲軸中心到活塞軸承的距離約為1.94。
因此曲軸轉了90度時，活塞跑的距離已經超過一半的行程，換句話說，假設曲軸的轉速都一樣，每轉90度都花一樣的時間，這時活塞跑上半行程的距離比較遠，活塞速度就比較快；相對的，下半行程的距離比較短，活塞速度就比較慢。
在如180度曲軸的雙缸、四缸引擎上，一組活塞往上時，一組活塞就往下，理論上會互相抵銷平衡，但活塞往下的速度跟活塞往上的速度不一樣，無法抵銷，就會造成很明顯的二階力震動。
二階力的平衡軸跟上面介紹的平衡軸最大的不同，是這兩根平衡軸旋轉方向相反、轉速是曲軸的兩倍。因為這二階力的平衡軸都是用在4缸以上的引擎，所以不用去抵銷曲軸配重，只要專注在對付二階力就好了，才會有這種不同的設計。
抵銷二階力震動：90度曲軸
當左邊汽缸活塞落入「慢速區」時，右邊汽缸活塞剛好進入「快速區」，可以幫忙推一把，這樣二階力就小非常非常多了。
抵銷二階力震動：安裝平衡軸
四缸以上的引擎，因為活塞與曲軸的慣性力可以互相抵銷，所以此時裝的平衡軸，很多都是用來平衡二階力震動。
抵銷二階力震動：90度曲軸
抵銷二階力震動：YAMAHA的十字曲軸直列4缸引擎
如果是4缸的十字曲軸，曲軸配重可以互相抵銷；此外，無論曲軸轉到那邊，都有活塞處於「快速區」，因此可以減低很多二階力，讓曲軸的轉速維持，這就是YAMAHA CP4引擎所宣傳的，你感受到的震動大都是來自於燃燒震動，讓你更能掌握引擎的出力！
但從上圖可以看到，左邊活塞在上死點時，右邊活塞就在下死點，因此也是會產生前面說過的曲軸左右搖動，需要裝一支平衡軸來平衡掉。
完全平衡的直列6缸引擎
前面說過，直列3缸引擎不會產生任何垂直方向的震動，只會產生曲軸的左右搖動，那如果再裝一組3汽缸，讓引擎變成直列6缸引擎，就連曲軸搖動都可以抵銷了，無論一階力跟二階力都平衡掉了，讓直列6缸引擎成為完全平衡的引擎。
可以完全平衡的引擎，除了直列6缸引擎之外，還有水平對臥、V形8缸與V形12缸，其中直列6缸是體積偏小的，因此相當受到歡迎。
縮小體積的6缸引擎：V6引擎
直列6缸引擎的平衡性優良，動力也算是綿密，但就是引擎太長了一點，於是只好退而求其次，用上了V6架構，V6可以視為兩組直列3缸引擎組合在一起，常見的汽缸夾角為60度與90度。
V6還是會產生曲軸搖動的一階力震動，得掛平衡軸，而且因為夾角的關係，也沒辦法等間隔點火。
完全平衡的水平對臥引擎
完全平衡的V8引擎
要注意的是V8引擎也有分「平面曲軸」與「十字曲軸」兩種設計：
一般歐洲的V8引擎，如上圖的一代名機：Ferrari 458得獎無數的Tipo F136引擎，是使用平面曲軸，可以拉高轉速營造馬力，並有著高亢的引擎排氣聲浪。歐系只有少數引擎如AMG M156是使用十字曲軸。
而美國的V8引擎，除了近期福特野馬Shelby GT350與GT350R，多使用十字曲軸，是比較著重中低轉速扭力表現的設定，也會產生美式肌肉車獨特的低吼聲浪。
Bugatti Chiron Super Sport，於2021年創下量產車極速記錄：440km/h。
完全平衡的V12引擎
原本就是完全平衡的直列6缸引擎，把兩組湊在一起，就會產生一樣是完全平衡的V12引擎，這邊就不多做介紹了。
完全平衡的V16引擎
同理可證，把兩顆完全平衡的V8引擎湊在一起，就會產生一樣是完全平衡的W16引擎。W16引擎是目前市售汽車中汽缸最多、體積最大的引擎了，目前只有法國Bugatti車廠有使用，其高達7993c.c.的排氣量，輸出超過1500匹的驚人馬力，締造出許多極速紀錄。
我是個剛從高職汽車科畢業的學生，經過這三年的洗禮，我發現課本上的知識量其實還挺匱乏的，課本只有很籠統的介紹不同形式的引擎，大部分的焦點都在直列四缸的運作原理，學完之後才發現自己所知道的只不過是滄海一粟而已。最近我剛接觸到十字曲軸，想深入了解一下，結果發現這跟「一階震動、二階震動」有關，但我從來沒聽過這些名詞，網路上其他人的講解也很複雜抽象，今天突然發現了你的文章，文字精簡白化，示意圖很明確具體，還有給很多實際的車款例子做說明，讓我感覺好像撿到寶一樣XD
回覆刪除哦對，我在看的過程中發現了一個小地方好像不小心打錯了，在「二階力震動」那段的開頭，你假設曲軸的直徑是1，但你把曲軸的半徑也打成1了，半徑應該是0.5才對，怕有些人會看不懂所以提醒一下
還有「抵銷二階力震動：安裝平衡軸」那段，那兩支旋轉方向不同的平衡軸的轉速應該是曲軸轉速的兩倍才對吧？😯
刪除感謝您幫我找到錯誤
刪除這東西我也是找不到中文資料
找到的都是沒用的農場文
後來找英文、日文資料
搞好久才弄懂
再想辦法寫成白話文
不過對這內容有興趣的人很少
修車也完全用不到