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