天平的两端——水平对置发动机技术解析

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  中学物理实验课上，老师都会教学生怎么样去使用天平测量物体的质量，天平的两端达到平衡后即可得出相应的测量结果。事实上，平衡作为一种相对和谐、对称的美，无论是在建筑规划设计方面，还是在机械制造领域，人们都在力图使最终的产品达到一种完美的平衡效果。在相对复杂的发动机制造领域，工程师们也设计出了一种左右对称的水平对置发动机。这种发动机的气缸呈水平对置的方式排列，活塞在水平方向上进行往复运动，因此，水平对置发动机在构造上更容易达到整体平衡。目前，保时捷和斯巴鲁两家公司都分别在各自旗下的车型上装备了水平对置发动机。接下来，我们就结合水平对置发动机的结构特点和技术优势，以上述两家公司的水平对置发动机为例进行介绍。

  发动机作为汽车的动力单元，能够为车辆行进提供源源不断的动力，使汽车以一定的速度抵达我们想去的目的地。虽然汽车的外表大都是一副车身加上4个轮子的传统造型，但是这并不意味着汽车的“心脏”也同样采用了一成不变的结构。发动机按照气缸的排列方式划分，可大致分为直列发动机、V型发动机和水平对置发动机。下面，我们就先来简单认识一下这3种不同排列方式的发动机。W型发动机由于使用范围较窄在这里就不做详细阐述了。

  直列发动机，顾名思义，就是发动机的气缸呈直线方式排列。受制于发动机舱的宽度，直列发动机的长度通常都较短，气缸数也较少，因此，这种排列方式比较适用于中小排量的发动机。由于采用了直线形的气缸排列方式，直列发动机具有结构紧密相连、体积小、质量轻、稳定性高的特点，是目前应用最为广泛的一种发动机。目前，很常见的直列发动机包括直列4缸和直列6缸发动机，直列5缸发动机虽然在个别车型上仍在使用，但是由于5气缸的“特殊”结构存在比较难解决的平衡问题，会造成发动机不规则的振动，因此已经不适合大范围地装备在现代汽车上。

  把发动机的气缸分成两组，将相邻的两个气缸以一定的夹角布置在一起，使两组气缸形成一个有固定夹角的平面，从发动机的剖视图看，两组气缸呈“V”字形排列，这就是V型发动机带给我们的视觉特效。V型发动机的“V”字形气缸排列方式能够有效缩小发动机的高度和长度尺寸，使结构更紧凑，从而能够适当地增加气缸的数量，因此，这种排列方式多用于较大排量的发动机上。而且，由于V型发动机采用了特殊的结构及形式，两组气缸以一定的夹角呈对向方式排列，还可以抵消一部分的发动机振动，来提升驾驶舒适性。目前，很常见的V型发动机包括V6和V8发动机，V6发动机的气缸夹角一般为60°或90°，V8发动机的气缸夹角一般为90°。V10和V12发动机由于结构更复杂，体积更加庞大，目前只在个别高性能跑车及SUV车型上实现了应用。

  如果将直列发动机看成是夹角为0°的V型发动机，那么当两组气缸的夹角扩大为180°时，就构成了我们今天的主角——水平对置发动机。水平对置发动机通常也被称为B型发动机，如B6、B4，分别代表水平对置6缸和4缸发动机。B是英文单词“Boxer”（意为“拳击手”）的第一个字母。由于水平对置发动机的气缸呈水平相对的方式排列，活塞在水平方向上进行往复运动，就像是拳击手在出拳搏击一样，B型发动机也因此而得名。水平对置发动机的相邻两个气缸水平相对，可以很容易地相互抵消发动机在水平方向上的振动，使发动机运转更平稳。而且，水平对置发动机的重心也比直列发动机和V型发动机要低，以此来降低了整车的重心，增强了车辆的行驶稳定性。不过，由于水平对置发动机对发动机制造工艺和零部件装配精度的要求比较高，而且维修保养难度较大，因此，目前只有保时捷和斯巴鲁两家汽车厂商在使用水平对置发动机。

  在常人眼中，斯巴鲁一直是一个个性张扬、特征鲜明的汽车品牌。作为高性能运动车型领域的杰出代表，斯巴鲁似乎天生就与运动激情和驾驶乐趣结下了不解之缘，世界汽车拉力锦标赛（WRC）的辉煌战绩充分印证了流淌在斯巴鲁车型血液中纯正的运动基因。帮助斯巴鲁在赛车界扬名立万的“利器”正是水平对置发动机和左右对称全时四轮驱动系统这两项在斯巴鲁的技术武库中最具有“杀伤力”的核心技术，而水平对置发动机又是左右对称全时四轮驱动系统发挥作用的基础和动力源。

  水平对置发动机作为斯巴鲁的两大核心技术之一，其活塞平均分布在曲轴两侧，在水平方向上进行往复运动。值得一提的是，所谓的水平对置发动机，其实并不是相邻的两个气缸完全“面对面”正向排列，而是会相互错开一定的角度，是因为相邻的两个活塞上与活塞相连的连杆机构不可能装配在曲轴的同一位置上，这也直接引发相邻两个气缸的活塞中心并不在同一条直线上。即便如此，活塞在水平方向上做往复运动的平衡性依然良好，两侧活塞所产生的往复惯性力及其力矩能够相互抵消，从而不需要采用专门的平衡机构，有助于发动机转速的提升和动力性能的提高，并且在很大程度上降低了发动机的振动和噪音水平，提高了车辆行驶的舒适性和静音性。此外，气缸呈水平对置的方式排列还能够大幅度的降低发动机的高度，带来的直接优点就是降低了整车的重心，从而增强了车辆的行驶稳定性。不过，独特的设计在为水平对置发动机带来众多技术优势的同时，也为其普及推广带来了一定的坏因。由于水平对置发动机对发动机零部件，尤其是缸体、活塞的制造工艺和装配精度要求相当严格，所以水平对置发动机的制造成本相比直列发动机和V型发动机要高出许多，因此，采用水平对置发动机的车型价格往往较同级别、同排量的车型高出不少。

  目前，斯巴鲁已经研发出水平对置4缸和6缸两款水平对置发动机，并且在旗下力狮、翼豹、森林人、驰鹏和傲虎等多款车型上得以采用。此外，斯巴鲁还将涡轮增压技术完美地融入到水平对置发动机上，不仅实现了这两项尖端科技最优化的匹配，且能达到更加强劲的动力输出效果。不仅如此，斯巴鲁还将水平对置发动机技术成功应用于柴油发动机领域，实现了此项技术更广泛的应用和推广。

  提起保时捷的大名，相信我们大家都不会感到陌生，这个鼎鼎大名的高端豪华汽车品牌以开发、生产豪华跑车和高性能运动型SUV而名扬四海，保时捷豪华、高档、运动的品牌形象也早已深入人心。一直以来，人们记住了保时捷911、Cayman、Boxster和卡宴Cayenne等众多保时捷经典车型，却似乎忽略了保时捷也是使用水平对置发动机技术的“高手”这个事实。要知道，凭借高性能水平对置发动机出色的动力性能，保时捷曾经多次在世界著名的勒芒24小时耐力赛上夺得冠军。

  保时捷水平对置发动机与斯巴鲁水平对置发动机在发动机构造和原理方面并没有太大的差别，并且也都具有水平对置发动机所特有的结构特点和技术优势。两者之间唯一的区别只在于水平对置发动机在车辆上的安装的地方，斯巴鲁旗下的车型全部都采用了发动机前置的布置型式，而保时捷则采用了将水平对置发动机布置在车辆中部或后部的发动机布置型式。两家汽车厂商虽然都采用了具有相同气缸排列方式的发动机，但是不同的发动机安装的地方却充分反映出两家公司在车型设计方面的两种风格迥异的设计思想，斯巴鲁更多地注重于车辆的行驶稳定性和舒适性，而保时捷则侧重于通过发动机中置或后置的布置型式将车辆的操控性能发挥到极致，从而带来无与伦比的操控感觉和驾驶乐趣。此外，两种不同的发动机布置型式还能够收到不同的车辆平衡效果。发动机中置的结构布局使车辆的重心集中在车辆的中部，明显更加有助于整车达到平衡，而不是像发动机前置那样，车辆的重心偏向于发动机舱。

  目前，保时捷已经在911Carrera和CaymanS等多款车型上装备了水平对置发动机。其中，保时捷911Carrera车型采用了发动机后置后轮驱动的型式，CaymanS车型则采用了发动机中置后轮驱动的型式。