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120°,法拉利們的V6解藥

路邊下棋老大爺都知道,汽油車的好日子過去了。一邊是電動車越賣越好,混動日漸主流。另一邊大排量被渦輪增壓取代,5.0變4.0T、3.0變2.0T,這種趨勢我們叫它downsizing。

於是,嶄新的法拉利296 GTB裝著一臺3.0T V6,成了這家義大利小客車製造廠有史以來第一輛V6跑車(Dino?後面再說)。

120°,法拉利們的V6解藥

120°,法拉利們的V6解藥

不需要很好的記憶力,頂尖超跑用V6,短短兩年就成了一股小趨勢:

  • 阿斯頓·馬丁開發新V6引擎TM01,用於旗艦超跑Valhalla(Valkyrie“廉價”版)。

120°,法拉利們的V6解藥

  • 瑪莎拉蒂搞出了3.0T V6引擎Nettuno,用於MC20超跑和下一代Gran Turismo。

120°,法拉利們的V6解藥

  • 邁凱倫不聲不響推出了混動跑車Artura,搭載的是一臺全新的3.0T V6引擎M630。

120°,法拉利們的V6解藥

再加上法拉利的V6新車296 GTB,四大品牌四款新車,都是V6、都是3.0T、都是雙渦輪。但如果再細心一點,你還會發現一個共同點:除了瑪莎使用較傳統的90°夾角,剩下三路神仙法拉利、阿斯頓·馬丁、邁凱倫,不約而同都選擇了更大的120°。

這是一個非常罕見的數字。市面上能見到的絕大多數V6發動機,氣缸夾角要麼是60°,要麼是90°;至於120°夾角V6,此前只出現在賽車領域。事實上,這三款短時間內集中問世的新V6引擎,是史上第一次120°夾角應用於民用跑車——並且一上來就從罕見變成了主流。

等時點火的奧秘

理論上講,120°才是V6引擎的最佳夾角。因為只有在V形成120°角時,V6才可以先天性地直接實現等時點火even-firing。

但之前從未有過民用車型使用120° V6,最主要的原因是體積限制:大夾角讓發動機寬度非常可觀,甚至接近水平對置發動機(卻沒有水平對置6缸的完美平衡性)。乘用車尤其是前置引擎車型很難接受,而可以犧牲空間/車寬的超級跑車又用不上V6。

於是大多數民用V6就退一步,將氣缸夾角縮小為60°或90°,讓發動機寬度更適應現實。至於點火時機,這些“現實版”V6有些乾脆不等時點火odd-firing,有些則是採用了特殊結構間接達成等時點火。

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所謂等時點火和不等時點火,顧名思義,意味著各個氣缸(V6就是6個氣缸)點火的間隔是相等的。如果把氣缸點火想象成音符,那麼等時點火是♪-♪-♪-♪-♪-♪-♪-♪……;不等時點火則是♪-♪♪-♪♪-♪♪-♪♪-♪♪-♪♪-♪……

點火間隔相等,意味著做功間隔也相等,引擎的動力釋放更加均勻、低速振動更平穩、機械衝擊也更平均。由於發動機聲浪來自氣缸燃燒,單次燃燒的時間間隔相等,等時點火引擎的聲浪通常更加綿密悠長;而非等時點火引擎的聲浪,在低轉速下會帶有快速變化節奏的粗糙感(二者並無優劣,僅特點不同)。

120°,法拉利們的V6解藥

一個典型的例子是雷克薩斯LFA。和V6的120°同理,V10實現等時點火的理想夾角是72°,而LFA搭載的1LR-GUE就是一臺72° V10引擎。等間隔點火讓LFA擁有了細緻而綿密的聲浪,與高轉速、諧振腔等獨特設計一道成就了天籟之音。

如果再延展一下,120° V6可以直接等時點火,V8引擎的這個角度則是90°,V10是72°,V12是60°——至於為什麼是這幾個數字我們後面說。

120°,法拉利們的V6解藥

紅色:正常曲柄和Split Crank,左邊是一臺非等時點火的90° V10

非120°夾角的V6引擎(包括非90°的V8、非72°的V10等等)要想實現等時點火,可以使用一種特別設計Split-pin Crank,我們權且叫它偏時曲柄。但Split Crank會讓發動機曲軸變得更復雜,於是也就更脆弱(同等重量)或者更重(同等強度)。而曲軸的強度和重量,又影響著引擎的轉速上限和動力極限。

所以對於普通家用車來講,如果對動力平順性、振動粗糙度有高要求,60°或90°夾角輔以Split Crank是可接受的;但對於賽車和高效能車,天然就是等時點火的120° V6,終究是更好的選擇。

為什麼是120°?

V6的120°、V8的90°、V10的72°、V12的60°……為什麼會是這些特定角度呢?

答案是:(等時點火的)最佳夾角=720°÷缸數。

我們知道,汽油機燃燒一次經歷四個衝程,曲軸旋轉了兩圈也就是360°×2=720°。用大白話講,單個氣缸每上下往復一次,下面的曲軸就旋轉一圈;氣缸往復兩次、曲軸轉兩圈(720°),才會有一次點火做功。

如果有6個氣缸,要讓它們等間隔地點火、做功,就要讓這6個氣缸的點火時機在曲軸轉過兩圈/720°的過程中均勻分佈。即曲軸每轉過720°/6=120°也就是1/3圈,就要有一個氣缸點火。這樣3個氣缸完成一次點火,曲軸轉完一圈;6個氣缸都點火一次,曲軸轉過兩圈,最早點火的氣缸正好開始完成四個衝程,進入下一輪點火,迴圈往復。

120°,法拉利們的V6解藥

如果這6個氣缸一字排開,即直列6缸。每個氣缸各自獨立連線發動機曲軸,那麼我們只需要讓它們各自的曲柄彼此之間偏轉120°。假如把1號氣缸曲柄角度定為0°,那麼6個氣缸角度分別為0°、120°、240°、360°(0°)、480°(120°)、600°(240°)。直列6缸不存在非等時點火的問題,天然就是等時點火併且完全自平衡。

120°,法拉利們的V6解藥

各個曲柄之間的夾角/偏轉是120°

如果是V6,情況就不同了。

V6一排有3個氣缸,曲軸上只有3個曲柄,左右每一對氣缸(下圖1-2、3-4、5-6)共用同一個曲柄。顯而易見的,3個曲柄必然要各自成120°夾角(一圈360°三等分),即每對氣缸與每對氣缸間(1-2與3-4與5-6)的旋轉差必然是120°。那麼要讓6個氣缸每120°點火一次,只能是左右氣缸之間(1與2、3與4、5與6)的旋轉差也為120°——即V字形的夾角是120°。

120°,法拉利們的V6解藥

注意編號並非點火順序,僅用做本段參考

於是,有且僅有V形夾角為120°的情況下,6個氣缸之間才能形成均勻的120°間隔,無需藉助Split Crank就可以直接實現等時點火。

120°,法拉利們的V6解藥

天生的超強心臟

除了等時點火帶來的直接優勢,以及無需Split Crank的間接優勢(曲軸更輕更強),比起夾角更小的90° V6和60° V6,120°夾角還讓發動機重心大大降低。甚至對比180°躺平的水平對置發動機,120° V6也具備一定重心高度優勢,因為後者無需像前者那樣抬高位置,以便在下方佈置進/排氣。

至於缺點,寬度增加是顯而易見的——這一點就將超跑、賽車以外的車型拒之門外。由於點火順序的關係,相比水平對置6缸機,120° V6無法像前者那樣做到全平衡,仍然需要設定平衡杆等措施。

120°,法拉利們的V6解藥

296 GTB的雙渦輪放在了V形夾角內

120°,法拉利們的V6解藥

瑪莎拉蒂的90° V6將渦輪放在了兩側

另外在今天這個渦輪時代,阿斯頓·馬丁、法拉利和邁凱倫又雙叒一次不約而同,將雙渦輪增壓器放在了V字形的120°大夾角內,即所謂“Hot-V”結構。散熱壓力最大的渦輪位於發動機上方,可以被後車身上方的高速氣流帶走,獲得了良好的散熱環境。

90° V6也可以Hot-V佈置,但因為夾角內空間更小,渦輪增壓器位置更高,相比120° V6不利於降低重心位置。以更小的重心代價實現Hot-V佈局,也算是120°大夾角的附帶優點之一。

120°,法拉利們的V6解藥

296 GTB車尾玻璃中的紅色面板是散熱風道

120°,法拉利們的V6解藥

邁凱倫Artura也有類似的設計

拜電動化和downsizing趨勢所賜,法拉利有史以來第一次在民用跑車上用V6。

也許會有人質疑,因為60年代的Dino就曾經用過V6。但嚴格來講,Dino系列作為“法拉利青春版”車系,一直“沒有資格”用上躍馬logo(只有末期的308/208 GT4例外,但它們已經是V8車型)。真正掛法拉利車標的V6、民用、量產車,在296 GTB之前為零。

120°,法拉利們的V6解藥

Dino系列有自己的車標

當頂級超跑製造商開始對V6引擎下如此多的功夫,你應該意識到V8、V12的時代,已經在事實層面上結束了。除去法拉利限量旗艦等極少數神物還可能保留V12,今後的歲月裡最後的內燃機之巔,將交班給這些不惜代價精雕細琢的120° V6。

分類: 汽車
時間: 2021-06-30

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