編輯觀點│剽悍與純粹的動力傳遞,論V4引擎的特色

TC

2019/02/15

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2019/02/15

先前有提到各種引擎的魅力所在與淺談了點優劣勢,但這其中,不同的引擎體系都各自大有玄機,並且,每個細節都值得我們聊上一整晚都說不完,基於私心,在眾多引擎配置當中,V型四缸這個可以說是充滿速度與激情的組合最為人所津津樂道。

為此,我們在去年也曾經為各位帶來過每一種引擎的特色小品,其中也包含了V4引擎的專題介紹,這裡是延伸閱讀。

迷人的動力心臟│V4的美豔與火辣

在 Andrew Stroud於2015年發表的Blog中,論及到了一些關於近代V4引擎為何得以成為賽事中的首選,以及其魅力所在的觀點,非常有趣!但在這幾年中,MotoGP或是WSBK等頂級賽事,在賽道裡用上V4引擎的數量也日趨增加,當V4引擎曾經下凡輝煌過,時隔多年,再度的協同最新的科技力量回歸日、歐系市售車時,卻挑在燃油發動機欲吹響熄燈號的21世紀初,我們知道,現在是最壞,也是最美好的年代。


一、序章

V4引擎被譽為追尋「動力純度」的最佳對策

V4曾被譽為最完美的摩托車引擎佈局,其中包含了車體動態靈活性、動力的平滑性以及輸出馬力的損耗最小化,也就是所謂追尋「動力純度」的最佳對策。

也因此,V4的發動機配置是目前頂級賽事用車裡面普遍被認為最理想的,目前諸如HONDA RC213V、DUCATI Desmosedici GP19、KTM RC16以及APRILIA RS-GP等賽車都是使用V4引擎作為動力單元。而另外YAMAHA與SUZUKI雖然維持著緊湊的並列四缸(Inline 4)的佈局,但兩者也同樣使用了十字曲軸來製造近似於V4的點火序列,為何V4引擎如此特殊,甚至連本格派的並列四缸引擎製造商,也必須得耗資鉅額的開發成本來達到近似這種引擎的特性?


二、慣性力矩效應

V4的特性就是有效減少慣性力矩

正確一點的說,其實是缺乏慣性力矩效應而讓V型引擎可以如此的特別。以傳統的平面曲軸搭配並列四缸引擎的佈局而言,慣性力矩是活塞運動中的副產品。

在正常的並列四缸引擎當中,最外部的兩組活塞向上移動而內部兩組活塞則向下,反之亦然。所以,引擎內的四組活塞不是同時加速,同時減速不然就是同時處於靜止狀態。

平面曲軸與十字曲軸比較

活塞具有質量,因此有動量。當汽缸內部處於停止狀態時,此時的動量為零,當這種能量一旦被傳遞到曲軸,曲軸便會逐漸加速。當活塞在每次的衝程開始時都從靜止開始加速,則有部分的曲軸動能會被傳遞回活塞。這種能量傳遞會引起曲軸轉速的波動,形成活塞與曲軸之間的力矩傳遞的脈動。對於車輛騎乘者而言,這種能量傳遞所造成的脈動也就會形成所謂引擎的「背景噪音」之外,同時也干擾節氣門、引擎與後輪之間扭力燃燒的傳遞通道。

DUCATI V4的曲軸

在V型引擎當中,當一個活塞處於靜止狀態時,另一個活塞則處於其最大速度(因為活塞都在同一點處連接到曲軸上),因此這種活塞作動運動也抵銷了多數的慣性力矩(不可能全數力矩都被抵銷,因為曲軸還是會因為受力而有些微形變),這一點,如果將Inline 4引擎的曲柄銷之間更改為90度的十字平面曲柄,也就是所謂的十字曲軸(Crossplane Crankshaft),藉由設計的不同來達到與V4引擎運動特性異曲同工之妙。如果要談到十字曲軸,那就會需要談到主要以及次要慣性力兩個方面去細說,我們這邊簡而言之的談,之所以說十字曲軸的設計得以「仿效」V4引擎特性的原因,就在於十字曲軸的物理原理直接改變了點火序列來抵銷了多數的慣性力矩,讓引擎運轉達到最平順的狀態,所以,新的點火順序為 1-3-2-4 ,十字曲軸的點火間隔為270度、180度、90度、180度。而傳統平面曲軸的點火間隔則均為180 度,這也是為什麼所謂「十字曲軸」被稱為「不等間隔點火」的主因。

十字曲軸源於YAMAHA的MotoGP賽事機器YZR-M1的科技技術

另外在傳統的並列四缸引擎(也就是所謂的Screamer式引擎,與另一種被稱為Big Bang式引擎不同,差別在於在一定的頻率內所發生的爆炸方式差異。)佈局當中,都配有驅動橡膠墊片,來防止在高轉速運行時造成傳動系統的快速耗損,但這組墊片卻有礙於駕駛者對車輛的直接感受。這麼說好了,兩個短跑選手在比賽,一個穿著短跑釘鞋,一個穿著橡膠大底,當他們把強大的力量從腿上釋放時,哪一位選手可以更直接地感覺到跑道表面?

如果你曾騎過V-Twin引擎、Boxer Twin(水平對臥雙缸)、V4以及配有十字曲軸的YAMAHA YZF-R1,你會注意到這些車款的出力個性並不若一般的並列四缸引擎那樣的絲柔滑順,這些以接近零慣性力矩的引擎佈局所打造的車款,在出力時更加純粹而奔放,這些引擎配置更清楚地將能量傳到後輪,並且給駕駛者更多的資訊回饋,在使用油門的開度拿捏時也可以更有信心。

稍微攤開目前我們僅可遠觀而不可褻玩的頂級賽車,RC213V、Desmosedici、YZR-M1、GSX-RR、RC16以及RS-GP等,你會發現目前V4引擎以及非平面曲軸引擎不斷的在賽道上,向全世界展示所謂主流引擎科技的實力。


三、不等間隔的點火序列

剛剛提到的V-Twin、水平對臥雙缸、V4以及配有十字曲軸的Inline 4,似乎這種佈局造就了駕駛者能夠更好的感受車輛的回饋,如上章所述,這之中在慣性力矩方面起了作用,另一方面,點火序列是否也會影響呢?

V4引擎擁有特別的點火序列

以90度V型雙缸為例,點火序列有270度與450度兩個延遲,因為兩個汽缸在同一個點上連接到曲軸,第一缸點火,第二缸則在後270度點火,(序列中1代表點火點,0則無。)再來,轉450度之後再次點火,也就是說點火序列為

(1- 0-0 -1- 0-0-0-0 -1- 0-0 -1- 0-0-0-0 -1- 0-0 -1- 0-0 -0-0 - )

你可以看到在第二次與第一次的汽缸點火序列中間,V-Twin會產生較大的動力空窗帶。

而在Screamer Inline 4直列四缸引擎身上時,因為點火角度固定,輪胎在第二次與第一次汽缸點火中間並不會產生間隔較大的動力空窗帶,因為直列四缸的點火序列為下

(1-0-1-0-1-0-1-0-1-0-1-0-1-0-1-0-1-0-1-0-1-0-1- 0-)

至於V4引擎,拿HONDA VFR800的引擎為例,不等點火序列角度為180-90-180-270,所以點火順序會變成

(1-0-1-1-0-1- 0-0 -1-0-1-1-0-1- 0-0-1-0-1-1-0-1- 0-0 - )

而至於其他點火序列較為特殊的V4便是DUCATI最新力作Desmosedici Stradale V4,點火順序為非常特別的0-90-290-380的佈局設定,而APRILIA的65度夾角V4引擎則是180-115-180-245的點火角度,相當特別。

再來,輪胎是具有彈性的,在橡膠抓住地面並且在接觸面之上施加力量的方式,即是論胎在與路面接觸的水平上進行的運動,而在路面上進行一定的移動量。

有一理論認為,如果輪胎與均衡的點火序列相互配合,則在輪胎運轉工作時,就不會受到影響而產生間歇性停擺而喪失抓地力,所以輪胎可以保持一定的力量牢牢抓住地面。靜摩擦力要比動摩擦力大得多,利用牽引力和輪胎旋轉,將會更容易保持輪胎在持續旋轉的狀態。如果你曾經在低抓地力的狀況之下走行,你會很希望輪胎旋轉回到正常的抓地力狀態,而不是突然鎖死在路上,一般來說電控能夠反應的速度要比人快上許多,在這個部分也可以應用電控來提供更快速的輔助。

但V4與V-Twin引擎在點火序列上給了後輪間歇性休息的空間,但我們很難去證明這種不對等點火間距是否真的對於輪胎抓地力有決定性的影響,但從理論上談,如果有人可以製造出具有常規等距點火但慣性力矩為零的四缸引擎,則可以直接與標準的平面曲柄的Inline 4引擎進行比較。

基於物理,目前實在很難實現具有零慣性力矩的Flat-Crank曲軸設計

因為90度V4基本上是由兩座90度V-Twin引擎組合而成,每對汽缸共用相同的曲柄銷,並且它們是180度的平面曲柄,且不同步。

90度V型引擎中使用的平面曲柄(包含FERRARI其他製造商使用的V8引擎均同)具有與直列四缸引擎裡的十字曲軸相同的零慣性力矩的特性。

為了證明V4為兩具V-Twin引擎組合而成,我們可以在上面抓兩條V-Twin的點火序列並將他們疊加180度,則得:

     1 -0-0- 1 -0-0-0-0- 1 -0-0- 1 -0-0-0-0-

 +)       1 -0-0- 1 -0-0-0-0- 1 -0-0- 1 -0-0-

   _______________________________

=   1 -O - 1 - 1 - O - 1 -0-0- 1 -O - 1 - 1 - 0 - 1 -0-0-

發現了嗎?得出的正是方才HONDA VFR800的V4引擎點火序列。

簡而言之,在慣性力矩與不等間隔點火這兩個項目中,零慣性力矩對於改進驅動能力扮演著舉足輕重的角色。


四、小汽缸榨出大馬力

越小的活塞能夠做動的速度就越快。

對於活塞輕量化的幅度,在市售車上能做到的絕對是有限的。畢竟市售車的製造銷售成本與材料都在有限度的範圍之內,且並不若MotoGP那般可以不停的砸重本作開發,所以在沒有超過整體考量之前,以現有的資源就必須要做到最足夠的靈活性與最低的力矩。各大車廠無一不為這件事情做努力,而VTec這個技術,便是改善此一問題的策略:可變的進氣岐管,排氣閥門、雙噴射器、減少摩擦係數並且使用更輕的曲軸。引擎在給定的容量下汽缸數越多,活塞的重量就越小,加速與減速的速度就會越快。由於動力是扭矩x轉速,活塞越輕就能夠創造更高轉速的引擎,動力也就越大,扭矩決定爆炸的大小,功率則是決定爆炸的速度。

車廠必須要透過一些技巧來減少引擎內部的摩擦,從而實現更有效率的動力輸出,方法有改善潤滑系統、閥門齒輪的設計,並使氣體更容易流動,更小的活塞可以更快的作動,所以動力也會更高。V-Twin的生產成本當然比V4要來的低,因為汽缸數只有一半。因此,如果你希望一具V-Twin引擎可以與V4相匹敵,那你勢必要花一些重本在這之上。

相較於V4與Inline 4,V-Twin的活塞體積較大,出力也較不綿密

在WSBK中,使用V-Twin引擎的賽車可以額外增加200c.c.的排量優惠,使這些雙缸引擎得以與場上其他形式的四缸引擎保持一致的動力實力。(但DUCATI曾持續抱怨他們不得不超支預算來保持他們的競爭力。)目前以最新的Panigale V4 R參戰的DUCATI,即便初型版本(就是現在的V4S)為超過1000c.c.的排量設定,但為了賽事需要,依然推出了R版999c.c.來符合規範。


五、所謂靈活

對於運動車款而言,靈活度是必要考量

對於引擎我們總會希望看到的,是一具靈活不笨重的精緻機械,並且在全轉速域中都具有不錯的功率輸出。雖然令人感到興奮的是Screamer並列四缸引擎在道路與賽道上都具有相當不錯的表現,但引擎輸出越靈活,騎士就可以越迅速的轉動油門並且更快地把車拉出彎道,將所有動力都放在高轉速域的引擎相對的在低轉速域的表現就會顯的掙扎。

V-Twin引擎對於沒有接觸過的人,都會認為是所謂靈活的引擎。V-Twin對摩托車而言跟汽車上的渦輪增壓引擎有著相同效果。在全轉速域中都能產生大量的動力,這是因為汽缸大,爆炸大,扭力也大。

V4的不等間隔點火序列又有點打破了這種絲滑平順的感受,在低轉品質略顯粗糙

以拳擊手來做比方,重量級的拳擊手配戴更大的拳擊手套,但每秒鐘他無法揮出太多拳,而羽量級拳擊手則是可以在短時間內大量且快速的進行刺擊(對,大概就像間柴使出的閃電刺拳那種概念。),百萬噸重拳當然可以打出很大的力量,當然也有可能一拳把你轟倒在地。這就類似V-Twin的特性,更大的活塞往往就會具有更多的固有震動,而四缸引擎擁有較小的活塞相對而言震動便較小,但平平是四缸,V4的不等間隔點火序列又有點打破了這種絲滑平順的感受,因為增加了自體的不平衡,所以在3000轉以下的低轉速域時,引擎給力的方式就會略顯粗糙,甚至是帶點「塊狀」式的出力。


六、心臟大小決定很多事

為了要塞進縱向較長的V4引擎,車體結構也需要通盤考量

V-Twin形式的引擎佈局無疑的是一種狹窄緊湊的形式。兩個活塞共用一個相同的曲柄銷,且該引擎佈局容許偏移,所以通常你看到的V-Twin引擎車款都可以做得很纖細狹窄,並列三缸明顯比同等並列四缸來的窄,但如果是以V4引擎來比較的話,V4引擎甚至可能可以比並列三缸來的更窄。

因此,V4引擎提供了你一個精緻小巧卻猛爆驚人的優秀心臟,雖然在橫向空間上具有狹窄優勢,但是在縱向的部分卻較並列四缸引擎佈局來的冗長,且需要移動車體零件的位置,特別騰出空間來安置這顆引擎。另外可惜的是,V4的建造成本相當高昂,因此在市售車的部分只有資金雄厚的車廠(如HONDA或是APRILIA)才有辦法解決這個問題。

V4的建造成本相當高昂

運動性高的車款可以很順理成章地處理短軸距,並且透過加長一些的搖臂來調整大功率的輸出問題,在前半部的散熱器與引擎後方的震動通常會移動其他硬體來適應安置縱向距離較長的V4引擎,除此之外,也有些車廠利用減少引擎夾角來讓引擎本體縮小的目的,如APRILIA RSV4那具特別的65度夾角V4引擎,但這種解決方案並無法減少引擎運轉的負擔,且因為V4先天的造型因素,後缸的散熱問題始終都是暴力美學下的致命傷。

HONDA的VFR800與VTR1000則是改使用側向安裝的散熱器,這樣一來引擎可以在更往前挪動,可以在前叉上實現更理想的重量分配。而SUZUKI的TL1000S則採用了旋轉式減震器,但結果是還滿悲劇的。


七、自然而然的天籟

V缸引擎的聲音,愛車人無一不愛

Inline 4的綿密的運轉聲很美,就如同一盅Bordeaux葡萄酒那般的絲綢滑順又討喜,但始終沒有太多的個性,這種說法當然人各有志。但如果以賽事的配置角度而論,如果能有更加出色的引擎則能夠使人更加來勁。SUZUKI GSX-R1000與HONDA CBR1000RR Fireblade這樣的公升級旗艦跑車當然是非常令人喜愛的,運轉品質優秀之外也非常的好上手,速度也不差。但如果你正在找尋一些與眾不同時,V4或是十字曲軸的Inline 4引擎也許可以引起你的興致,這兩組引擎與生俱來的聲音就像是迷你的V8,在引擎聲浪的部分V4與十字曲軸的Inline 4是無懈可擊的,V4就像傳統的暴力V8那般的佈局,實際上也是相同的原理。


八、未來發展

要普及V4或是V-Twin也許有困難,但以接近作動原理打造的十字曲軸引擎有可能下放嗎?

YAMAHA在量產型車種當中率先使用了十字曲軸的引擎配置,而在賽道上也成功的證明過這種佈局的確是有效且具有持續競爭力的扎實基礎。而這種技術當然也會被其他製造商給注意,在今天車廠的財務實力不及PIAGGIO(APRILIA的母集團)或是HONDA,則可以選擇使用本格派的Inline 4並列四缸引擎再搭配曲軸設計來產生與V4相抗衡的實力,而不須太過考慮到複雜且昂貴的設計與引擎裝配的問題。

2015年GSX-RR代表著SUZUKI最高級別的賽車參戰MotoGP,也同樣裝備著十字曲軸的Inline 4引擎,也許不久之後可以看到SUZUKI也能將這種技術下放到GSX-R1000身上。

V4的設計問題與造價不斐,是讓這種引擎佈局在目前的市售車市場中無法開枝散葉的主因,但撇開單一形式,以V4的優點為目標所使用的十字曲軸Inline 4引擎能否從目前的公升級再往下至600c.c.的運動車款,值得我們觀察。

TC

2019/02/15

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