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好车为什么纷纷放弃V6,转投直列六缸?

2021-05-04 22:22:22


此时反观V6引擎,虽然用两台三缸发动机拼一台V6的引擎难度,甚至比拼一台直6更容易,毕竟连点火顺序都不需要怎么调整,但由于V6发动机具有两套正时系统,以及两个需要协同工作的曲轴连杆,因此在发动机的调校上,难度也会比直6发动机要高不少的,进而


关注车圈的朋友应该都发现了,从90年代就被V6取代的直6发动机,最近几年已经逐渐复苏,并大有在燃油机生命末期时代夺取主流的势头。除了忠实拥趸宝马外,奔驰也2017年 抛弃V6,转战了直6阵营。同时,广岛小厂马自达也在全力为下一代后驱马6研发着直6发动机。这不禁令人发问,直列六缸为何能重回主流?它究竟比V型六缸发动机强在哪呢?

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虽然V6和直6都属于六缸发动机,但事实上,直6在研发和制造成本方面都是要远低于V6的 ,具体优势体现在以下几个方面。


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众所周知,V6发动机最大的特征就是其使用了一个中间呈现出夹角的缸体,将6个气缸分为了两组不同朝向的气缸排列。因此,V6发动机就必须得配备两套缸盖才能满足各组气缸的正常运转。

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由于如今顶置凸轮轴发动机的每套缸盖都需要单独的进排气系统,这便意味着每 一台V6发动机都一定会付出两套进排气,共四根凸轮轴的成本,才能完成正常的配气工作。 不仅如此,由于V型发动机两侧缸体距离较远的关系,所以还得配备两套高压油轨以及包括高压包和点火线圈在内的点火系统。

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而在处理做功后产生的尾气时, V6发动机的两侧也同样需要分开处理,此时再考虑到 三元催化器只有在高温工况下才能完成尾气处理的特性,所以绝大多数V6发动机的三元催化器都得布置在靠近发动机的位置(如上图所示)。 这就意味着,发动机单侧每三个缸就必须要配备一套氧传感器+三元催化,一台V6发动机就需要两套氧传感器+三元催化才能实现与后续排气系统的连接。

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此时,反观如今厂商都在转向的直列六缸发动机, 由于六个气缸都处于一条直线的关系,所以它只需要使用一套配气和供油系统就可以完成工作。而在排气方面,直列六缸发动机则可以直接将六根排气歧管连接到一个三元催化上即可完成任务。

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综上所述可以发现,V6发动机要想正常运转所需的硬件成本是要明显大于直6的,同时V6发动机上多出来的零件, 也会很大程度影响到后期的修理、维护成本。所以无论对于厂家还是消费者来说,直列六缸都是更具性价比的选择。


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在说完制造成本后,下面我们来看看V6与直6之间的研发成本会差多少。目前,绝大部分汽车厂商都开始使用模块化的概念来制造发动机了,其中宝马作为 直列六缸发动机的忠实拥趸,更是在发动机模块化方面玩得出神入化。先造出一个0.5L的单缸,拼三个就是1.5T的三缸机。再加一个气缸,就能打造出2.0T的四缸机。而如果把两台三缸发动机的头、尾相接在一起,并改变曲轴和点火顺序的话,就可以直接做出一台直列的六缸发动机了。

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此时反观V6引擎,虽然用两台三缸发动机拼一台V6的引擎难度,甚至比拼一台直6更容易,毕竟连点火顺序都不需要怎么调整,但由于V6发动机具有两套正时系统,以及两个需要协同工作的曲轴连杆,因此在发动机的调校上,难度也会比直6发动机要高不少的,进而造成研发成本的水涨船高。


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熟悉改装的朋友都知道,发动机散热会在很大程度上影响一台车的动力表现。其中,发动机的进气温度是对动力影响最明显的。所以工程师在设计一台发动机时, 都会将温度较低的进气端与温度较高的排气端分开,并单独布置,从而避免进气受到排气高温的影响。

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宝马直6发动机
这对于直六发动机来说并不是难事,因为直六的 6个缸体都处于一条直线上,所以只需将进、排气系统分别布置在发动机两侧就行了。此时,中间的缸体便会扮演天然屏障的角色,能有效避免排气的高温影响到另一侧凉爽的进气端。此外,目前六缸发动机通常都会搭配的涡轮增压器,在直列六缸上也能一并安装在排气一侧,有效杜绝了超高温涡轮对进气温度的影响。

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V6进气示意图
此时反观V6发动机,虽然它的进、排气也会分别布置在发动机的前后,以便尽量利用缸体来阻隔热量交换。但由于大部分V6发动机都会将涡轮布置在V型发动机的中间顶部位置,也就是窝在V型夹角的中间,因此 排气的高温与涡轮所产生的热量都会堆积在缸体夹角内的小空间里,不像热量分布合理的 直列六缸引擎,能高效地将热量 在引擎舱内散开。

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可以预见的是,V6发动机如此高的环境温度必然会提升经过涡轮加压的进气温度。那为了保证进入发动机的气体温度凉爽,从而提高进气的氧含量,所以此时就需要为发动机装上更大尺寸 的中冷器来降低进气温度。不过,大号的中冷器势必会引发制造成本的升高,并且还会带来 额外的重量,最终 拖累到引擎的动力。所以相比起直列六缸引擎来说,V6引擎在散热方面也是需要花费更多成本的。


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实际上,制造成本低仅仅是直列六缸发动机的入门级优点 ,因为直列六缸相比V型六缸的绝对优势,其实是直6发动机 无可比拟的、仅次于V12引擎的运转平顺度。


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要想明白直列六缸引擎为什么平顺,咱们首先得搞清楚发动机的震动是怎么来的。对于一台合格的发动机来说,震动主要源自两点:一个是活塞上下运动时所产生的震动,被称为 发动机一阶振动;另外一个则是曲轴旋转时所产生的震动,被称为二阶振动。


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其中,由活塞上下运动所产生的一阶振动其实是很容易解决的。因为当一个活塞向下运动时,只需有另外一个活塞进行反方向的向上运动,便可以将这两个活塞运动时所产生的震动相抵消。由此也可以得出 ,只要发动机的缸数为 双数,且活塞互相呈相反方向运动,便可以有效避免一阶振动的影响。

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不过,由曲轴产生的二阶振动就比较难以避免了。二阶震动之所以会产生,是因为发动机使用的活塞曲轴连杆结构,天生就具有一个特性,即曲轴每个阶段所旋转的角度,与活塞上下运动的距离,并不是时刻等比例的。简单来说就是,在一个冲程内,曲轴进行180 °旋转的过程中,前90 ° 旋转所对应的活塞上下移动距离,与后 90°旋转所对应的活塞上下移动距离,并不相等。

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其中,根据物理学原理,活塞在缸体上半部分的运动速度,是要明显快于活塞在下半部分缸体的运动速度的。所以在实际中,曲轴(上图蓝色部件)从任何一个冲程的起始位置,比如吸气、做功冲程的12点位置(如上图左侧12:00位置),曲轴经过90°旋转运行到3点位置;或是压缩、排气冲程起始的6点,经过曲轴90°旋转运行到9点位置,活塞都会处于缸体更靠下的位置。 而正是这种活塞上下运转时,加速度的不对称性,最终引发了发动机的二阶震动。

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所以,要想彻底杜绝二阶震动,就需要像三缸发动机一样,将每个缸的做功间隔定为曲轴连杆旋转120 °(如上图“1缸缸内视角”中蓝色柱形代表的3 个缸的曲轴连杆的相对位置)。当发动机运转,1号缸的曲轴连杆在经历从上图12点钟位置到 4点半位置的过程中(上图左侧绿色扇形),活塞会同期经历一个从顶点开始向下运动至气缸下半部的过程(如上图右侧“1缸整体视角”所示)。那根据我们上面所说的,活塞在气缸上半部运行较快的定律,所以此时活塞在气缸内的运动速度将呈现出一个从快到慢的趋势。

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巧的是,此时3号缸的曲轴连杆会在同时期经历一个从7点半位置运行到12点的过程 (上图左侧绿色扇形) ,是一个活塞从气缸下半部运转至顶点的过程(如 上图右侧“3缸整体视角”所示 ),会呈现出一个从慢到快的过程。而这个从慢到快的加速度,便正好能与1号缸从快到慢的加速度相抵消。从而消除1号缸和3号缸的二阶震动。

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可能会有朋友问了:“那2号缸的二阶震动将由谁来抵消呢?”事实上,2号缸并不需要抵消二阶震动。因为如上图所示(左侧绿色扇形),2号缸曲轴连杆在同时期是从4点半位置运行至7点半位置的,是一个活塞从气缸下半部开始向下运动(如 上图右侧“2缸整体视角”所示 ),触底反弹,并上升至活塞下半部,还没来得及到上半部的过程,是一个从慢到慢的过程。在这个过程中,虽然加速度的方向会产生变化,但由于加速度没变,所以并不会产生二阶震动。

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而我们讨论的V型六缸发动机,虽然是由两台三缸发动机通过一定角度组成的,但由于V6发动机的曲轴并没有采用等分360°的布置方式,因此还是会产生二阶震动。也就是说,当其中一个活塞运动时,其产生的加速度是无法被其他活塞的加速度所抵消的。

既然V6发动机无法抵消二阶震动,那直六发动机为何就能解决二阶震动的问题呢?继续往下看。


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虽然直列六缸发动机同样可以看作是两台三缸机在共同工作,但与V6发动机不同的是,直列六缸发动机是由两台三缸发动机镜像组成的。因此在运转过程中,直六发动机的左、右各三个气缸,1-6缸、2-5缸、3-4缸,也分别都是两两镜像运转的。所以直六发动机便会像三缸发动机一样不存在二阶震动的情况。同时,6缸作为偶数缸,自然也不会存在一阶震动。因此,直六引擎便拥有了自平衡的功能,这也是V6引擎所不具备的。


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虽然直列六缸发动机有着自平衡、造价低的优点。但它的缺点也十分明显,其中最主要的问题就是发动机过长。由于 直6 的六个缸体是一字排开的,所以相比起V6来说,直六引擎的长度会长出很多,整体长度甚至 只比V12引擎略短,这显然会对于机舱内的纵向空间提出很高要求。

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同时,由于大排量直列六缸发动机本身就过长,再加上变速箱的体积越来越大, 所以如今直列六缸发动机已经无法在机舱内进行横置了。这就导致,如果横置平台的车型想搭载六缸发动机,那最终就只能选择长度与 直列四缸机接近的V6发动机了。


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除了体积外,直列六缸发动机的高度也会高于V6发动机,因此搭载 直6发动机车型的重心高度,通常是要高于 V6车型的。此时,如果V6发动机采用的是60°夹角,那么它将会比直列六缸发动机低 14%左右,大概5-8cm。而如果V6发动机采用的是重心更低的90°夹角,那么它将会比直列六缸机低30%左右,也就是10-15cm。

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因此,对于讲求操控性的车型来说,V6发动机显然是更好的选择。而使用直列六缸机的性能车,就需要想办法从其他部位降低车辆重心了, 比如像宝马M3一样采用碳纤维车顶。


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随着时代的发展,发动机的缸数也出现了较大的变化。曾经“不可一世”的V8发动机,开始逐渐被拥有更低油耗,更加环保的V6引擎所取代,像是 福特F150猛禽、全新一代陆巡、奥迪RS4等车型都从曾经的8缸降为了6缸。

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同时,得益于汽车体积不断膨胀的关系,直列六缸尺寸过大的缺点已经不像当初那么 致命了。这时直列六缸造价更低、保养更便宜,以及运转更平顺的优点便会被无限放大。所以像是奔驰、路虎这样的豪华品牌,也纷纷走上了用直6替换V6的道路。如此一来,V6引擎的高端地位便呈现出了明显的衰落迹象,毕竟只有尊贵的后驱车,才有足够长的机舱空间容纳下同样尊贵的直列六缸引擎!

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