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120°,法拉利们的V6解药

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发表于 2021-6-30 19:00:04 | 显示全部楼层 |阅读模式

路边下棋老大爷都知道,汽油车的好日子过去了。一边是电动车越卖越好,混动日渐主流。另一边大排量被涡轮增压取代,5.0变4.0T、3.0变2.0T,这种趋势我们叫它downsizing。


于是,崭新的法拉利296 GTB装着一台3.0T V6,成了这家意大利小客车制造厂有史以来第一辆V6跑车(Dino?后面再说)。










不需要很好的记忆力,顶尖超跑用V6,短短两年就成了一股小趋势:


  • 阿斯顿·马丁开发新V6引擎TM01,用于旗舰超跑Valhalla(Valkyrie“廉价”版)。









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









  • 迈凯伦不声不响推出了混动跑车Artura,搭载的是一台全新的3.0T V6引擎M630。







再加上法拉利的V6新车296 GTB,四大品牌四款新车,都是V6、都是3.0T、都是双涡轮。但如果再细心一点,你还会发现一个共同点:除了玛莎使用较传统的90°夹角,剩下三路神仙法拉利、阿斯顿·马丁、迈凯伦,不约而同都选择了更大的120°。


这是一个非常罕见的数字。市面上能见到的绝大多数V6发动机,气缸夹角要么是60°,要么是90°;至于120°夹角V6,此前只出现在赛车领域。事实上,这三款短时间内集中问世的新V6引擎,是史上第一次120°夹角应用于民用跑车——并且一上来就从罕见变成了主流。





等时点火的奥秘





理论上讲,120°才是V6引擎的最佳夹角。因为只有在V形成120°角时,V6才可以先天性地直接实现等时点火even-firing。


但之前从未有过民用车型使用120° V6,最主要的原因是体积限制:大夹角让发动机宽度非常可观,甚至接近水平对置发动机(却没有水平对置6缸的完美平衡性)。乘用车尤其是前置引擎车型很难接受,而可以牺牲空间/车宽的超级跑车又用不上V6。


于是大多数民用V6就退一步,将气缸夹角缩小为60°或90°,让发动机宽度更适应现实。至于点火时机,这些“现实版”V6有些干脆不等时点火odd-firing,有些则是采用了特殊结构间接达成等时点火。








所谓等时点火和不等时点火,顾名思义,意味着各个气缸(V6就是6个气缸)点火的间隔是相等的。如果把气缸点火想象成音符,那么等时点火是-------……;不等时点火则是-------……


点火间隔相等,意味着做功间隔也相等,引擎的动力释放更加均匀、低速振动更平稳、机械冲击也更平均。由于发动机声浪来自气缸燃烧,单次燃烧的时间间隔相等,等时点火引擎的声浪通常更加绵密悠长;而非等时点火引擎的声浪,在低转速下会带有快速变化节奏的粗糙感(二者并无优劣,仅特点不同)。








一个典型的例子是雷克萨斯LFA。和V6的120°同理,V10实现等时点火的理想夹角是72°,而LFA搭载的1LR-GUE就是一台72° V10引擎。等间隔点火让LFA拥有了细致而绵密的声浪,与高转速、谐振腔等独特设计一道成就了天籁之音。


如果再延展一下,120° V6可以直接等时点火,V8引擎的这个角度则是90°,V10是72°,V12是60°——至于为什么是这几个数字我们后面说。







红色:正常曲柄和Split Crank,左边是一台非等时点火的90° V10





非120°夹角的V6引擎(包括非90°的V8、非72°的V10等等)要想实现等时点火,可以使用一种特别设计Split-pin Crank,我们权且叫它偏时曲柄。但Split Crank会让发动机曲轴变得更复杂,于是也就更脆弱(同等重量)或者更重(同等强度)。而曲轴的强度和重量,又影响着引擎的转速上限和动力极限。


所以对于普通家用车来讲,如果对动力平顺性、振动粗糙度有高要求,60°或90°夹角辅以Split Crank是可接受的;但对于赛车和高性能车,天然就是等时点火的120° V6,终究是更好的选择。





为什么是120°?





V6的120°、V8的90°、V10的72°、V12的60°……为什么会是这些特定角度呢?


答案是:(等时点火的)最佳夹角=720°÷缸数。


我们知道,汽油机燃烧一次经历四个冲程,曲轴旋转了两圈也就是360°×2=720°。用大白话讲,单个气缸每上下往复一次,下面的曲轴就旋转一圈;气缸往复两次、曲轴转两圈(720°),才会有一次点火做功。


如果有6个气缸,要让它们等间隔地点火、做功,就要让这6个气缸的点火时机在曲轴转过两圈/720°的过程中均匀分布。即曲轴每转过720°/6=120°也就是1/3圈,就要有一个气缸点火。这样3个气缸完成一次点火,曲轴转完一圈;6个气缸都点火一次,曲轴转过两圈,最早点火的气缸正好开始完成四个冲程,进入下一轮点火,循环往复。








如果这6个气缸一字排开,即直列6缸。每个气缸各自独立连接发动机曲轴,那么我们只需要让它们各自的曲柄彼此之间偏转120°。假如把1号气缸曲柄角度定为0°,那么6个气缸角度分别为0°、120°、240°、360°(0°)、480°(120°)、600°(240°)。直列6缸不存在非等时点火的问题,天然就是等时点火并且完全自平衡。







各个曲柄之间的夹角/偏转是120°





如果是V6,情况就不同了。


V6一排有3个气缸,曲轴上只有3个曲柄,左右每一对气缸(下图1-2、3-4、5-6)共用同一个曲柄。显而易见的,3个曲柄必然要各自成120°夹角(一圈360°三等分),即每对气缸与每对气缸间(1-2与3-4与5-6)的旋转差必然是120°。那么要让6个气缸每120°点火一次,只能是左右气缸之间(1与2、3与4、5与6)的旋转差也为120°——即V字形的夹角是120°。







注意编号并非点火顺序,仅用做本段参考





于是,有且仅有V形夹角为120°的情况下,6个气缸之间才能形成均匀的120°间隔,无需借助Split Crank就可以直接实现等时点火。







天生的超强心脏





除了等时点火带来的直接优势,以及无需Split Crank的间接优势(曲轴更轻更强),比起夹角更小的90° V6和60° V6,120°夹角还让发动机重心大大降低。甚至对比180°躺平的水平对置发动机,120° V6也具备一定重心高度优势,因为后者无需像前者那样抬高位置,以便在下方布置进/排气。


至于缺点,宽度增加是显而易见的——这一点就将超跑、赛车以外的车型拒之门外。由于点火顺序的关系,相比水平对置6缸机,120° V6无法像前者那样做到全平衡,仍然需要设置平衡杆等措施。







296 GTB的双涡轮放在了V形夹角内






玛莎拉蒂的90° V6将涡轮放在了两侧





另外在今天这个涡轮时代,阿斯顿·马丁、法拉利和迈凯伦又双叒一次不约而同,将双涡轮增压器放在了V字形的120°大夹角内,即所谓“Hot-V”结构。散热压力最大的涡轮位于发动机上方,可以被后车身上方的高速气流带走,获得了良好的散热环境。


90° V6也可以Hot-V布置,但因为夹角内空间更小,涡轮增压器位置更高,相比120° V6不利于降低重心位置。以更小的重心代价实现Hot-V布局,也算是120°大夹角的附带优点之一。







296 GTB车尾玻璃中的红色面板是散热风道






迈凯伦Artura也有类似的设计





拜电动化和downsizing趋势所赐,法拉利有史以来第一次在民用跑车上用V6。


也许会有人质疑,因为60年代的Dino就曾经用过V6。但严格来讲,Dino系列作为“法拉利青春版”车系,一直“没有资格”用上跃马logo(只有末期的308/208 GT4例外,但它们已经是V8车型)。真正挂法拉利车标的V6、民用、量产车,在296 GTB之前为零。







Dino系列有自己的车标





当顶级超跑制造商开始对V6引擎下如此多的功夫,你应该意识到V8、V12的时代,已经在事实层面上结束了。除去法拉利限量旗舰等极少数神物还可能保留V12,今后的岁月里最后的内燃机之巅,将交班给这些不惜代价精雕细琢的120° V6。



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