春节7天别出门!手把手教你造一台飞度发动机


造一台发动机有多难?对于普通人来说可能还挺复杂的,可对于汽车爱好者或者键盘车神来说,发动机无非就是一堆能压缩做功的铁疙瘩罢了。

起初我也是这么想的,于是我便购买了一个名为《Automation》的游戏,翻译成中文就是《汽车制造模拟器》。为何我会为大家推荐这款游戏来度过无聊的7天长假呢?且听我慢慢道来。


这个游戏的宗旨其实非常简单,在游戏中你是一名汽车工厂的CEO兼职底盘、发动机工程师以及市场部门。是的,你需要负责一家汽车制造公司的所有部分,甚至还会参与到外观设计中去。而你对车辆每个地方进行的改动,都有可能会影响到最终车辆的销售情况、定价以及适用人群。

但这个游戏最吸引我的,实际上并非是造车和调车的过程,反而是制造发动机的这个步骤,因为相比于其他设定来说,打造一台像样的发动机才是这个游戏真正的精髓所在,也是一台车的灵魂所在!


在沙盒模式中,选择完车辆底盘后就可以开始打造一台属于你的发动机了。首先我们来选择发动机的缸体设定。在游戏中分别有直列、V型60°夹角、V型90°夹角和水平对置四种设定。其中直列发动机可以选择3到6缸;V型60°夹角则可以造出V6、V8、V12三种发动机;而90°夹角V型的发动机为6、8、10缸。至于水平对置这种比较冷门的,只有4缸和6缸可供选择。

左:V6 60° 右:V6 90°

直列和水平对置咱们都知道,那么这个V型发动机的60°和90°夹角有什么区别呢?首先要明白在同样缸体数量的情况下,60°夹角的V型发动机在横向宽度上会小于90°的发动机。

其次就是关于发动机震动方面的,也就是NVH的问题。我们都知道现在四冲程的发动机,曲轴每转动720°,单个缸体就会做功一次,所以要想减少发动机的震动,就需要更多的缸数。

比如三缸发动机,就因为曲轴每转动240°才有一个缸开始做功,导致在某一阶段时,活塞向上压缩的力量是靠惯性运行的(每180°活塞就会改变运转方向)。而四缸发动机曲轴每180°做功一次,所以发动机的单个缸体运动时,都有一个缸体在单独做功,从而降低震动。

这时我们再来看看多缸V型发动机所带来的问题。首先我们要明白的是,直列6缸是最为平顺的发动机。不过由于直列六缸的发动机长度问题,导致它并不适用于所有车型,这时V型发动机才孕育而生。其中V型发动机两侧缸体之间的夹角,可以看做是影响V型发动机NVH最为关键的部分。

发动机上下做功会产生点火脉冲,而在V型发动机中,由于气缸并非垂直于地面,这就造成必须要通过某种力来抑制这样带角度的“冲劲”,方法就是V型发动机的夹角。根据上面说的算法,我们可以得知六缸发动机,曲轴每120°做工一次,所以60°或120°的发动机夹角刚好可以抵消掉点火脉冲所产生的力(120/60可以整除)。而V8发动机的最佳夹角则为90°,V10为72°,V12则为60°或120°。

可因为缸数不同导致夹角也不同,就会引申出另一个复杂的问题,模块化发动机怎么办?最终,聪明的工程师也同样采用了平衡块来抵消掉错误V型夹角所带来的点火脉冲。比如早些年间的奔驰V6发动机就采用90°夹角,而非标准的60°。

最后再来看一下缸体材料。在游戏中一共有四种缸体材料可供选择,但实际上我们能接触到的通常只有铸铁和铝制两种材料。二者在性能上没有太大差别,只有重量和工艺难度上有些许不同,不过目前绝大部分汽车发动机都采用了铝制缸体来降低发动机自重。


发动机的排量主要是由活塞的直径,也称缸径和活塞的运转距离,也称行程来决定的。我们以一台2.0L四缸发动机来举例,这台发动机的冲程和缸径都86mm,根据圆柱形体积工程πr²h=S,也就是底面积x高x π。所以运算公式就是86÷2(缸径)的平方再乘86(冲程),最后再乘以π,最终得到结果为1997215.84立方毫米,换算成毫升的话约等于1997cc。

除了发动机排量,发动机的冲程和缸径还决定一台发动机的出力特性,比如小缸径长冲程的发动机,通常情况下拥有更好的扭矩,而大缸径短冲程的发动机则可以拥有更好的高转表现,也就是更大的马力。可随之而来的就是低转速扭矩上的缺失。所以通常来说,民用车普遍采用长冲程小缸径设计,而赛车或性能车采用大缸径短冲程设计。


ohv气门结构

接下来就是设定发动机的气门结构。在这款游戏中一共提供了4种气门形式可供选择,而这四种气门形式也基本涵盖了从上世纪40年代到现在几乎所有的气门结构。首先就是成本最低的推杆气门系统,也就是车迷口中津津乐道的OHV。由于凸轮轴在发动机下方,并通过一根杆来推动气门,致使推杆发动机的缸盖可以大幅减小,随之而来的也就是更轻的重量。在现实中,雪佛兰的小缸体V8正是采用了OHV结构,才得以让它的重量与一台K20A相当。

第二个是直动式气门结构,也称OHC。相较于刚刚的推杆结构来说,OHC将凸轮轴和气门都移动到了发动机上方。从而保证了重量与OHV结构发动机基本相同的情况下,提升了发动机最大转速并降低了运转阻力。不过因为只有一根凸轮轴的关系,导致OHC配气结构只能使用单缸两气门的设置,这也让它彻底消失在历史的舞台中。

第三个就是单顶置凸轮轴结构,也称SOHC。这套配气结构相比于OHC系统来说,最大的优势就是在于可以为单缸布置多套进排气气门,比如说咱们比较常见的4气门。但是SOHC依旧采用了一根凸轮轴,只不过增加了挺杆和摇臂。所以在机械结构方面,SOHC的发动机要更为复杂一些,并且需要调整气门间隙且无法设置气门重叠角度。

最后就是目前绝大部分汽车上使用的双顶置凸轮轴结构--DOHC系统。由于排气和进气凸轮轴分开的关系,虽然DOHC发动机的缸盖体积更大,但无论是高转速还是运转阻力,甚至是维护方面都要明显优于SOHC发动机,并且也可以单独调整气门正时和升程。可随之而来的问题就是发动机重量上的增加。


选择发动机的气门结构后就可以选择是否使用气门升程技术,也就是VVL。在这款游戏中,VVL的设定还算比较简单的设定,目的就是为了让发动机不牺牲低转速燃油经济性的同时,可以在高转速爆发出更大的马力。现实中绝大部分汽车都采用可变升程技术,所以这里也就不细说了。当然,如果你需要造一台赛用发动机也可以不选择VVL系统,并在之后的气门调教中单独调校凸轮角度。


曲轴

在游戏中,你可以选择曲轴、连杆和活塞的材质。而材质的不同也会显著影响发动机的出力状况。比如常见的铸铁曲轴、活塞或者连杆,就无法匹配过高的转速或过大的马力。在游戏中,除了铸铁以外你可以让曲轴采用锻造、CNC技术打造,从而可以匹配更高的转速和马力。

连杆和活塞也是如此,不同的材质拥有不同的特性。比如轻量化锻造就因为重量的降低可以达到更高的转速;重型铸件的连杆则更适用于高扭矩低转速的商用发动机。


在确认了曲轴、连杆和活塞以及发动机缸径和冲程之后,就可以着手发动机的调校工作了,首先就是确认发动机的压缩比。与现实中不同的是,该款游戏并没有气门重叠角度一说,所以发动机压缩比象征的意义也就更为传统一些。

在喷油量不变的情况下,更高的压缩比可以带来更强劲的动力,并且在对应经济型发动机时可以降低部分油耗。可如果压缩比太高,就需要更高标号的燃油来阻止爆震。至于低圧缩比,则能够显著降低燃油标号的需求,不过随之而来的也是动力上的下降。此外,对于涡轮发动机来说,高压缩比产生爆震的几率会更大一些。 既然如此,要想造一台相对出色的发动机,压缩比是我们着重要考虑的一项。虽然高压缩比确实能够提高动力,但对高标号燃油的要求,对于消费者来说也不是那么容易接受的,所以在游戏中,民用引擎的压缩比在9.0-11.0之间就算是比较合适的。


确定了压缩比后就可以来调整凸轮和凸轮轴曲线了。如果你没有使用VVL气门升程技术的话,那么你只需要调整凸轮轮廓,也就是凸轮的角度,便可以通过配气来改变发动机的输出功率、扭矩和运转的线性程度。

左:正常凸轮角度 右:高凸轮角度

越高角度的凸轮轮廓虽然可以让动力达到翻天覆地的变化,可随之而来的也是动力输出的不线性。比如低转速下发动机无力,某一转速下动力突然爆发都是高角度凸轮的弊端。可好处呢,也不仅仅是动力提升,在高转速下,高角度凸轮轴可以极大程度地避免因气门浮动所产生的进气不足。

如果采用了VVL气门升程技术的话,那么你还可以通过调整高转速与低转速凸轮之间的角度差,来让动力达到平衡,从而在保证了低转速扭矩和经济性的情况下,满足一定的高转性能。


强制进气,顾名思义就是强制增加发动机的进气量,并通过多喷油的方式,让发动机在排量不变的情况下爆发出更大扭矩。

在游戏中,目前只有涡轮增压可供选择。除此之外涡轮轴承方面也可以选择,考虑绝大部分涡轮都是用球形轴承(滚珠轴承)的关系,所以轴颈轴承就不在讨论范围内了。

选择完涡轮的轴承后就可以开始设定中冷器的尺寸了。因为涡轮加压的关系,体积更小的加压空气温度也会随之升高。此时因为热空气比冷空气的体积要大,这时就需要中冷器来帮助加压空气降温,来增加单位体积中的空气含量。

那么如何来确定中冷器的尺寸呢?首先我们要明白,中冷器并非越大越好,因为越大的中冷器理论上会把让单位体积内的空气含量增多,而过多的空气进入气缸混合成油气后,在压缩过程中会出现爆震的情况,效果自然得不偿失。当然中冷器太小,空气冷却不当同样会产生爆震,所以中冷器的大小一定要合适才行,切忌追大!

接下来就是涡轮调校的重中之重,压气机、涡轮和AR值的大小。首先来说压气机,越大的压气机在单位时间内给更多的空气加压,但因为扇叶尺寸过大的关系,就需要更多的废气来推动,造成较为严重的涡轮迟滞现象。小号的压气机则可以最大程度降低涡轮延迟,但会限制发动机总体的空气流量,影响动力。

而涡轮的效果也是同样如此,大尺寸涡轮可以带动更大的压气机,可随之而来的问题就是需要发动机要在更高转速的情况下,废气才能够推动涡轮叶片,否则涡轮也不会起压。

AR值实际上是指涡轮叶片的密度。数值越低,代表叶片的数量越密集,便可以在低转速下产生足够的动力。但随着排气流量的增加,过密的叶片也会限制涡轮的增压力度。反之,叶片相对稀松,角度相对更大可以给涡轮产生更大的推力,但需要足够高的废气流量才可以推动。

现实中,为了避免这样尴尬情况的发生,像保时捷这样的厂商就推出了几何可变叶片涡轮技术,通过改变涡轮叶片的角度来让单个涡轮在低转速和高转速时都能发挥作用,平顺发动机的动力曲线,提高车辆日常驾驶性。

除了涡轮整体的尺寸外,最大增压值也是涡轮发动机相对关键的设定。虽然还是本着增压值越大马力越大的原则,可如果增压值过大的话,首先会对燃油标号的要求会更高,其次过大的增压值还会降低车辆的可靠性。最后当达到涡轮尺寸的临界点后,再高的增压值不仅不会对动力产生帮助,还会引起敲缸的出现。


作为发动机出力的根本介质,燃料好比于人类的血液。而输送燃料的好坏直接影响了发动机的动力表现。在游戏中有化油器和电喷两种喷油方式可供选择,其中化油器是通过限制空气管径所产生的低压来吸入并混合燃料的,所以油气结合并不充分,效率自然也就更低。

而电喷系统则是目前绝大部分汽车采用的供油方式,通过喷油嘴直接喷射汽油。其中又分为四种方式,分别是机械式喷油系统、单点电喷、多点电喷和直喷,还是按照顺序先来说机械式喷射。机械喷射与目前电喷系统最大的不同,就是它并非是通过ECU计算来得知燃油喷射量的,而是靠皮带感知发动机转速来控制喷油的。所以这种喷射方式已经没有车企采用了。

至于单点和多点电喷,咱们放在一起说。单点电喷是放在节气门之后喷射燃油,利用发动机的吸力将燃油和空气带入歧管,最终燃烧。可因为进气管路长度不等的关系,部分燃油会悬挂在进气管路内壁,造成每个气缸或每次做功时空燃比不一样。

多点电喷则是将多个喷油嘴放在进气歧管内,这样就大幅减少了燃油到气缸内的距离,从而改善燃油经济性、发动机响应速度等等,这项技术目前仍然还在服役。

最后来说咱们现在应用车型最多的直喷系统。顾名思义,直喷系统是将喷油嘴安装在了气缸内,这样的话它的燃油路径就要比多点电喷更短。并且燃油也经过高压喷射出去,从而使油气混合物更加均匀,产生更大的马力。

此外,游戏中还需要选择节气门的数量。通常情况下,直列和水平对置发动机都会使用单个节气门,但这样会在一定程度上影响发动机的整体动力。但V型发动机因为结构优势,使它的单侧气缸能够共享一个节气门,从而降低空气进入气缸内的距离,增加动力。当然如果你是极致动力爱好者,那么每个气缸单独配一个节气门才会是最为完美的选择,比如E92 M3上的那个8节气门设计。


空燃比和点火正时是控制发动机做功的关键阶段。从理论上来说,14.7:1的空燃比是最为科学的,燃料与空气在做功后并不会有任何残留。可是事实上,想要达到这一比例却是十分困难的,过多的空气在低燃料下很容易就引发爆震问题,所以一般情况都需要多喷射燃油,使油气混合物燃点降低,并爆发出更强的动力。

此外,由于火花塞点火需要时间,所以不能等到活塞到达最高位时再点火,通常情况下都会采用略微提前的方式点火。提前越多,发动机的动力输出也就越暴躁,马力也会随之增加。可如果点火正时过于提前的话,那么点燃的油气就有可能在活塞没有到达顶点时爆炸,引起引擎爆震。而点火正时滞后的话,则可以大幅度降低爆震的可能,同时也能够使用更低标号的汽油,但动力也会随之下降。

发动机的工作很大程度上是通过空燃比和点火正时来调节马力的,如果空燃比低(油更多)时,适当提前点火正时就可以极大程度上提高马力,但也会相对降低发动机的热效率(增加油耗),反之亦然。


发动机红线转速是很多车迷津津乐道的东西,超高的转速确实可以带来极为悦耳的“机械交响乐”,甚至还有几率提高发动机的最大马力。可太高的转速不仅会带来气门浮动的问题,还会影响到发动机寿命。


最后就是排气系统,管径越小的排气可以显著提高发动机的低转速扭矩,改变发动机的动力曲线。反之较粗的管径会些许提升发动机在高转速下的马力,并且有一定可能降低发动机对燃油标号的要求,但是噪声也会随之增加。

总之这是一款非常有意思的“游戏”,甚至你还可以造出一些非常奇葩的引擎,比如一台2.5L直列六缸发动机,只有133匹的马力,却有302牛·米的扭矩……或者是一台1.2L排量 300匹的三缸发动机。假设你更喜欢现实中发动机的话,也可以按照它的缸径、冲程、发动机形式等,来制作一台“山寨”发动机!


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