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汽车历史尽管不长,不过仍然可以见到很多轮回轨迹,例如车身高度由高到矮,又由矮变高;动力系统由电力到内燃机又回到电动。这些都是花上百年的大循环,至于回旋时空小一点的循环就更多了。最近车坛有两大热点,其一是全铝车身先驱的Audi A8公布了新一代车身设计,里面有四成物料转回用钢材,令我想起当年教我开车的师傅常常对我说开车不要跟太近,原来这句话不止适用于开车。至于另一热点,就是听到后你跟我同样高兴得像中了般的奔驰直6回归了。说到直6,车迷心中不期然又泛起“平衡” 两个字,对车迷来说,发动机的平衡向来是伊甸园里的禁果,既好奇、很想尝一下,又怕它苦涩难当,就这样似懂非懂的,迷糊间额头上已多了不少处岁月痕迹。
直六为什么平稳?
往复式发动机的平衡其实是一个数学问题,这种二次微分超越函数是大学工科生的习作,要用文字来表达是比较困难的,读者们,让我们一起努力,尝试用一点文字和一点简单的数学,看看能否解开这个心结。首先我们将范围缩窄到单气缸活塞的惯性力,活塞和曲轴是连动的,曲轴连着一个有惯性的飞轮,可假设曲轴是以匀速转动,因为活塞是经连杆与曲轴销连接,因此活塞并不如你坐在摩天轮那样的上下均匀运动,当曲轴转了半圈,活塞的位置并不在行程的中间,而是比中间低一点点,换句话说,活塞在上半部行程跑快一点、下半部行程慢一点,因此两个气缸并列在一起,活塞一上一下两组不规则的惯性力是无法完全抵消。即使以数学方法寻求这不规则活塞运动的惯性力和曲轴角度的关系,也无法得到完整的答案,它是一个无穷尽的数串,经整理后我们找到有部份力量跟转速有关称为初级振动、也有跟转速的两倍有关称为次级振动,之后还有跟四倍、六倍…转速有关的,幸好转速愈高其幅度愈小,一倍转速和两倍转速的力量加起来已经占了百份之九十九,其余的可以略去不计,因此要平衡单气缸发动机通常会用两根平衡轴,一根转速和发动机一样,另一根以发动机双倍转速运行,将计算出的适当重量置于活塞相反方向便大功告成了。
当气缸数目多过一个情况就更加有趣了,因为可以透过不同的数目气缸、排列方式和曲轴设计,有机会可以将活塞惯性力互相抵消,其中直六就是一个最简单又有效的方案。请大家准备一部中学生用的科学计算器,我们一起做作业。我们知道四冲程发动机气缸转两转即720度点火一次,因此直6机器的曲轴可设计成分隔120度,而120度正是直6发动机的玄机所在,因为根据数学分析,无论初级振动还是次级振动,都牵涉曲轴角度的cos,直6机器当有两个活塞止点(即曲轴角度是0)的时候,会有两个在120,余下两个在240。大家单击计算器,cos0度是1,cos120等于-0.5,cos240都是-0.5,三个数加起来刚好等于零,因此初级振动给抵消了。那次级振动又如何?由于是双倍转速,我们要将每个角度乘2之后才cos。第一组0度的双倍后还是0,cos0是1,120度乘2即240,cos 240等于-0.5,而240度乘2等于480度,cos480也等于-0.5,三个数加起来也是零,直6机器就这样什么都不用搞就把次级振动弥消了,原来关键就在于那分隔120度的曲轴,既然那么简单为什么其它发动机不用?对不起,因为只有6气缸的点火相隔才是120度,其它气缸数目勉强使用会因点火不均匀而引起另一种振动。
既然这么优秀,为何之前不用?
其实直6并不是千锤百炼的新发明,它可以说与汽车同寿,有百多年历史,十八年前奔驰放弃它只因为它太长,十八年后重新起用它原因也只有一个,就是成功把它缩短了,缩短的方法有两招,其一是现今的涡轮增压直喷设计是长行程短直径的,另一招是汽车业最新科技的无缸套设计,两者加起来令每个气缸之间缩短了二十毫米,六气缸有五个中心距,加起来等少了一个气缸的长度,只要长度受控当然毫不犹豫重新起用那美妙的120度,噢,说起来奔驰的三叉星辉标志也是相隔120度的,也实在太神了吧。