水平對置引擎是目前市場上較為另類的、但也不至于稀有的動力系統(tǒng),它的做功原理依然采用直列或者V型引擎那樣的奧托循環(huán)(Otto cycle),屬于四沖程引擎中的一種氣缸布局形式,在英文里,學(xué)名為Flat Engine、也形象地稱為Boxer Engine,即拳擊手引擎,而中文一般稱為水平對置引擎、水平對向引擎,部分中文地區(qū)則稱為水平對臥引擎,但無論何種中英文名稱,其所表達(dá)的都是這種“以曲軸為中心、連桿及活塞呈180°夾角、且活塞分列左右形態(tài)的引擎”就被稱為Flat Engine。
圖:目前絕大部分汽油引擎都遵循著“吸、壓、爆、排”這套經(jīng)典的Otto Cycle原理,而水平對置布局也離不開它,只是它的布置方式旋轉(zhuǎn)了90°、躺下了。
在這里需要明確的一個技術(shù)概念是,Boxer Engine是Flat Engine的一個分支而已而非全部或者等同關(guān)系,也就是說,F(xiàn)lat Engine不一定就是Boxer Engine,包括目前仍在使用使用水平對置引擎布局的兩大汽車公司:Porsche保時捷和Subaru斯巴魯,他們所采用的是Boxer Engine,即我們理解的“水平對置引擎”,但Flat Engine里還有另外一個分支,它的機(jī)械做功、曲軸設(shè)計等部分的思路來自V型引擎,只不過它的V型夾角達(dá)到了180°,這類引擎同樣被稱為Flat Engine,又名Horizontally Opposed引擎。
只是為了更好地區(qū)分兩者,一般將它們稱為“180°夾角V型XX缸引擎”,當(dāng)中最為人們熟悉的就是法拉利曾經(jīng)大規(guī)模使用過的“Berlinetta Boxer”引擎,該引擎最早裝備于1973年推出的364 GT/4 BB上,引擎代號F102A,此引擎歸類屬于Flat-12,之后這臺引擎不斷發(fā)展出F102B(BB 512)、F110A(BB 512i)、F113系列等,直至1996年的F512M車型停產(chǎn)才推出歷史舞臺,前后也用了23個年頭。
圖:法拉利在Testarossa上使用的F113引擎,雖然活塞連桿都是平放,但它不是嚴(yán)格意義的水平對置12缸引擎,而是180°夾角的V12引擎,或者叫Flat-12引擎。
水平對置引擎與180°夾角V型引擎的最大區(qū)別,其實只需要通過曲軸與連桿部位的安裝形式便可分別,如果對向的左右兩個氣缸的連桿使用同一個曲柄梢的,就是V型180°V型;如果兩個使用不同的曲柄梢的,那就是Boxer Engine,也就是現(xiàn)在保時捷和斯巴魯?shù)乃綄ο蛞媪恕?/div>
圖:同為六缸引擎,左邊的是180°夾角V型六缸引擎、右邊的則是水平對置六缸引擎。即:左右連桿安裝在同一個曲軸梢的是Flat Engine;左右連桿安裝在不同曲軸梢的則是Boxer Engine,這樣理解就容易了。但Boxer Engine屬于Flat Engine大類中的一個分支又是一個科技樹的從屬概念。
既然是機(jī)械產(chǎn)品,就一定會有優(yōu)缺點,而優(yōu)缺點也是有相對性和參照物的,例如同氣缸數(shù)量下,跟180°夾角V型或者直列引擎相比,Boxer Engine水平對置發(fā)動機(jī)由于慣性力之間的平衡性更好,所以運轉(zhuǎn)起來更平穩(wěn);機(jī)械內(nèi)部各組件之間的應(yīng)力干涉更少;曲軸長度相對較短,即使省略平衡軸也能獲得不錯穩(wěn)定性;最后一個優(yōu)點在許多汽車廣告上都能看到的,就是整個引擎的物理重心很低,包括周邊附件的高度也能得到控制,例如進(jìn)氣歧管和排氣芭蕉等,可以讓車輛的外形設(shè)計更扁平,例如豐田86等。
有優(yōu)點就會有缺點,Boxer Engine的最大缺點就是零部件會更多,導(dǎo)致了生產(chǎn)成本更高;再者就是不適合橫向布局,對于FF車型并不友好,起碼真要這么干的成本會很高。最后一個重大缺點就是潤滑系統(tǒng),因為所有的Flat Engine都不支持重力潤滑系統(tǒng),所以對于機(jī)油泵的要求會比其他引擎更高。當(dāng)然,還有一些使用上的缺點,例如偏磨、燒機(jī)油、更換火花塞麻煩等等(但其實這些問題如今都非常容易解決),如果你對車沒啥感覺的話,或者這些缺點會被無限放大,但如果你體驗過水平對置引擎、甚至懂得欣賞所能帶來的特別“色香味”,這些或者根本不叫事兒吧。
圖:應(yīng)該說,Karl Benz能發(fā)明出第一臺水平對向引擎并不意外,就像Daimler能推出第一臺V型引擎一樣道理,最早的Benz & Cie所推出的引擎就是平臥著的單缸引擎。(Daimler的第一臺引擎是垂直布置的單缸引擎、在此基礎(chǔ)上發(fā)展出了V2布局)
水平對置引擎的發(fā)明者是Karl Benz(卡爾.本茨),也就是Benz & Cie的創(chuàng)始人,他于1896年獲得了水平對向引擎的發(fā)明專利,最早的名字被本茨稱為“Contra-Motor”,直譯過來就是“對置引擎”,并于1897年首次生產(chǎn)這種獨特布局的發(fā)動機(jī)。
圖:這就是1897年根據(jù)卡爾.本茨專利技術(shù)生產(chǎn)而成的水平對向雙缸引擎原型機(jī),它被命名為“Benz Dos-à-Dos”(法文,背靠背的意思),能發(fā)出5匹馬力。
圖:到了1899年,這臺引擎能夠發(fā)出8匹馬力。
圖:1903年,福特第一輛汽車Model A使用的就是一臺排氣量為1668cc的水平對向雙缸引擎,最大馬力8匹,此車一共生產(chǎn)了1750輛,而在當(dāng)年的售價,雙座版800美元、四座版900沒有,而正是此車的成功,才有了后來的福特汽車,不然,亨利福特只能拿著剩下的223美元“返順德”。
圖:1948年,雪鐵龍2CV剛推出時,它的水平對向雙缸引擎只有375cc,最大馬力9匹;1955年升級到425cc、1970年繼續(xù)擴(kuò)大至602cc,而此時已經(jīng)有33匹馬力。
圖:U系列是豐田第一款使用風(fēng)冷作為冷卻方式的引擎,它采用水平對向雙缸布局,燃燒室采用半球型設(shè)計,OHV配氣機(jī)構(gòu)、缸徑78mm、沖程73mm,排氣量697cc,最大馬力28匹/4300轉(zhuǎn),最大扭力5.4公斤米/2800轉(zhuǎn)。2U則是Sports 800使用的升級版本,790cc,最大馬力45匹。
第一臺水平對置四缸引擎同樣出自Benz & Cie。說到這里,或者有人會問了,既然“奔馳”發(fā)明了水平對置發(fā)動機(jī),為什么不見今天的Mercedes會用上這種引擎呢?這里就必須糾正一個國內(nèi)很多“奔馳粉”們都會犯的常識性錯誤,除了華人地區(qū)外,所有地區(qū)都只會叫Mercedes而不會稱為Benz,原因是1926年兩家公司合并,Daimler是主體,那時的Benz & Cie甚至被Daimler告上過法庭,所以無論當(dāng)時和現(xiàn)在的公司名稱、品牌名稱的主體都是Daimler和Mercedes,再通過這家公司后來所研發(fā)的引擎也可發(fā)現(xiàn),從1926年之后Daimler是完全放棄了水平對置形式,而只發(fā)展直列和V缸,甚至研發(fā)過轉(zhuǎn)子,唯一的平臥引擎M291也是Flat而非Boxer。
言歸正傳,卡爾.本茨在原來對向雙缸引擎基礎(chǔ)上,在1900年又推出了對向四缸并將之使用在賽車上,該引擎的排氣量高達(dá)5.4升,最大馬力有20匹,在1900年,請不要小看這個動力數(shù)字就是了。后來也有不少車廠曾經(jīng)推出過水平對向四缸引擎,例如英國的Wilson-Pilcher、美國的Buffum等,而第一款真正大量生產(chǎn)水平四缸引擎的車廠,則是捷克斯洛伐克的Tatra,他們在1926年開始生產(chǎn)代號為T30的四缸引擎,排氣量為1679cc,最大馬力24匹,而搭載車型名為Tatra 30,后來在此基礎(chǔ)上,又陸續(xù)發(fā)展Tatra 52、54、75等型號,但說到這里,就不得不另辟一段說說Tatra 97了。
圖:Tatra 30的雙缸引擎放置得很靠前,但它是一輛后驅(qū)車。
Tatra 97所搭載的Type 97型風(fēng)冷式水平對向四缸引擎,排氣量為1759cc,而Tatra 97則采用RR后置引擎后輪驅(qū)動布局,是不是跟很多大眾粉嘴上奉為經(jīng)典的Beetle甲殼蟲很相似呢?對的,大眾的第一代甲殼蟲就是從Tatra手上搶過去的:希特勒有一次在路上遇到了Tatra 97,說了“這就是我想要的汽車”之后,費迪南保時捷迅速參考著Tatra 97的設(shè)計推出了KDF-Wagen(VW Type 1),為此,Tatra還起訴了費迪南保時捷,希特勒得知后,只說了一句:“事情將會得到解決的”,而后,德國兼并捷克斯洛伐克的《慕尼黑協(xié)定》于1938年9月30日簽署,德國隨之占領(lǐng)蘇臺德(Sudetenland)地區(qū)后的1939年,Tatra 97停產(chǎn)(共510輛)讓路給了大眾甲殼蟲的誕生。而很明顯地,費迪南保時捷和大眾,是通過戰(zhàn)爭機(jī)器侵占了捷克斯洛伐克Tatra 97的成果,無論底盤還是這顆水平對向四缸引擎。二戰(zhàn)后,Tatra重新起訴大眾,最后以100萬美元結(jié)束了這場歷史性的抄襲官司。
圖:1936年由捷克斯洛伐克Tatra推出的T97型,它的造型雖然也不是原創(chuàng),但使用風(fēng)冷式水平對向四缸引擎、RR布局等則被費迪南保時捷強(qiáng)行征用后,誕生了大眾的Type 1,如果從銷量看,Beetle是經(jīng)典的,但從起源上,則是一樁無恥侵略后的副產(chǎn)品。
圖:T97上使用的水平對向四缸引擎,排氣量1759cc,40匹馬力,讓T97能跑到130 kph的最高時速。
圖:T97的車架底盤布局,同樣地,它的設(shè)計后來也成為了VW Type 1的基礎(chǔ)布局。
圖:如果以今天德系車廠的作風(fēng),這個下線活動必然是以德文書寫,而在1946年,當(dāng)時的大眾還是在盟軍軍管會下管理,寫的自然就是英文了。
說到這里,也必須說到大眾風(fēng)冷式水平對置四缸引擎,看完前文,也就是無需介紹這臺誕生于1938年的四缸引擎是從哪里來的吧。不過,作為二戰(zhàn)后、由占領(lǐng)軍一手扶植起來的大眾汽車,它最大的功勞莫過于將水平對置引擎推廣到了全世界,直至2006年才全部停產(chǎn);而同由費迪南保時捷創(chuàng)辦的保時捷汽車公司,最早的356、550、912、914等車型均采用了水平對置四缸引擎。到了六十和七十年代,雪鐵龍、Alfa Romeo、Lancia、Subaru等車廠也陸續(xù)推出各自的水平對置四缸引擎,應(yīng)該說,水平對置四缸引擎是歷史上和目前為止,品牌覆蓋面和應(yīng)用范圍最廣的水平對向形式布局的發(fā)動機(jī)。
圖:這里便可以看到最早的Beetle所使用的車架底盤結(jié)構(gòu)就是來自Tatra 97的設(shè)計。
圖:但必須承認(rèn)一點的是,大眾確實在水平對向引擎的推廣方面功不可沒,在很長一段時間里,Boxer Engine幾乎能與VW畫上等號。
說到水平對置四缸引擎,除了過去的大眾和保時捷較為知名外,來自日本的Subaru當(dāng)然也是四缸機(jī)的行家里手。斯巴魯研發(fā)水平對置引擎最早是1966推出的EA系列,而最早面世的型號則是EA52,排氣量為977cc,使用OHV配氣機(jī)構(gòu),最大馬力55匹;而后又陸續(xù)推出EA53(1967年)、EA61(1969年)、EA62(1971年)、EA63、EA64、EA65、EA71、EA81、EA82(1984年)等型號,基本覆蓋了六七八十年代幾乎所有的非Kei-car轎車。在EA82還沒停產(chǎn)的1988年,又推出了后世更為知名的EJ系列,后綴數(shù)字開始以排氣量來命名,例如EJ15就是1.5公升、后面還有EJ16、EJ18、EJ20、EJ22、EJ25等多個子系列。EJ之后,從2010年開始,代號FB的逐步取代非渦輪增壓的EJ系列,更高性能的FA系列也于2012年開始陸續(xù)加入,取代原來的EJ20~25這個區(qū)間。
圖:這就是Subaru的第一款水平對置四缸引擎EA52,缸徑72mm、沖程60mm,壓縮比9.0,使用OHV配氣機(jī)構(gòu),最大馬力55匹/6000轉(zhuǎn),最大扭力77牛米/3200轉(zhuǎn),搭載車型為Subaru 1000。
圖:斯巴魯最新一代的水平對置布局的FA系列引擎,相對于稍早面世的FB系列,它屬于高性能定位。
說完了水平對置四缸,接著就是六缸引擎。水平對置六缸引擎的優(yōu)點其實有點兒像直列六缸和V6的優(yōu)點結(jié)合體,例如平衡度很高、振動很少、機(jī)體長度短等等。最早的直列六缸引擎誕生于1904年,由英國的Wilson-Pilcher公司推出,并使用在18/24HP車型上。1948年,美國的Tucker推出了Tucker Sedan車型上,使用的是一臺5.5公升水平對置六缸引擎作RR驅(qū)動布局,最大馬力166匹,馬力不怎么樣,但扭力達(dá)到了504牛米;到了1959年,另一家美國車廠雪佛蘭也推出一款使用風(fēng)冷式水平對置六缸引擎的車型,Corvair,從1959年開始?xì)v經(jīng)兩代至1969年停產(chǎn),采用RR布局,2.3公升引擎,NA為80匹,Turbo版為180匹。合共生產(chǎn)了183萬輛,這個數(shù)量比至今為止的保時捷911都要多。
圖:Wilson-Pilcher公司推出的水平對置六缸引擎,其搭載車型作前置后驅(qū)布局。
圖:5.5公升的Tucker水冷式水平對置六缸引擎,OHV配氣機(jī)構(gòu),7.0壓縮比,造就了166匹馬力,但扭力高達(dá)504牛米,推動1900公斤車重綽綽有余。
圖:1959年推出的雪佛蘭Corvair使用一臺2.3公升的風(fēng)冷式水平對置六缸引擎,作RR驅(qū)動布局,最大馬力80匹,渦輪增壓版則高達(dá)180匹,在當(dāng)時極受歡迎的一款車型。
水平對置六缸機(jī)中,最知名的莫過于1963年的保時捷在911 A系列上使用一臺名為Type 901/01引擎開始就使用六缸形式,這臺引擎修改自356上的水平對置四缸(Type 616),至1998年從風(fēng)冷的M64改成了水冷、即M96引擎,以適應(yīng)更廣泛的氣候環(huán)境。同樣以水平對置引擎聞名的Subaru,也1988年時推出了第一款六缸引擎:ER27,并使用到它們的旗艦跑車XT上,之后又陸續(xù)對出EG和EZ兩大系列,但到了2019年,隨著Legacy和Outback停產(chǎn),其搭載的最后一款EZ36也結(jié)束了水平六缸的使命,至于后續(xù)還會不會推出更新型號,這個估計難了,畢竟小排量渦輪是大潮,而之后會是混合動力,再下去便會是電動,傳統(tǒng)汽油動力相信會越來越少。
圖:保時捷從1963年開始,基于水平對置四缸Type 616及在賽車場打出名堂的Type 771的經(jīng)驗,炮制了這臺Type 901,所以為什么總有人說保時捷這臺水平對置6缸機(jī)源自賽車科技,原因也就在這個點兒上。
圖:這個是1967年911S上的Type 901/02引擎,這里可見其風(fēng)冷式氣缸的設(shè)計,有曲軸帶動一個風(fēng)機(jī)將冷風(fēng)吹向氣缸鰭片帶走熱量。
介紹完水平對置六缸引擎之后,接下來的8缸、10缸、12缸、16缸水平對置形式的汽車引擎其實離我們現(xiàn)實生活都很遠(yuǎn)了,例如第一臺水平對向8缸引擎誕生于1904年的美國,使用在Buffum Model G型賽車上,它是由兩顆水平對置四缸引擎合并而來。之后也陸陸續(xù)續(xù)出現(xiàn)過幾款由人手打造的賽車引擎,甚至還有將兩顆大眾1.3L水平對置四缸機(jī)合并而來的八缸賽車引擎等等,這里就不一一展開了。
從六十年開始,真正系列化使用水平對置八缸引擎的還是保時捷,1960年,保時捷研發(fā)了Type 753引擎,排氣量只有1.5公升,準(zhǔn)備參加一級方程式賽事,最大馬力185匹,并在1962年參賽并在法國站贏得了一站也是唯一的冠軍。基于Type 753型,之后又開發(fā)了排氣量為兩公升級別的Type 771型,包括1961年的保時捷718 W-RS、1964年的904/8、1966年的906、1967年的910、1968年的907 2.2和909等六十年代里非常知名的賽車均使用這臺引擎,而它們的最大馬力從209~269匹不等,但這里必須反過頭來說,雖然水平8缸機(jī)并沒有民用,但1963年推出的911的2.0引擎,很大程度上是受到了這臺引擎的影響。
圖:關(guān)于首臺水平對置8缸發(fā)動的歷史圖片,可以發(fā)現(xiàn)一個細(xì)節(jié),這臺水平對置8缸引擎其實是由4臺水平對置雙缸引擎拼合而成。
圖:使用Type 753引擎的保時捷804一級方程式賽車,由Dan Gurney駕駛贏得了1962年法國站冠軍。
圖:保時捷的Type 771引擎,排氣量分為1981cc和2195cc兩種,是六十年代保時捷賽車上的主力引擎。
水平對置10缸引擎暫時還沒有量產(chǎn)過,但曾經(jīng)在60年代初,雪佛蘭為了準(zhǔn)備接替原來水平對向六缸引擎而演過過,代號P10的原型機(jī)在1964年被試驗過,并安裝在Corvair上進(jìn)行測試,但后來該計劃沒有繼續(xù)研發(fā)下去。
Flat引擎的歷史里,幾乎全數(shù)是180°夾角形式的V12引擎,當(dāng)中除了前文提到的法拉利在民用車型上使用這種布局二十多年外,還有一家就是保時捷,但更多的是應(yīng)用在賽車上,保時捷在1969年推出的917賽車上所使用的12缸引擎,就是V12形式,只不過這臺代號Type 912的4.5升風(fēng)冷引擎采用的是180°夾角而已,最大馬力有521匹;1970年升級至5.0L,最大馬力有601匹,后又陸續(xù)進(jìn)行改進(jìn)、到了1971年推出渦輪增壓版,最大馬力851匹,1973年的5.4升渦輪增壓版更高達(dá)1101匹。另外,受到保時捷的影響,1971年的法拉利312 PB、1973年的Alfa Romeo 33 TT12等賽車也陸續(xù)開始使用這樣的180°夾角V12引擎;1991年,Mercedes在C291賽車上開始使用M291的3.5公升Flat-12引擎,最大馬力有600匹。
圖:是不是Flat-12還是Boxer-12,看曲軸梢,這臺保時捷Type 912引擎每個曲軸梢都有兩個連桿相連接,這就是Flat-12。
圖:法拉利312 PB上的三公升Flat-12引擎。
圖:愛快羅密歐的12缸賽車引擎也是Flat-12形式、即180°夾角V12,11500轉(zhuǎn)時可以發(fā)出500匹馬力。
圖:Mercedes在C291及后來的C292賽車上均使用這臺M291引擎,在1991年獲得70個積分,總成績第三;1993年,Mercedes轉(zhuǎn)向F1賽事,M291的發(fā)展被終止。
圖:在上述這么多的12缸賽車引擎里,幾乎都是Flat-12的形式,而1989年由Subaru推出(意大利的Motori Moderni摩爾尼公司制作)的1235引擎則是正經(jīng)的Boxer-12缸,并使用在斯巴魯?shù)囊患壏匠淌劫愜嚿希?2缸+排氣量3.5公升所以名為1235,最大馬力608匹,但這臺引擎并不成功,無論是方程式還是C組賽事。
最后的一款要介紹的是缸數(shù)最多的Flat Engine,它就是由保時捷在1971年推出的6.6公升(6643cc)的Flat-16引擎,是的,它是Flat而不是Boxer。這臺引擎出現(xiàn)于Type 912自然吸氣和渦輪增壓版本之間,原本準(zhǔn)備開發(fā)來參加Can-Am賽事,并使用在917/16 Spyder原型車上,經(jīng)過測試后,這臺引擎能發(fā)出740匹馬力和735牛米扭力,但這個動力性能、重量及可靠性等都不及使用Type 912直接渦輪化來得更直接有效,于是,后來1972年的917/10K全部用上了Flat-12 Turbo引擎,F(xiàn)lat-16項目自然也就終結(jié)了。
圖:這臺Flat-16引擎只是制作了、測試了,但并沒有實際放到賽場上比拼,畢竟它的體積和重量太大、而且動力輸出又不及直接為Flat-12加上渦輪增壓來得直接,所以也就不再發(fā)展下去