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独领风骚——V型四缸发动机的发展趋势

2021年03月24日 08:51:02
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来源:摩托车杂志

众所周知,代表世界公路摩托车最高水平的比赛是MotoGP。MotoGP与超级摩托车锦标赛(WSBK)不同:前者使用的特制赛车,是市面上无法买到的;而后者在市面上有对应的同款量产型摩托车,如YZF-R1、ZX-10R、CBR1000RR等,再由赛车队制造或改装,里面的技术涉及许多商业秘密。以本田MotoGP赛车RC213V为例,尽管本田推出了市售版RC213V-S,但仿制毕竟不是正品,还存在着很多差异,比如气门驱动机构,RC213V-S安装的机械弹簧,但是RC213V用的则是气动弹簧,这直接导致动力性能和特性不一样,实现了更快、更高的转速,从而榨取出更强的峰值功率。据了解,最新版RC213V的V4发动机,能够爆发超过180kW的最大功率,比仿制赛车RC213V-S足足高出60kW以上!与之相反的则是质量,RC213V-S的净质量相对来说已经很轻,只有170kg,而RC213V则通过大量采用碳纤维、钛合金、镁合金等轻质材料,进一步削减了13kg质量。这样一增一减,RC213V的战斗性能百尺竿头更进一步!

代表摩托车最高技术水平的MotoGP战马,当前主要分为两大阵营,即与本田杜卡迪等为代表的V型四缸发动机阵列和与雅马哈、铃木等为代表的并列四缸发动机阵列。

在当前最高级别的MotoGP比赛中,可以说是分成两大阵营,即V4与L4的较量。

截至2019年赛季结束之前举行的50场比赛中,搭载了V4发动机的MotoGP赛车攫取了44场胜利,胜率高达88%;在这50场比赛创下的极速中,V4赛车拿下了47个极速纪录,占比高达94%。通过数据分析,可见无论是胜率还是极速,搭载了V4发动机的赛车都占据了绝对优势!

这应该如何作出解释?如果V4赛车与搭载了并列四缸发动机的赛车数值相近,我们可以用骑手的水平来解释;但如果这种差距是明显的、难以跨越的,那么原因除了骑手之外,我们就还要从赛车技术方面来分析了。直接大胆的猜测,就是V4发动机的动力是否比并列四缸发动机更猛些?如果确实如此,那么在同等的排量下,V4发动机输出更猛的动力是如何实现的?

我们也无须卖关子,先给出直接答案,再来细说原因。

是的,简单来说,在同等排量的前提下,V4发动机输出的动力确实比并列四缸多一些。让我们简单比较一下2019年赛季的战马就清楚了。

雅马哈一直坚持采用并列四缸,2019年赛季战马YZR-M1搭载了液冷、DOHC 16气门的并列四缸发动机,排量为1000mL。根据官方公布的数据,这颗动力心脏能够爆发超过176kW的最大功率,而整车质量只有区区157kg,具备了优秀的功率质量比。铃木赛车队的战马GSX-RR,同样搭载了1000mL的并列四缸发动机,最大功率超过176kW,可以跑出极速340km/h。

尽管雅马哈、铃木已经很优秀了,但是搭载了V4发动机的本田杜卡迪更胜一筹。早在2006年赛季,本田就推出新二代战马RC212V,其中V指的是V型四缸发动机。后续推出的第三代战车就是RC213V,搭载的仍然是V4发动机,排量提高到1000mL。2019年赛季, RC213V搭载的V4发动机排量为1000mL,但是最大功率超过了180kW!同样搭载了V4发动机的杜卡迪赛车则更猛,最大功率超过了186kW,比征战世界超级摩托车锦标赛的Panigale V4 R至少高出20kW以上,能够驱动Desmosedici GP19能够跑出350km/h以上的极速!

因此,就结果而言,在1000mL的MotoGP战马中,V4发动机输出的动力确实比并列四缸发动机更多一些。这是如何实现的呢?

主要原因归功于曲轴——由于结构不同,V4发动机的曲轴比并列四缸更短,因此更硬、更强。另外,紧接连杆的大头轴颈产生的摆动力偶更少些,震动相对较少;更加理想的是,如果V4发动机采用90度夹角,那么会实现理想的初级震动平衡。简而言之,更强的曲轴,更少的震动,更好的平衡,这些优点允许设计师对V4发动机作强化设计,榨取更高的转速和更多的功率!

V4发动机输出更强动力的另一个原因,是因为无效损耗更低。由于V4发动机只需要配置3个主轴承,而并列四缸发动机至少需要5个主轴承,因此比较而言摩擦损耗更少。发动机都有泵送损失,1000mL发动机在转速18000r/min时,空气流量达到每秒300L,将空气吸入发动机、完成燃烧后又推出发动机的动力损耗不可避免,但是得益于V4发动机的曲轴箱结构,能比并列四缸发动机的曲轴箱更好地处理气流,因此同样减少了泵送损失功率。

而且,如果V型四缸采用90°夹角布局,那么将具备更多的先天优势。杜卡迪的MotoGP赛车从2003年赛季就采用这一夹角,本田则从2012年赛季起采用。这种结构允许工程师选用广泛的不均衡点火次序,诸如“大爆炸点火”、“长爆炸点火”等,从而为不同驾驶风格的骑手,找到最佳匹配的动力输出特性。这也是为什么在采用V4发动机的赛车中,杜卡迪本田、阿普利亚现在都不用更紧凑的夹角,而统一采用90°夹角的缘故。

当然,V4发动机存在自身的不足。赛车普遍倾向于采用短轴距,目的是实现更爽快的转向响应,但是V型四缸的结构导致尺寸偏长,这让车架设计师感到头疼。另外,V4发动机的后缸占据很多空间,而且会产生大量的热,会对其他零部件造成影响,因此对车架、空气室、排气系统和油箱等设计和安装提出更高要求,避免受到影响。

在赛车领域,没有任何技术方案是完美的,无论是车架设置还是电子智能辅助装置,无论是V4发动机还是并列四缸发动机,都是综合衡量考虑的结果。你作出了选择,然后就最大化地利用优势,同时尽量避开它的不足。

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