有奖问答，揭晓了。

mianhuatang

有奖竞猜，分数超级得多

这次我们的学习对象是这台引擎。还是和上次一样，3个问题，回答完全正确的全部给分，部分正确的给部分分，鼓励多写字。请不要用google，即使你用了，也绝对找不到答案。如果你能用google找到我所有问题的答案，给你500分。说到做到。

最终评判权归我所有。

1．
这台引擎是宝马的什么引擎，代号是什么？10分
从引擎平衡的角度来说，为什么I6引擎（V12引擎算作2个I6）要远远胜过V8，V10等引擎？提示：从活塞的正弦运动and / or高阶平衡来解释。这里30分。

2．
这台引擎最大的特点就是从喷油嘴到近气阀的管道非常非常非常非常的长。按说一台赛车引擎对油门的反应要求是非常高的，宝马却反其道而行，这样做有什么好处？这里50分

3．虽然这样做有优势，但是与此同时也带来很多问题。说对1个给15分，如果能正确深入分析的，每个再给15分。

zjet

这回抓瞎了，完全不知道了......

我反其道而行之，用GOOGLE找一下看看有没有突破口！当然不是直接找，而是转个弯来找！

zjet

首先我想到的是，要确定是几气缸，直列还是V型？它们的分别在那里，这里只有一个进气口，所以从这里作为突破口！

luovise

1.   2005 BMW E46 WTCC赛用引擎 代号：P54B20
         285ps/8800rpm   169.62ft.lb/7000rpm
那个银色碳纤intake和特制高压包显示其不是一般器物，但看着很眼熟（缸体倾斜程度、高压包位置、飞轮盘组合、以及缸盖上几个螺帽），估计不是E36 就是E46 用的引擎。不过图中神器的Vanos部位跟E36 M3用的S50引擎不同，是两个半圆凸，并且机油口的位置也不同，所以估计是S/M54引擎为本体改的赛用引擎，那么其生产年份在本世纪初的头几年。如果是赛用引擎，目前能将世纪初的这种牛逼产品如此完美地供养起来的所在，世界上估计也就没几处！去Munich BMW Museum条目下查了下，发现是代号为P54B20的BMW E46 WTCC赛车用引擎。

2. 因为是直列六缸的死忠，引擎平顺性以前曾经了解过一点，但仅限于YY我那台S50，水平有限。我也不是很了解一阶力、二阶力，以前看细川武志的《汽车构造图册》，粗略了解过不同冲程中的振动情况。理解如下：
平顺性包含了两点：动力输出连贯性和振动。
先讲输出连贯性，内燃机4个冲程，单缸720度输出动力一次，由此可知，缸数越多，动力输出的间隔越小，连贯性越好，如：720/12（缸）=60度一次输出。
其实重点是振动，活塞上下运动，但活塞连杆却会在纵向与横向上运动，横向运动能产生振动。振动是重点。
直列3缸通过安排点火序列，可以使3个缸处在各自相距1/3冲程的状态，3个活塞与连杆组成的整体的重心，始终落在中间那个活塞+连杆的中央位置上，在纵向重心变化方面，能够做到几乎平衡。但实际上，这个模型是以第二缸为轴进行着类似自行车脚踏板式的运动，当大家踩单车踩得很快时，应该可以感受到左右两侧受到的振动，这种振动都被作为轴点的第二缸在一定程度上吸收了，但如果转速继续升高，势必使整个引擎受到很大压力，导致丧失平衡。
直列4缸稍好点，将4个缸各自安排处在一个冲程，且1-4缸、2-3缸对应，呈中央对称，互相平衡。在运行中，对应缸的活塞位置相同，但冲程相对。 但在实际上，处于不同冲程中的连杆通过活塞与气缸内壁产生的横向作用力方向也并不相同，活塞向上时气缸内壁通过活塞与连杆对曲轴产生的压力与活塞向下时曲轴通过连杆和活塞对气缸内壁产生的压力不等，所以，1-4缸组合与2-3缸组合还是没法完全精确地平衡。
直列6缸好理解点，就是将两个直列三缸串联，1-2-3一组，4-5-6一组，各组能够在垂直重心上独立保持平衡，串联后又能在横向重心变化上相互平衡。
V12可以看作是两台直列6缸的组合，所以也具有先天的优越性。V10可以看作两台直列5缸，V8、V6类同，先天都具有直5、直4、直3的不足。
以上是我的理解，也请大家评论，谢谢。

3. a、增强低速下扭矩；b、降低进气温度；c、使油气更好地混合。
我知道独立节气门和短进气道的优劣，姑且就尝试反推吧。独立节气门和短进气道有利于消除进气干涉，减少空气摩擦，有利于引擎在高转时的扭力发挥和油门响应速度，但同时会对低转速下的运行造成一定影响，诸如低速扭矩底下。  估计这么长的进气道是为了提升引擎在低转下的扭力性能，由此猜测这台引擎是拉力、爬坡、短途竞速用赛车搭载的，但WTCC显然不是这样的赛事。再看P54B20的数值：285ps/8800rpm，转速非常高，所以我的脑子就想不明白了，同样以高转速著称的Spoon S2000的F20C引擎，最高转速11000rpm，进气道目测也是一样的长！它们俩还有个共同点，就是排量为很接近的2.0与2.2，WTCC赛规规定参赛车辆排量一定要为2.0L，是不是2.0左右排量的引擎要主攻高转速就要加长进气道？说不过去啊，不是说独立节气门+大口径有利于高转嘛，想不通了，望棉花糖解答。

4. 劣势仍然是个谜，a、油门响速度底下； b、高转速下因为进气阻力而扭力稍逊。C、耗油量增加。 WTCC的赛道又不是低速多弯赛道，甚至还有伊莫拉赛道，什么使得BMW做出如此改动呢？

*还有个问题也很怪，为什么喷油嘴要靠近远离引擎本体的那侧而不是靠近本体的那侧，是因为喷油嘴雾化性能不够，放得较远有利于油气的充分混合？



[ 本帖最后由 luovise 于 2010-6-30 18:03 编辑 ]

luovise

不知道非常非常非常非常的长的进气道是否关系到“进气谐振”和“进气波动效应”？

百度百科：
由于进气过程具有间歇性和周期性，致使进气歧管内产生一定幅度的压力波。此压力波以当地声速在进气系统内传播和往复反射。如果利用一定长度和直径的进气歧管与一定容积的谐振室组成谐振进气系统，并使其固有频率与气门的进气周期调谐，那么在特定的转速下，就会在进气门关闭之前，在进气歧管内产生大幅度的压力波，使进气歧管的压力增高，从而增加进气量。这种效应称作进气波动效应。

不知道这个效应产生的马力扭力增加是否可以与采用更粗更短的独立式节气门媲美，是否有一个很复杂的计算公式？这玩意玄得像《地心末日》（the Core）里面科学家用核弹产生连环震荡波来让地心转动……

[ 本帖最后由 luovise 于 2010-6-30 18:17 编辑 ]

Zigzag

必要的时候还是需要google的

什么引擎不知道，但是有关平顺性记得之前看过一些内容，找出来了

1. 动力输出的连贯性与振动问题是影响引擎平顺性的两项因素
影响引擎平顺性有两个主要因素，一是动力输出的连贯性，另外则是引擎振动的
问题。V12 引擎虽然是这篇文章的主角，但是要了解为什么 V12 是内燃机引擎是最
完美平衡的引擎结构，还是得要拉拉杂杂细说从头，从最基本的理论谈起。
内燃机引擎是由活塞在汽缸内往复运动，经由连杆带动曲柄轴将动力输出。您一
定了解内燃机引擎有进气、压缩、动力、排气四个冲程，只有动力冲程产生正向动力，
而进气冲程，排气冲程，冲程都只消耗能量，特别是压缩冲程消耗能量最多。四冲程
引擎活塞要在汽缸内往复两次，才能完成这四个冲程，也就是说，曲柄轴要旋转两圈
720 度才点火一次，有一次动力输出。
因此如果引擎只有一个汽缸（像是一些机车引擎），引擎的动力输出是一个周期
性的脉冲，动力输出完全不连贯，自然也很不平顺，这时候便必须加上一个很重的飞
轮，利用其惯性来暂时储存、释放引擎输出的动能，使引擎能大约维持在一个定速运
转。当然，要完全消除这种脉冲式的引擎动力输出，理论上飞轮得要越大、越重，动
力输出才会越平顺，但过大的飞轮也同时使引擎反应变慢。
解决这个问题的答案，您早就知道了—我们需要多汽缸引擎。简单的数学：单汽
缸引擎每转两圈才点火一次，二汽缸引擎每转一圈便有汽缸点火一次产生动力，三汽
缸引擎每转 720/3=240 度有汽缸点火一次，四汽缸引擎每转 720/4=180 度（半圈）有
汽缸点火一次，…12 汽缸引擎曲柄每转 720/12=60 度便有汽缸点火一次。显然的，引
擎汽缸数越多，动力输出越能连贯。
引擎振动的问题解释起来比较复杂一些，这里还是从单汽缸引擎开始想象。引擎
振动是由其内部组件的运动所引起的，主要当然是活塞和连接杆。活塞在汽缸中上下
运动，如果引擎没有被固定起来的话，一定也会向卡通影片常见的情节，上上下下到
处乱跳，振动的问题会十分严重。而活塞连接杆的运动方向不只是上下，还带着点儿
横向运动，所以引擎运转时也会有横向的振动。只是和活塞比较起来，连接杆轻得多，
因此连接杆左右移动造成的振动，比起活塞上下移动造成的振动要小得多。
引擎振动带来的噪音和不舒适感，自然是汽车工程师亟欲解决的问题。解决的方
法，当然还是可以额外加入各种平衡轴来平衡振动，但是根本之道，还是要回到引擎
架构的先天因素，利用多汽缸设计让各汽缸活塞，连杆的运动巧妙地互相平衡。
多汽缸引擎运动的情况实在太复杂，我们最好一个一个来讨论。

2. 直线多汽缸引擎振动的平衡
咱们一步不要跨太大，先从直线二缸引擎开始谈起。
前面提到，直线二汽缸引擎曲柄轴每转二圈，两个汽缸轮流各点火一次，为了让
动力输出比较连贯，一个汽缸进行进气、压缩冲程时，另一个汽缸同步进行动力、排
气冲程，而这两个引擎活塞移动的方向和位置都一模一样。
麻烦大了，这个意思是说，直线二汽缸引擎两个活塞的运动不但没有互相抵销，
反而同步动作，整体的振动幅度，会比单一的汽缸产生的振动还要大两倍。因此就引
擎精致度来说，直线二汽缸是最差的引擎架构。过去虽然曾经有最便宜的迷你小车采
用过这样的引擎架构，像是飞雅特 128，本田入门及的小车 Today 等，但现代早已没
有任何量产汽车采用二汽缸引擎了，即使是目前排气量最小的日本 K-Cars，660cc 的
引擎排气量理论上来说比较适合安排成二汽缸，但是他们仍使用三汽缸甚至四汽缸来
避免二汽缸造成的严重振动问题。


直线三汽缸引擎的架构便开始能从先天重心的配置上解决引擎振动的问题了。直
线三汽缸引擎曲柄轴每转每转二圈，三个汽缸轮流各点火一次，动力输出要连贯的
话，曲柄轴经过巧妙设计，让三个汽缸的活塞随时都在相距 1/3 个冲程的位置，这样
的安排也使得不管曲柄轴旋转到那个位置，三个活塞和连接杆合成起来的重心，始终
维持在同样的垂直位置，所以引擎垂直方向不会有任何振动产生。
不过直线三汽缸引擎中三个汽缸是一字排开，三个活塞上下运动是各自施力作用
在曲柄轴三个不同的位置，因此实际上三个力并没有彼此抵销。想象曲柄轴是一支跷
跷板，以第二个汽缸为中心固定住，两端不断被第一个汽缸和第三个汽缸的活塞轮流
施力，曲柄轴便会像跷跷板一样上上下下来回振动。因此直线三汽缸引擎仍然需要一
个由曲柄轴驱动的平衡轴来平衡振动，平衡轴两端各有一个配重，配重移动的方向和
两端汽缸的活塞移动方向相反，活塞向上升、配重便向下降，活塞向下降、配重便向
上升，如此一来曲柄轴跷跷板便不会上下振动了。


直线四缸引擎对振动的抑制又更高明一些。引擎教科书也可以找到四汽缸引擎振
动的数学分析，简单的说，四汽缸引擎曲柄轴每转每 720/4=180 度便轮到一个汽缸点
火，在每一个瞬间，四个汽缸正好分别在进行四个不同的冲程。因此四个汽缸活塞中，
有两个活塞是一组，运转过程中在完全一样的位置，向完全一样的方向移动，另外两
个活塞则是另一组，位置和运动方向和前一组恰恰相反。
这两组活塞要怎么安排，才能有最好的平衡振动效果呢？把这一字排开的四个活
塞分别取名字叫做一号、二号、三号、四号的话，为了避免前面提到直线三汽缸引擎
曲柄轴振动问题，最好的安排是以中央对称，也就是一号和四号一组，二号和三号一
组，如此一号的活塞对曲柄轴的施力会被四号活塞平衡，二号活塞则会被三号活塞平
衡。
不晓得您头昏了没有。
前面提到的振动平衡，是所谓「一阶力(first order force)」平衡。但是活塞向上运
动和向下运动时对曲柄轴的施力不完全相同，所以一号活塞和四号活塞、二号活塞和
三号活塞对曲柄轴的施力实际上没有完全互相抵销，没有抵销剩下的力就叫做「二阶
力(second order force)」。二阶力自然比一阶力小得多，但频率是一阶力的两倍，特别
是较大的引擎二阶力还是会造成明显的振动，无法被忽略，因此大型的直线四缸还是
需要用平衡杆的配重来抑制引擎振动。直线四缸引擎为了平衡二阶力，需要一对由引
擎驱动的平衡轴，两支平衡轴分别位于引擎两侧，旋转方向正好相反，且转速是曲柄
轴的两倍，平衡轴上的配重会完全抵销二阶力，让引擎运转平顺。
这会儿您真的头昏了。


一般来说，汽车制造厂最喜欢直线四缸引擎，因为其制造成本低，尺寸又小。而
直线四缸引擎汽缸行程越长、活塞连接杆越重，前面提到的二阶力也就越大，越需要
加装平衡轴。直线四缸引擎的平衡轴是由英国汽车工程大师 Lanchester 博士在二十世
纪初就发明了，后来日本三菱汽车厂取得专利，1976 年首次用在量产汽车上。随后
turbo 引擎风起，飞雅特、绅宝、乃至保时捷都纷纷从三菱取得专利授权，将平衡轴
装置在其强力的直线四缸引擎上。从 80 年代开始，汽车厂对于引擎精致性的标准是，
排气量超过 2000cc 的直线四缸引擎，都必须加装双平衡轴(twin-balancer shafts)来减
少振动。没有这种双平衡轴，保时捷绝对不可能做出 944 和 968 上的 3.0 升强力直线
四缸引擎，这也是现代汽车最大的四缸引擎。


五缸引擎不那么常见，谈完直线四缸引擎，这里直接跳到直线六缸引擎。前面谈
过三汽缸引擎的架构，直线六缸引擎的配置，则是将两组三汽缸左右对称地组合在一
起，活塞一二三、活塞四五六自成两组三汽缸自我平衡系统，而活塞一永远和活塞六
在同样位置、活塞二和活塞五在同样位置、活塞三永远和活塞四在同样位置，曲柄轴
跷跷板式的振动，也可以得到平衡。
总而言之，直线六缸引擎不论是垂直力或横向力，或者作用在曲柄轴上的一阶力
或二阶力，都完全平衡，引擎总振动接近零，基本上是一个完美平衡的引擎架构。除
了直线六缸引擎外，其它还有几种引擎架构也可以达成同样的完美平衡，但是直线六
缸引擎是外型尺寸最小的一种。汽车工程师很早已前便了解直线六缸引擎的优美，也
因此您看到许多最好的古典汽车引擎，像是劳斯莱斯，朋驰，积架，BMW 的引擎，
都是直线六缸的架构。

3. V 型引擎架构
  
直线六缸引擎虽然有完美的平衡架构，但最大的缺点是，六个汽缸排成一直线，
实在是太长了，特别是前轮驱动车还得腾出空间容纳传动系统，直线六缸引擎不管是
直的摆还是横的摆，引擎室内的空间配置都非常困难。比较起来 V6 引擎的空间利用
效率就好得多，横置的 V6 引擎体积小又方正，很容易塞进前轮驱动车的引擎室中，
因此颇受车厂喜爱。V6 引擎基本上是两组三汽缸以 60 度或 90 度面对面排成 V 型，
两组汽缸的活塞运动经过搭配，作用力可以互相抵销，加上前面提到三汽缸引擎可以
自我平衡，使得 V6 引擎还是有很好的平顺性。
不过 V6 引擎的两组三汽缸，仍然有前面提到曲柄轴跷跷板式振动的问题，还是
需要加装平衡轴来抑制振动，理论上直线六缸引擎还是比 V6 引擎平顺。而且 V6 引
擎的曲柄轴、进排气阀的设计要有两组，比直线六缸引擎复杂许多，所以像是仍然坚
持后轮驱动的 BMW 车厂，就仍钟情于直线六缸引擎。
惨了，谈了这么久，还没有谈到本文的主角 V12 引擎。赶进度，跳过 V8、V10
引擎，直接切入 V12 引擎架构。
不过其实谈到这里，V12 引擎架构在引擎精致度和平顺性上的优势，应该已经十
分明显，您早已心神领会，不太需要详细解释了。
首先，V12 引擎曲柄轴每转两圈，12 个汽缸就轮流各点火一次，平均每 720/12=30
度就有一个汽缸动力冲程输出，动力输出即使不用飞轮处理，也必然十分连贯、平顺。
再就振动的平衡来说，V12 引擎由两组已经是完美平衡的六汽缸架构，以 60 度面对
面排成 V 型，更是理论上平衡性最完美的引擎架构。
V12 引擎动力输出强劲自不待言，精致度、平顺性也是内燃机引擎的极品。当然
V12 引擎主要的劣势在其制造成本、重量、和尺寸，一般量产汽车自然不容易高攀。

4. 结语
内燃机引擎架构还颇有一些学问对不对？下回您看到哪部汽车的引擎是直线四
缸、直线六缸、还是 V6、V12，您应该对其引擎精致度的先天条件有更深入的认识
了。
就引擎的平衡来说，水平对卧式引擎是达成平衡最简单、有效的方式。水平对卧
式引擎也称做 Boxer 引擎，我自己毫无考据的认为，Boxer 拳击手这个名字的来源，
应该是其两组汽缸面对面，活塞连接杆互相搭配旋转，就好像两个拳击手你一拳我一
拳互相对打一样。
水平对卧式引擎不管是几个汽缸，两对面的汽缸活塞都永远在相对位置、方向、
和速度，因此所有的力都完全平衡。就引擎振动的平衡来说，水平对卧式引擎会是最
佳选择，但是这种汽缸配置方式引擎太宽、体积太大，很难包装起来放在引擎室里，
所以目前只有保时捷、速霸陆等几家车厂采用。

Zigzag

至于喷油嘴到近气阀的管道非常非常非常非常的长，我想是不是为了降低进气温度？

mianhuatang

关于引擎平衡已经分析的不错了。但是剩下的问题，没有一个人答对。。。残年。。。

提示一下，引擎转速高了啊，就该怎么样了呢。。。提示已经非常明显了。。。

大众铁托

ZIGZAG百度出来的内容，应该是一位叫BLINDSIGHT盲刀的网友写的。这个盲刀也是个中科大的高材生啊，现在也在美国。理论水平不错的说，估计和棉花兄能有得一谈。呵呵。

mianhuatang

看起来回答得出剩下问题的人基本上也没有了。。。公布答案了

第一题

这个引擎是大名鼎鼎的P54B20，用在WTCC E46 320i 上面的。2升的引擎压榨出来接近300马力，而且是在2000年前后，绝对是工程学上的一项经典之作。

上面那个转google的文章写得不错，我就稍微补充以下，普通引擎的活塞运动可以认为是一个正弦波，对不失学工程的人来说，这个可能不太好理解。具体就是在活塞再top dead center以下简称TDC的时候，可以认为是正弦函数sin(x)在x=π/2的时候（如果连角度和弧度都搞不明白的话，建议就不要往下看了）。同样的，在bottom dead center的时候，那么sin(x)就应该在x=3π/4的时候。当活塞运动到汽缸一半的时候，那么x=0或者π。

那么从正弦波的角度来看，活塞每π/2的运动方向是不一样的，也就是活塞的往复运动。如果从一阶动平衡来说，只要I4引擎就可以完美的平衡了。但是这个我们不太在乎，因为实在是太简单了。However，其实活塞在一个冲程里，有加速度和减速度，而且加减速度的变化量是不一样的，也就是说，速度的2次微分在加速和减速的时候是不相同的，这样I4引擎就没有办法完美平衡了。I6引擎正好可以用5，6气缸解决这个问题。

上面的一些答案很多漏掉了一点，也就是connecting rod不仅仅是在平行于气缸的方向运动，它还在垂直于气缸的方向上产生了运动，这个也是2阶动平衡，也需要I6引擎才能解决。

其实，说到底，引擎的运动是一个泰勒展开式（不强求你能背出来泰勒展开式，但是如果这个名词的意义不了解的话，建议也可以不要往下看了），理论上需要无穷多的汽缸才能完美的平衡掉所有的震动。但是一般超过3阶的运动，就可以忽略不计了。

BMW原本坚持使用I6是我最欣赏的一点，可惜近年来把老传统给丢掉了，而且竟然用起来增压，所以，以后的high performance vehicle一定不会再买bmw了，一定是911了。毕竟911的Flat6是坚持了40年的传统，而且不断创新的艺术品。