聊一聊V4引擎的特色

先前有提到各种引擎的魅力所在与浅谈了点优劣势，但这其中，不同的引擎体系都各自大有玄机，并且，每个细节都值得我们聊上一整晚都说不完，基于私心，在众多引擎配置当中，V型四缸这个可以说是充满速度与激情的组合最为人所津津乐道。

在 Andrew Stroud于2015年发表的Blog中，论及到了一些关于近代V4引擎为何得以成为赛事中的首选，以及其魅力所在的观点，非常有趣！但在这几年中，MotoGP或是WSBK等顶级赛事，在赛道里用上V4引擎的数量也日趋增加，当V4引擎曾经下凡辉煌过，时隔多年，再度的协同最新的科技力量回归日、欧系市售车时，却挑在燃油发动机欲吹响熄灯号的21世纪初，我们知道，现在是最坏，也是最美好的年代。

一、序章

V4曾被誉为最完美的摩托车引擎布局，其中包含了车体动态灵活性、动力的平滑性以及输出马力的损耗最小化，也就是所谓追寻「动力纯度」的最佳对策。

也因此，V4的发动机配置是目前顶级赛事用车里面普遍被认为最理想的，目前诸如HONDA RC213V、DUCATI Desmosedici GP19、KTM RC16以及APRILIA RS-GP等赛车都是使用V4引擎作为动力单元。而另外YAMAHA与SUZUKI虽然维持着紧凑的并列四缸(Inline 4)的布局，但两者也同样使用了十字曲轴来制造近似于V4的点火序列，为何V4引擎如此特殊，甚至连本格派的并列四缸引擎制造商，也必须得耗资巨额的开发成本来达到近似这种引擎的特性？

二、惯性力矩效应

正确一点的说，其实是缺乏惯性力矩效应而让V型引擎可以如此的特别。以传统的平面曲轴搭配并列四缸引擎的布局而言，惯性力矩是活塞运动中的副产品。

在正常的并列四缸引擎当中，最外部的两组活塞向上移动而内部两组活塞则向下，反之亦然。所以，引擎内的四组活塞不是同时加速，同时减速不然就是同时处于静止状态。

活塞具有质量，因此有动量。当汽缸内部处于停止状态时,此时的动量为零，当这种能量一旦被传递到曲轴，曲轴便会逐渐加速。当活塞在每次的冲程开始时都从静止开始加速，则有部分的曲轴动能会被传递回活塞。这种能量传递会引起曲轴转速的波动，形成活塞与曲轴之间的力矩传递的脉动。对于车辆骑乘者而言，这种能量传递所造成的脉动也就会形成所谓引擎的「背景噪音」之外，同时也干扰节气门、引擎与后轮之间扭力燃烧的传递通道。

在V型引擎当中，当一个活塞处于静止状态时，另一个活塞则处于其最大速度(因为活塞都在同一点处连接到曲轴上)，因此这种活塞作动运动也抵销了多数的惯性力矩(不可能全数力矩都被抵销，因为曲轴还是会因为受力而有些微形变)，这一点，如果将Inline 4引擎的曲柄销之间更改为90度的十字平面曲柄，也就是所谓的十字曲轴(Crossplane Crankshaft)，藉由设计的不同来达到与V4引擎运动特性异曲同工之妙。如果要谈到十字曲轴，那就会需要谈到主要以及次要惯性力两个方面去细说，我们这边简而言之的谈，之所以说十字曲轴的设计得以「仿效」V4引擎特性的原因，就在于十字曲轴的物理原理直接改变了点火序列来抵销了多数的惯性力矩，让引擎运转达到最平顺的状态，所以，新的点火顺序为1-3-2-4 ，十字曲轴的点火间隔为270度、180度、90度、180度。而传统平面曲轴的点火间隔则均为180 度，这也是为什么所谓「十字曲轴」被称为「不等间隔点火」的主因。

另外在传统的并列四缸引擎(也就是所谓的Screamer式引擎，与另一种被称为Big Bang式引擎不同，差别在于在一定的频率内所发生的爆炸方式差异。)布局当中，都配有驱动橡胶垫片，来防止在高转速运行时造成传动系统的快速耗损，但这组垫片却有碍于驾驶者对车辆的直接感受。这么说好了，两个短跑选手在比赛，一个穿着短跑钉鞋，一个穿着橡胶大底，当他们把强大的力量从腿上释放时，哪一位选手可以更直接地感觉到跑道表面？

如果你曾骑过V-Twin引擎、Boxer Twin(水平对卧双缸)、V4以及配有十字曲轴的YAMAHA YZF-R1，你会注意到这些车款的出力个性并不若一般的并列四缸引擎那样的丝柔滑顺，这些以接近零惯性力矩的引擎布局所打造的车款，在出力时更加纯粹而奔放，这些引擎配置更清楚地将能量传到后轮，并且给驾驶者更多的资讯回馈，在使用油门的开度拿捏时也可以更有信心。

稍微摊开目前我们仅可远观而不可亵玩的顶级赛车，RC213V、Desmosedici、YZR-M1、GSX-RR、RC16以及RS-GP等，你会发现目前V4引擎以及非平面曲轴引擎不断的在赛道上，向全世界展示所谓主流引擎科技的实力。

三、不等间隔的点火序列

刚刚提到的V-Twin、水平对卧双缸、V4以及配有十字曲轴的Inline 4，似乎这种布局造就了驾驶者能够更好的感受车辆的回馈，如上章所述，这之中在惯性力矩方面起了作用，另一方面，点火序列是否也会影响呢？

以90度V型双缸为例，点火序列有270度与450度两个延迟，因为两个汽缸在同一个点上连接到曲轴，第一缸点火，第二缸则在后270度点火， (序列中1代表点火点，0则无。)再来，转450度之后再次点火，也就是说点火序列为

（1- 0-0 -1- 0-0-0-0 -1- 0-0 -1- 0-0-0-0 -1- 0-0 -1- 0-0 -0-0 - ）

你可以看到在第二次与第一次的汽缸点火序列中间，V-Twin会产生较大的动力空窗带。

而在Screamer Inline 4直列四缸引擎身上时，因为点火角度固定，轮胎在第二次与第一次汽缸点火中间并不会产生间隔较大的动力空窗带，因为直列四缸的点火序列为下

（1-0-1-0-1-0-1-0-1-0-1-0-1-0-1-0-1-0-1-0-1-0-1- 0-）

至于V4引擎，拿HONDA VFR800的引擎为例，不等点火序列角度为180-90-180-270，所以点火顺序会变成

（1-0-1-1-0-1-  0-0  -1-0-1-1-0-1-  0-0 -1-0-1-1-0-1-  0-0  - ）

而至于其他点火序列较为特殊的V4便是DUCATI最新力作Desmosedici Stradale V4，点火顺序为非常特别的0-90-290-380的布局设定，而APRILIA的65度夹角V4引擎则是180-115-180 -245的点火角度，相当特别。

再来，轮胎是具有弹性的，在橡胶抓住地面并且在接触面之上施加力量的方式，即是论胎在与路面接触的水平上进行的运动，而在路面上进行一定的移动量。

有一理论认为，如果轮胎与均衡的点火序列相互配合，则在轮胎运转工作时，就不会受到影响而产生间歇性停摆而丧失抓地力，所以轮胎可以保持一定的力量牢牢抓住地面。静摩擦力要比动摩擦力大得多，利用牵引力和轮胎旋转，将会更容易保持轮胎在持续旋转的状态。如果你曾经在低抓地力的状况之下走行，你会很希望轮胎旋转回到正常的抓地力状态，而不是突然锁死在路上，一般来说电控能够反应的速度要比人快上许多，在这个部分也可以应用电控来提供更快速的辅助。

但V4与V-Twin引擎在点火序列上给了后轮间歇性休息的空间，但我们很难去证明这种不对等点火间距是否真的对于轮胎抓地力有决定性的影响，但从理论上谈，如果有人可以制造出具有常规等距点火但惯性力矩为零的四缸引擎，则可以直接与标准的平面曲柄的Inline 4引擎进行比较。

因为90度V4基本上是由两座90度V-Twin引擎组合而成，每对汽缸共用相同的曲柄销，并且它们是180度的平面曲柄，且不同步。

90度V型引擎中使用的平面曲柄（包含FERRARI其他制造商使用的V8引擎均同）具有与直列四缸引擎里的十字曲轴相同的零惯性力矩的特性。

为了证明V4为两具V-Twin引擎组合而成，我们可以在上面抓两条V-Twin的点火序列并将他们叠加180度，则得：

1  -0-0-  1  -0-0-0-0-  1  -0-0-  1  -0-0-0-0-

+）        1  -0-0-  1  -0-0-0-0-  1  -0-0-  1  -0-0-

_______________________________

=    1  -O -  1  -  1  - O -  1  -0-0-  1  -O -  1  -  1  - 0 -  1  -0-0-

发现了吗？得出的正是方才HONDA VFR800的V4引擎点火序列。

简而言之，在惯性力矩与不等间隔点火这两个项目中，零惯性力矩对于改进驱动能力扮演着举足轻重的角色。

四、小汽缸榨出大马力

对于活塞轻量化的幅度，在市售车上能做到的绝对是有限的。毕竟市售车的制造销售成本与材料都在有限度的范围之内，且并不若MotoGP那般可以不停的砸重本作开发，所以在没有超过整体考量之前，以现有的资源就必须要做到最足够的灵活性与最低的力矩。各大车厂无一不为这件事情做努力，而VTec这个技术，便是改善此一问题的策略：可变的进气岐管，排气阀门、双喷射器、减少摩擦系数并且使用更轻的曲轴。引擎在给定的容量下汽缸数越多，活塞的重量就越小，加速与减速的速度就会越快。由于动力是扭矩x转速，活塞越轻就能够创造更高转速的引擎，动力也就越大，扭矩决定爆炸的大小，功率则是决定爆炸的速度。

车厂必须要透过一些技巧来减少引擎内部的摩擦，从而实现更有效率的动力输出，方法有改善润滑系统、阀门齿轮的设计，并使气体更容易流动，更小的活塞可以更快的作动，所以动力也会更高。V-Twin的生产成本当然比V4要来的低，因为汽缸数只有一半。因此，如果你希望一具V-Twin引擎可以与V4相匹敌，那你势必要花一些重本在这之上。

在WSBK中，使用V-Twin引擎的赛车可以额外增加200c.c.的排量优惠，使这些双缸引擎得以与场上其他形式的四缸引擎保持一致的动力实力。(但DUCATI曾持续抱怨他们不得不超支预算来保持他们的竞争力。)目前以最新的Panigale V4 R参战的DUCATI，即便初型版本(就是现在的V4S)为超过1000c.c.的排量设定，但为了赛事需要，依然推出了R版999c.c.来符合规范。

五、所谓灵活

对于引擎我们总会希望看到的，是一具灵活不笨重的精致机械，并且在全转速域中都具有不错的功率输出。虽然令人感到兴奋的是Screamer并列四缸引擎在道路与赛道上都具有相当不错的表现，但引擎输出越灵活，骑士就可以越迅速的转动油门并且更快地把车拉出弯道，将所有动力都放在高转速域的引擎相对的在低转速域的表现就会显的挣扎。

V-Twin引擎对于没有接触过的人，都会认为是所谓灵活的引擎。V-Twin对摩托车而言跟汽车上的涡轮增压引擎有着相同效果。在全转速域中都能产生大量的动力，这是因为汽缸大，爆炸大，扭力也大。

以拳击手来做比方，重量级的拳击手配戴更大的拳击手套，但每秒钟他无法挥出太多拳，而羽量级拳击手则是可以在短时间内大量且快速的进行刺击(对，大概就像间柴使出的闪电刺拳那种概念。)，百万吨重拳当然可以打出很大的力量，当然也有可能一拳把你轰倒在地。这就类似V-Twin的特性，更大的活塞往往就会具有更多的固有震动，而四缸引擎拥有较小的活塞相对而言震动便较小，但平平是四缸，V4的不等间隔点火序列又有点打破了这种丝滑平顺的感受，因为增加了自体的不平衡，所以在3000转以下的低转速域时，引擎给力的方式就会略显粗糙，甚至是带点「块状」式的出力。

六、心脏大小决定很多事

V-Twin形式的引擎布局无疑的是一种狭窄紧凑的形式。两个活塞共用一个相同的曲柄销，且该引擎布局容许偏移，所以通常你看到的V-Twin引擎车款都可以做得很纤细狭窄，并列三缸明显比同等并列四缸来的窄，但如果是以V4引擎来比较的话，V4引擎甚至可能可以比并列三缸来的更窄。

因此，V4引擎提供了你一个精致小巧却猛爆惊人的优秀心脏，虽然在横向空间上具有狭窄优势，但是在纵向的部分却较并列四缸引擎布局来的冗长，且需要移动车体零件的位置，特别腾出空间来安置这颗引擎。另外可惜的是，V4的建造成本相当高昂，因此在市售车的部分只有资金雄厚的车厂(如HONDA或是APRILIA)才有办法解决这个问题。

运动性高的车款可以很顺理成章地处理短轴距，并且透过加长一些的摇臂来调整大功率的输出问题，在前半部的散热器与引擎后方的震动通常会移动其他硬体来适应安置纵向距离较长的V4引擎，除此之外，也有些车厂利用减少引擎夹角来让引擎本体缩小的目的，如APRILIA RSV4那具特别的65度夹角V4引擎，但这种解决方案并无法减少引擎运转的负担，且因为V4先天的造型因素，后缸的散热问题始终都是暴力美学下的致命伤。

HONDA的VFR800与VTR1000则是改使用侧向安装的散热器，这样一来引擎可以在更往前挪动，可以在前叉上实现更理想的重量分配。而SUZUKI的TL1000S则采用了旋转式减震器，但结果是还满悲剧的。

七、自然而然的天籁

Inline 4的绵密的运转声很美，就如同一盅Bordeaux葡萄酒那般的丝绸滑顺又讨喜，但始终没有太多的个性，这种说法当然人各有志。但如果以赛事的配置角度而论，如果能有更加出色的引擎则能够使人更加来劲。SUZUKI GSX-R1000与HONDA CBR1000RR Fireblade这样的公升级旗舰跑车当然是非常令人喜爱的，运转品质优秀之外也非常的好上手，速度也不差。但如果你正在找寻一些与众不同时，V4或是十字曲轴的Inline 4引擎也许可以引起你的兴致，这两组引擎与生俱来的声音就像是迷你的V8，在引擎声浪的部分V4与十字曲轴的Inline 4是无懈可击的，V4就像传统的暴力V8那般的布局，实际上也是相同的原理。

八、未来发展

YAMAHA在量产型车种当中率先使用了十字曲轴的引擎配置，而在赛道上也成功的证明过这种布局的确是有效且具有持续竞争力的扎实基础。而这种技术当然也会被其他制造商给注意，在今天车厂的财务实力不及PIAGGIO(APRILIA的母集团)或是HONDA，则可以选择使用本格派的Inline 4并列四缸引擎再搭配曲轴设计来产生与V4相抗衡的实力，而不须太过考虑到复杂且昂贵的设计与引擎装配的问题。

2015年GSX-RR代表着SUZUKI最高级别的赛车参战MotoGP，也同样装备着十字曲轴的Inline 4引擎，也许不久之后可以看到SUZUKI也能将这种技术下放到GSX-R1000身上。

V4的设计问题与造价不斐，是让这种引擎布局在目前的市售车市场中无法开枝散叶的主因，但撇开单一形式，以V4的优点为目标所使用的十字曲轴Inline 4引擎能否从目前的公升级再往下至600c.c.的运动车款，值得我们观察。