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如果听到V6、L6时你的心里会有涟漪，那你一定是对汽车有着足够好奇心的同学。事实上，关于六缸机的传说，这么多年来一直不曾断绝。

「六缸机是高档汽车的象征，又安静又舒服！」

「三缸机开起来抖得像地震一样！四缸机也不如六缸！」

大抵如此。

这些传说实际上都有着深刻的理论基础，接下来……逆着知友们的习惯……我们先看看为什么，再问是不是。

发动机对于汽车而言，是一种输出动力的机械，用「心脏」作为比喻再形象不过了。但大多数人可能并不熟悉它的另外一种定义：一种将往复运动转换为旋转运动的机械。汽油的燃烧是意义上的「爆炸」，气体的能量释放伴随着体积的迅速膨胀，本是非常无序的。我们不太能指望将一个没有方向性的「爆炸」过程，转换成有方向的旋转运动。

工程师说，我就偏要有！于是就有了这个。

我们常说的「四冲程」，指的是发动机做功的整个循环。每次做功前，首先让活塞下行，打开进气门引入新鲜空气和汽油；此后让活塞上行，关闭气门形成一个密闭空间，将混合的油气压缩到极限；完成前两步准备以后，点燃汽油让膨胀的气体推动活塞下行；最后打开排气门，让上行的活塞将废气排出气缸。

不论是活塞的往复还是曲轴的旋转，都是种简单的运动，然而有了摇摆的连杆，这两种运动就得以建立起复杂而确定的关系。

这种关系，正是我们想要从汽油当中索取的能力。

你肯定已经注意到了，整个循环只有第三冲程才是汽油释放能量的窗口，而其他三个冲程都由曲轴带动活塞消耗残存的能量。那么问题就来了，第三冲程活塞给曲轴造成的冲击力，岂不是要比其他三个冲程大很多？确实如此。

工程师说，四个冲程三个不做功，明显是一缺三！

再找三个气缸就可以凑一桌麻将了！于是就有了四缸机。

为了方便描述活塞和曲轴的运动，平时我们用曲轴转角对相位进行定义。一个工作循环活塞往复两次，曲轴旋转两圈，一共转过720°，每个冲程就是180°。由于四个气缸均匀点火，每个气缸的相位偏差也刚好是180°。

一桌麻将的问题，就解决了。

曲轴的受力每180°出现一个压力波峰，但气体能量的释放却有自己的过程——即便是电压的跳动都难以是阶跃的变化，更何况是可压缩的气体。这意味着在整个做功循环里，曲轴从受到1次冲击变成了4次，但冲击依旧是冲击，并不是平稳的受力。只不过当发动机的转速从1000r/min提升到6000r/min时，曲轴转过180°的时间从0.03s降低到了0.005s，冲击更加密集，点火燃烧的压力波峰都快能连成一条线了，我们也就能感受到越来越平顺的结果。

转速太低的话……还记得停车怠速为什么抖动得特别厉害吗？这就是原因之一了。

当然了，气缸的数目越多，相同的发动机转速下点火频率更高，无限数目的气缸，理论上可以让曲轴在每时每刻都受到恒定的力，简直不要太稳。仅从点火频率来考虑平顺性的话，六缸机显然要比四缸机好上很多。

这就是全部了？这只是个入门。

下面我们要开始三步画好蒙娜丽莎的第三步了！

开玩笑开玩笑……

大篇幅的推导，就不在这里吓唬大家了，那是工程师做的事情。但在发动机的曲柄连杆机构里头，受力分析确实复杂，有缸内气体作用力、运动质量惯性力、摩擦力等等，当中的惯性力又分为一阶和二阶。往复惯性力可以写作：

其中一阶惯性力写为：

二阶惯性力为：

具体的变量意义就不解释啦，反正大家也不喜欢看。但这公式很清晰的描述了活塞的往复运动，实际上是一种简谐运动。

简单说来，活塞在气缸内的上、下极限位置速度是零，但加速度最大。在从上往下或从下往上运动时，加速度慢慢减小，而速度是增加的。在某个临界点时速度达到最大，加速度变成零，过了临界点以后开始受到反向加速度，速度又再一次下降至零。活塞的加速度与自身质量的乘积，就是其往复惯性力；同理，曲轴在旋转的过程，运动和连杆有直接联系，其自身的质量也会形成旋转惯性力。

问题出在哪里呢？

前面我们提到了气缸数目和点火做功的关系，多个气缸对外输出的总转矩，就是所有气缸转矩的叠加。为了让输出平稳，点火间隔都是均匀的，序列内每间隔两个气缸相位就相差360°。以四缸机为例，点火顺序为1-3-4-2，如此，第1、4气缸的活塞就成为一对，相位相差360°；第2、3气缸的活塞则成为另一对，相位也相差360°。这意味着，每对气缸中的活塞，永远都处在相同的位置，即使他们在处在不同的冲程。当第一气缸中的活塞下行时，第四气缸也相应下行，而第二、三缸都同时上行，完全对称，并不会因为活塞的上行或下行，导致整个发动机随之跳动的情况。而以曲轴中心为支点，前后两端受力刚好是均匀的，也达到了活塞内部的和谐。

这个效果，就可以理解为是一阶惯性力和一阶惯性力矩的物理作用，只是他们已经平衡。如果只有三个气缸呢？两边的活塞一对，中间的活塞单干，看起来是平衡的……

三缺一平衡个啥？一对二的难道不是斗地主么！气缸轴线上的合成惯性力是平衡的，但是惯性力矩却无法抵消，这是三缸机特别抖的主要原因。

四缸机和六机看起来都成双成对，一阶惯性力和一阶惯性力矩都能完美抵消，但遗憾的是，还有二阶惯性力。

任何相关的教科书，在种种看图写作以后，都会把活塞的运动速度说成这样：

其中α指的是连杆和曲轴中心线的夹角，λ则是指曲柄连杆比，对于特定的机型它是一个常量，通常小于1。初中的数学知识告诉我们，这个公式也可以写成这样：

发现了吗？以排气冲程为例，活塞从下止点往上运动到上止点时，前半段α是个钝角，那么，sinα为正，cosα为负；而后半段α是个锐角，sinα和cosα都为正；也就是说，后半段的值肯定大于前半段，活塞在气缸上半部分的运动速度，平均起来要大于气缸的下半部分。

换句话说，活塞队上半场梦游，到了下半场突然开始了跑轰战术！过分！

于是当第1、4气缸开始下行，走到1/2位置时，第2、3气缸上行还未达到1/2位置。两对活塞的位置、速度、加速度，在竖直方向上实际上并不对称。这种因为向上、向下运动差异造成的振动，也就是二阶惯性力的效果了。

功率较小的四缸机，二阶惯性力的效果并不明显，而高功率的机型，或者是近些年为了降低油耗而存在的Downsizing，通过增压造就了许多升功率奇高无比的机型，就需要平衡轴来抵消这个二阶惯性力的作用。

那么直列六缸机是什么情况呢？它可以看成是两台组合在一起的三缸机，往复惯性力完全平衡，而两台三缸机的往复惯性力矩则刚好相互抵消，全方位无死角。可是，当气缸数再往上增加到八缸、十缸的时候，如果采用直列方案的话，常见的整车是没有足够的空间的，因而会使用V8、V10的方案，这种形式并无法得到「天然抵消」的效果。

所以，即便说气缸数目是某种意义上的豪华与奢侈的象征，但六缸机才是完美的选择。

看起来，六缸比起四缸机，实在是非常稳了？

并不是。如今它的地位，正在受到挑战。

因为四缸发动机，已经有了新的形态。