我們在網上也許曾經聽說過：買車不要買三缸的，三缸發動機抖，要買就要買四缸車。這種言論有一定的道理，畢竟由于三缸發動機運轉平衡性不如四缸發動機，所以在理論層面三缸發動機的震動的确會比四缸發動機大。

今天教授就講講關于發動機平衡性問題，發動機平衡性跟什麼有關？什麼可以增強發動機的平衡性？最平衡的發動機是怎樣的？是不是缸數越多，發動機越平衡？

對于發動機來說，最重要的一點就是确保發動機内的各種力矩能夠平衡。首先需要平衡的是旋轉部件質量産生的力，往複運動部件質量産生的力以及各個氣缸點火順序産生的力。

總的來說，發動機平衡就是讓所有的力、所有的動量旋轉部件的重心保持在旋轉的中心軸上，假設有一根金屬棒，它在旋轉的時候如果是保持旋轉中心不變，那麼其旋轉起來就是規律的，且平衡的，如果有另外一個力施加在軸的某端，那麼其旋轉就會受到嚴重影響，伴随而來的是震動、噪聲等。

如果一個兩端有大質量的旋轉部件繞着軸心旋轉，兩端的質量就會産生一個向内合攏的力，而它們在旋轉中心互相平衡。但是兩端的質量在旋轉的時候回産生一個由旋轉中心指向外部的力，這個指向外部的力就會産生不平衡，假如這個東西是曲軸，那麼整個發動機就會瘋狂震動。

此時隻需要将兩個質量的物品中心對稱放置，那麼左側旋轉産生的力就會跟右側旋轉産生的力互相平衡，但整個旋轉部件的重心依然在軸心上；當兩端的質量（假設是連杆）在旋轉的時候，拿右側來講，它會有一個以重心為中心向左的旋轉力；對于左側的來講，它産生的力又是以重心為中心向右旋轉的力。所以當整個結構在旋轉的時候，它會繞着重心一直搖擺，會趨向一個錐形（兩邊的質量都在圍繞着重心做繞圈運動）。

為了解決這個問題，我們可以添加另外的質量來平衡這種情況，在兩側都加上相同的質量後，整個部件的旋轉就會變得平衡，各個力都有反方向的力去抵消，四個繞着重心旋轉的力也互相抵消。

往複運動中最重要的就是活塞，活塞相對于其他往複運動的部件，例如氣門、推杆等來說，活塞顯得更加重，更大。活塞上下運動的時候，運動産生的作用與發動機上的力也是不斷地上下往複，假如是單活塞發動機，那麼發動機的運動趨勢就會跟活塞運動的趨勢一樣，假如有兩個活塞的話，它們上下運動的力就可以互相抵消（兩個活塞相反運動）。

一階震動

活塞運動中會有幾種不同類型的力，一階、二階、三階，意思是每轉一圈發生的次數，當曲軸轉一圈，一階力基本是由活塞産生，活塞上行到達頂點是向上的力，活塞下行到下止點是向下的力。常見的做法是增加平衡配重來抵消掉活塞所産生的力。

一階震動是曲軸每轉一圈往複式部件發生一次的震動，例如一副直列四缸發動機，有四個活塞，14缸跟23缸的運動相反，之所以這麼做就是為了平衡活塞運動慣性産生的力，我們可以從一個圖表中看出，14缸由于相同方向運動，所以可以看做是一個合力，這個力類似正弦曲線運動，而23缸的運動則相反，所以如果圖表的縱軸表示發動機受力，那麼四個氣缸的合力就會剛好互相抵消，在圖表上的合力就是一條直線，這樣一來，發動機在一階震動的角度上就平衡了。

對于單缸發動機來說，隻有一個活塞上下運動，于是作用力也是上下往複，沒有其他活塞來平衡，于是就需要在曲軸上加入一個配重，當活塞向下運動時，配重向上運動産生向上的力；活塞向上運動時，配重向下運動，産生向下的力，這樣同樣可以使得垂直方向的合力是零，發動機不産生震動。問題是單缸機的曲軸配重在旋轉的時候還會同時産生向左和向右的力，這個力的不平衡的。

二階震動

二階震動是曲軸每轉一圈發生兩次，它基本上是由活塞在上半周運動得比下半周快而産生的。我們假設曲軸帶着連杆旋轉的直徑是1，連杆長度是2，那麼活塞的上止點系統的總高度就是3，而在下止點的總高度是2。

我們來算換一下曲軸在上下的中間點時的總高度，根據勾股定理，該長度為4-0.25=根号3.75，等于1.9365，這時候隻是連杆的長度，系統的長度需要加上曲軸旋轉半徑，也就是2.4365才是系統總高度。

當在上止點時，總高度是3；當曲軸旋轉90度後，系統高度變成了2.4365，然而它并不是2.5，不是上止點和下止點中間；而在下止點時（曲軸轉角為180度）的高度是2。也就是說，實際上還曲軸從上止點旋轉90度，活塞運動的距離比從90到下止點的距離更長；同時，從180度到270度時，活塞的運動距離比270度到360度時短。

同樣的時間内（曲軸轉角一緻）活塞運動的距離更長，也就是說曲軸和連杆的連接端在上面的180度時，活塞的運動速度比連接端位于下面180度時更快，這就形成了二階震動。上半周時連杆給活塞向上或者向下的力會更強，因為活塞運動得更快，而下半周時力量會減弱，因為活塞的運動速度會稍微慢一些。

根據不同的發動機布局，可以使用其他氣缸或者平衡配重來抵消這些不平衡的力，關于不同發動機的結構，教授會另起文章講解。

想要平衡點火順序之間的力，就意味着每一個氣缸的點火間隔要一緻，所以發動機中的所有氣缸不能同時點火，需要每個氣缸輪流點火。對于四沖程發動機，一個沖程曲軸旋轉180度，4X180再除以氣缸數量就是點火間隔了，點火間隔等于這個值的時候，發動機就是在均勻點火。舉個例子，一個四沖程的V8發動機，那就是4X180/8=90，也就是90度，所以對于一個V8發動機來說，讓曲軸每轉90度就讓一個氣缸點火，這樣就可以平衡掉點火順序的力了，這個角度還表示了最佳氣缸夾角，以上面的例子，點火間隔是90度，對于V8發動機來說，氣缸的夾角最好就是90度，這樣就使得點火間隔和發動機結構布局相匹配。

四個氣缸排列成一列，這也是直列四缸發動機名稱的由來。典型的點火順序是1342，先是1号氣缸點火，然後是3号、4号、2号，這樣平衡了點火的不平衡性，并且兩側的兩個活塞保持同步，中間的兩個活塞保持同步，之所以這麼做的原因同樣是為了平衡，為了避免不必要的震動。

兩邊你的兩個活塞向上運動産生的一個向上的力，中間兩個活塞向下運動産生向下的力，所以它們相互平衡。問題是，L4發動機的二階震動并不平衡，因為當兩側活塞到達上止點，中間兩個活塞達到下止點時，二階不平衡力是向上的，這也就對發動機造成了震動。

當然，可以通過平衡軸或者其他方法解決該問題，例如橡膠減震機腳，讓震動盡量不傳導到車系那個内部，但這個震動是客觀存在的。

直列四缸發動機相對于其他結構發動機的優勢就是體積小以及輕量化出色，這是巨大的優勢，因為其體積小，所以它可以用于各種驅動布局的車輛上，前驅、後驅、四驅。同樣，L4是很簡單的設計，它隻需要一個缸頭，因此也隻有一列氣門機構，相比起V型布局的兩組氣門機構，L4擁有更小的運動部件，所有的零部件在維修難度上相比V型等發動機更有優勢。

二階震動是L4發動機的最大缺點，由于二階震動的存在，這就限制了發動機的體積，因為發動機排量越大，活塞越大，震動就會更加強烈，于是L4的體積就無法做得很大，進而限制了輸出功率。另外一個缺點就是L4發動機的重心太高，不如水平對置發動機擁有低重心，所以對于車輛操控性有一定影響。

從上文可知，5缸發動機的點火間隔為4x180/5=144，點火間隔為144度。對于四沖程的四缸發動機來說，它的點火間隔是180度，這就意味着總有一個氣缸處于做功沖程，但是沒有做功疊加，對于L5發動機來說，它的點火間隔是144度，這意味着兩個做功沖程之間有36度的重疊，所以L5發動機的動力輸出會更加平順，這是L5的一個優點。

從L5發動機的曲軸可以知道，假如從側面看這根曲軸會類似五角星形狀，1号活塞在頂端，2号在左下，3号在右下，4号在右上，5号在左上，曲軸的曲柄夾角是72度，144度就是兩個夾角，這也就是最佳點火間隔。假如這台發動機按照最佳點火間隔點火，那麼其氣缸點火的順序就是12453。

從曲軸上看到，L5發動機是不平衡的，一階震動和二階震動都會讓發動機産生前後俯仰問題，所以L5發動機通常會布置一根平衡軸，相比起L4發動機，L5發動機最大的優點是平順的動力輸出，相比起V6和L6發動機，它長度比L6短，寬度比V6窄，更容易安裝在一輛橫置前驅的車輛上；同時，對比起L4，L5發動機可以擁有更大的排量，也就能擁有更高的功率輸出。

但L5發動機也有缺點，例如前後俯仰的震動問題，L4就不會有這種問題，原因上文已經介紹過。由于增加了平衡軸，這就增加了轉動慣量和複雜程度；同時，體積也是一個重要因素，L5的體積比L4更大，所以需要更大的機艙容納它。

所以，在車輛需要比L4更大排量，但是又受制于發動機艙空間時，就可以選擇L5發動機，這也使得L5發動機的應用面比較窄，所以市場上使用L5發動機的車輛較少。

L6發動機，L6是一種在體積、震動、動力輸出上都做得相對完美的機型。L6發動機有着相當多的著名機型，例如2JZ，RB26，以及寶馬的很多發動機等。

L6發動機，6個氣缸排成一列，點火順序通常是153624，這樣的話，發動機所有的力都是平衡的，點火間隔是120度。從曲軸上看，基本上456缸就是123缸的鏡像，所以16号活塞同步運動，25号活塞同步運動，34也是如此；每組兩個活塞同時向上或者同時向下，這麼做的原因很簡單，就是為了平衡掉所有不平衡力以及使得點火均勻。

假設，16号活塞剛好位于上止點，那麼上下的兩組活塞和曲軸相位他們各差120度，力向上，剩下的幾個活塞是力是向下的，且大小是16活塞合力的一半，由于有兩組，所以整個發動機的合力為0，所以發動機是平衡的。平衡是L6發動機的一個巨大的優勢。

對于V型發動機來說，L6發動機的制造成本更低，因為它隻有一列缸體和一列缸頭，一組配氣機構，而V型發動機需要2組。但L6發動機也不是沒有缺點的，也正是由于L6發動機的直列排列，所以其需要的空間也更大，所以無法安裝在一些小車型上，同時加上變速箱的影響，所以對于空間的要求較大，不利于車内空間的發揮，所以L6發動機無法使用在目前流行的FF車型上，因為寬度不足，無法布置發動機、變速箱、驅動軸等。與L4發動機一樣，L6發動機同樣存在重心高的問題；此外，L6發動機由于長度較長，所以發動機的剛性不如V6發動機，相對于V6發動機更小更緊湊的機型來說，L6更容易發生扭轉和形變。

以上就是關于發動機震動以及幾個常見的發動機類型的震動、優缺點，總結來講，L4發動機體積小，但是無法自平衡二階震動；L5發動機功率大，但是需要平衡軸來緩解發動機俯仰的問題；L6發動機天生自平衡，但是長度較長，無法使用在一些前置前驅的車型上，對車輛空間影響較大。

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