要缸徑還是要沖程，that's a question！

前兩天寫文質疑了某乎上“斯巴魯中國”關于“長沖程——長力臂——大扭矩”的說法（發動機長沖程——長力臂，所以大扭矩？ ），沒想到這篇專業性較強的内容，還引來了不少車友們的圍觀和讨論。

坦白講，大多數車友的留言都是比較靠譜的，看來并不是懂車的人少，隻是懂車的人平時沒怎麼說話而已啊，哈哈。

趁着這個熱度，趕緊将正菜端出來：缸徑和沖程，到底是如何影響發動機性能的呢？

行文前，為了了解一些細節，網上搜了下資料，中文環境内的相關内容真是不行，最“靠譜”的内容就是前面本人質疑的那篇“斯巴魯文”，其它相關的内容，就更不用說了。

換英語搜，油管上倒是有一個叫“Jason Fenske”的up主，出了一段15分鐘的視頻（Bore vs Stroke - What Makes More Power?），從幾張零碎張截圖就能看出這個up主是真大神，能将這個問題研究得很通透。

外網對于缸徑和沖程的講解

為什麼說是零碎的幾張圖呢，因為本人并沒有翻牆工具，沒有機會看到該視頻，隻是在網上看到了幾張截圖……有條件的朋友，不妨去觀看一下，當然如果能将該視頻傳到内網的話，那更是極好的。[耶][耶][耶]

所以兩相對比，geeker哥覺得肩上的擔子更重了——國内的汽車理論知識科普實在是任重而道遠啊，同時也呼籲一下，各車廠的發動機大神們，你們是不是可以抽點時間，出一些有質量的知識講解啊。[小鼓掌][小鼓掌][小鼓掌]

看到汽車圈各種低劣的“歪理邪說”，眼瞅着又一些少不更事的年輕人被“荼毒”，你們的良心不會感到一絲不安嗎？不該考慮為圈内風氣的肅清，做出點貢獻嗎？[捂臉][捂臉][捂臉]

一番慷慨激昂之後，讓我們回到主題，缸徑和沖程，發動機設計時到底該如何選擇呢？

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前面那篇文章的最後，機殼哥已經給出了結論：

短缸發動機高轉速——高功率；

長缸發動機燃燒好——高熱效率（附帶大扭矩）。

至于這個結論是如何來的，就要聊到發動機最核心的技術問題，進排氣和燃燒了，當然還有功率、做功等基礎知識。

一、缸徑和沖程及徑程比

考慮有車友沒看前一篇的鋪墊，我們調出兩張圖将缸徑和沖程的概念再強化一下：

發動機的徑程比

上圖就是發動機缸徑D和沖程s，及缸徑沖程比（簡稱徑程比）。

不同徑程比氣缸的運行動圖

上面的動圖中，中間的缸體排量部分縱切面為正方形，所以中間的氣缸可稱為方缸，左邊徑程比<1的稱為短缸，右邊徑程比>1的稱為長缸。

二、短缸機如何實現高功率的動力取向

按前面的結論，短缸的性能取向是高功率，那麼這個高功率是如何實現的呢？

先引入一個發動機強度指标，活塞的平均運動速度vm，當曲軸轉速為n時，則：

vm=s*n/30/1000；

由于受限于材料的磨損、熱負荷、慣性質量、機械效率等因素，即便長缸、短缸發動機的轉速n差别極大，但vm的相差并不大，都會處于同一水平，通常vm的上限會取25m/s。

為了對不同缸體發動機的轉速有一個更直觀的了解，我們以86方缸為基準，再引入短缸和長缸各一款，其徑程比分别為2和0.5，而這三支單缸的排量都約為0.5L（有興趣的朋友可以驗算下）：

同為0.5L缸體的不同徑程比氣缸

以活塞平均速度上限25m/s為基準，我們看這三支缸對應的發動機理論轉速上限分别是多少：

方缸：n =30*1000vm/ s=30*1000*25/86=8721rpm

短缸：n =30*1000vm/ s=30*1000*25/54.2=13838rpm

長缸：n =30*1000vm/ s=30*1000*25/136.5=5495rpm

由上面的計算可知，排量相同的前提下，短缸機的最高轉速可比方缸提升58.7%。

再根據功率公式：

發動機功率計算公式

發動機的最高功率，正比于轉速和扭矩，又因為排量不變，可認為扭矩Ttq或者平均有效壓力pme的變化不大（後面會探讨），那麼理論上徑程比為2的短缸發動機的最高功率可比方缸高出50%多。

相應的，徑程比為0.5的長缸發動機的最高功率，理論上隻有方缸機的63折，當然因為長缸的燃燒效率提升，會彌補一部分因轉速損失的功率。

所以，同為自吸發動機，升功率也會因缸體結構的差異而産生很大的變化，一般民用汽車NA機升功率也就70~80馬力左右，變态一點如本田的紅頭機K20A，升功率也“才”110馬力。

但像追求性能的摩托車，因為轉速可上到10000，甚至更高，所以升功率輕松突破100，比如鈴木隼，排量1397cc，功率197馬力，升功率高達140馬力，更不要說轉速更高的F1賽車了。

而它們的升功率提升，主要都是建立在提高徑程比的基礎之上，提高發動機轉速取得的。

要補充一點的是，前面計算出86方缸發動機的轉速極限是8700rmp，但實際生産的發動機的轉速并不會這麼高，除了活塞的速度之外，也還有其它方面的限制，這也是我們常見的發動機斷油轉速6~7的原因了。

短缸機，除了高轉能提升功率，就完了嗎？

并沒有，短缸機除了沖程短，還有缸徑大的，缸徑大有什麼優勢呢？

缸徑大，意味着可以安裝更大的進氣門，那麼也就可以有更多的進氣量和更小的氣阻，這也有助于提升發動機的功率。

所以短缸發動機因其更高的轉速，以及更好的進氣，那麼其性能取向是更高的功率。

除了動力更高的動力之外，短缸機還有一個優勢是更矮的缸體及更短的連杆，從而降低發動機的高度，方便與整車的安裝匹配。

但是，發動機的設計就像是跷跷闆，你要了這頭，另一頭就顧不上了，另一頭就是發動機的效率，短缸機獲得高功率的代價，就是效率較低。

三、相反地，高效率就是長缸發動機的優勢了

長沖程，是如何提高發動機的熱效率的呢，至少有三個方面：

1.長缸機有更小的面容比，也就是說同等排量下，其燃燒室的的表面積更小，散熱更少，則更多的熱量可用于做功。

要計算三支缸的散熱面積，我們先定一個壓縮比，假設三支缸的壓縮比都是11，如下圖：

發動機壓縮比示意圖

那麼，三支缸的對應的散熱面積示意圖及計算值，分别為：

三種缸體對應的燃燒室表面積

短缸、方缸、長缸，其燃燒室的表面積分别為218.52cc，139.34cc，102.73cc。

雖然長缸機的缸體最長，但其燃燒室卻最接近方形，因此長缸機的燃燒室熱量損失最小，可用于做功的熱量最多，有利于效率的提升。

2.長缸機燃燒室更緊湊，火焰傳播到混合氣末端的的距離最短，燃燒持續時間短，等容度高，意味着效率更高，同時也不易發生爆燃。

這一點，大家結合上面三支缸的燃燒室圖，應該也比較好理解。

發動機的燃燒過程

至于等容度是如何提升發動機熱效率的，涉及的内容有點多，以後再跟大家分享，目前隻要記住結論：等容度、壓縮比、絕熱指數（等熵指數）的提升可以提高熱效率。

3.相同的轉速下，長缸機的活塞移動速度更快，混合氣體的湍流度更高，燃燒速度更快，同樣也是提升了等容度，有利于提升熱效率。

這個涉及到混合氣燃燒中的層流火焰和湍流火焰，大家也同樣記住結論，湍流速度快于層流，湍流度越高 ，燃燒越快。

至少有以上這三項燃油經濟性的優勢，所以長缸機的的熱效率會高于方缸，而短缸機因為走的是反方向，在方缸機的基礎上，熱效率就會降低，跟長缸機比，熱效率就更低了。

講到這，長缸機偏熱效率的特性就很清楚了，但相信大家還有一個疑問，你之前不是說長缸機還附帶大扭矩嘛，這個還沒講呢！

四、長缸機怎麼能附帶實現了大扭矩

不要急，其實這個也很簡單，我們調出上一篇的扭矩計算公式：

發動機扭矩計算公式

我們先看扭矩Ttq三個等式的最後一項，扭矩正比于單一循環的有效功We，同時其它幾項都是常數，所以有效功越多，則扭矩越大。

将前面的結論帶過來，長缸機的熱效率更高，也就是說相同燃料産生的熱量Q，長缸機能轉化出的有效功越多，即We更高，所以扭矩也會相應地更大。

這是從宏觀的角度理解，同時也可以從微觀的角度來看，比如我們看上圖中扭矩公式的中間選項，即扭矩正比于排量Vs*平均壓力pme，現在排量是一樣的，那麼扭矩直接正比于平均有效壓力pme。

平均指示壓力

長缸機的燃燒更快，放熱更劇烈，那麼相應的，氣缸内的壓力上升也越快，壓力也就更高，pme更高，所以發動機有就更有力，扭矩更高（相同轉速）。

這兩個公式都能解釋為什麼長缸機的效率更高的同時，也附帶提升了發動機的扭矩。

至于長缸機效率和扭矩的提升的比例，因為目前沒未查到相關的數據，所以無法給出一個确實的數據，不過可以相信的是，其提升的比例，不會很高，更不可能像短缸機一樣，能有50%多的提升空間。

否則，如果扭矩的提升幅度能打平轉速的提升幅度，那短缸機的升功率就不可能有那麼大的提升幅度了，而是隻和方缸機差不多了。

總的來看，長缸機選擇了效率特性，對應的缺點是其最高轉速和功率都有所限制，升功率也相對更低不少。

五、徑程比影響的小結

Ok，最後，我們總結一下，缸徑和沖程是如何決定發動機的性能的呢？

短缸機，徑程比>1，動力取向：

因沖程短，在活塞最高速度的限制下，可以有更高的轉速，即有更高的輸出功率，再加之更大的進氣孔（氣門）允許更好的進氣，也會用于發動機的功率輸出。

還有優點，一是發動機轉速爬升比較快，二是降低發動機高度，從而匹配某些整車的安裝要求。

缺點是燃燒不好，熱效率偏低。

長缸機，徑程比<1，效率取向：

因燃燒室表面積小散熱少；燃燒室更緊湊，火焰持續時間短；相同的轉速下，活塞運動更快，更加促進燃燒速度，所以熱效率高。

缺點是轉速不高，升功率偏低。

正是因為不同的徑程比，會影響發動機的性能，所以短缸機和長缸機也應用到了不同的場合，一般來講，隻有賽車、摩托車和部分性能車會采用短缸機。

在民用轎車領域，為了更好的燃油經濟性，絕大多數汽車的發動機都是長缸機或方缸機，尤其是最近幾年更為嚴苛的燃油法規，以及消費者對于低油耗車輛的偏愛，目前新出的民用汽油轎車，已經很難看到短缸機了。

還是一點，在民用汽車領域，即便有三種不同類型的缸體，因其徑程比的範圍波動并不會像本文前面舉例中從0.5~2這麼大的跨度，大概也就在0.8~1.1的小範圍調整。

再加之有其它各種發動機技術的加持和影響，發動機最終所體現出來的性能差異可能并不一定與本文這種理論分析的結論成正比。

最後，聲明下，本文關于缸徑和沖程對于發動機性能的影響，都是基于同等排量之下，所以讨論長沖程的好處之時，請務必搞清楚缸徑也相應的減少了。

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