發現新大陸 水平對置的史前工業世界

水平對置引擎是目前市場上較為另類的、但也不至于稀有的動力系統,它的做功原理依然采用直列或者V型引擎那樣的奧托循環(Otto cycle),屬于四沖程引擎中的一種氣缸布局形式,在英文里,學名為Flat Engine、也形象地稱為Boxer Engine,即拳擊手引擎,而中文一般稱為水平對置引擎、水平對向引擎,部分中文地區則稱為水平對臥引擎,但無論何種中英文名稱,其所表達的都是這種“以曲軸為中心、連桿及活塞呈180°夾角、且活塞分列左右形態的引擎”就被稱為Flat Engine。


圖:目前絕大部分汽油引擎都遵循著“吸、壓、爆、排”這套經典的Otto Cycle原理,而水平對置布局也離不開它,只是它的布置方式旋轉了90°、躺下了。

在這里需要明確的一個技術概念是,Boxer Engine是Flat Engine的一個分支而已而非全部或者等同關系,也就是說,Flat Engine不一定就是Boxer Engine,包括目前仍在使用使用水平對置引擎布局的兩大汽車公司:Porsche保時捷和Subaru斯巴魯,他們所采用的是Boxer Engine,即我們理解的“水平對置引擎”,但Flat Engine里還有另外一個分支,它的機械做功、曲軸設計等部分的思路來自V型引擎,只不過它的V型夾角達到了180°,這類引擎同樣被稱為Flat Engine,又名Horizontally Opposed引擎。
只是為了更好地區分兩者,一般將它們稱為“180°夾角V型XX缸引擎”,當中最為人們熟悉的就是法拉利曾經大規模使用過的“Berlinetta Boxer”引擎,該引擎最早裝備于1973年推出的364 GT/4 BB上,引擎代號F102A,此引擎歸類屬于Flat-12,之后這臺引擎不斷發展出F102B(BB 512)、F110A(BB 512i)、F113系列等,直至1996年的F512M車型停產才推出歷史舞臺,前后也用了23個年頭。


圖:上方的是Boxer Engine,也就是常說的水平對置引擎;下方的是Flat Engine,常說是180°夾角V型布局。

圖:法拉利在Testarossa上使用的F113引擎,雖然活塞連桿都是平放,但它不是嚴格意義的水平對置12缸引擎,而是180°夾角的V12引擎,或者叫Flat-12引擎。

水平對置引擎與180°夾角V型引擎的最大區別,其實只需要通過曲軸與連桿部位的安裝形式便可分別,如果對向的左右兩個氣缸的連桿使用同一個曲柄梢的,就是V型180°V型;如果兩個使用不同的曲柄梢的,那就是Boxer Engine,也就是現在保時捷和斯巴魯的水平對向引擎了。

圖:同為六缸引擎,左邊的是180°夾角V型六缸引擎、右邊的則是水平對置六缸引擎。即:左右連桿安裝在同一個曲軸梢的是Flat Engine;左右連桿安裝在不同曲軸梢的則是Boxer Engine,這樣理解就容易了。但Boxer Engine屬于Flat Engine大類中的一個分支又是一個科技樹的從屬概念。

既然是機械產品,就一定會有優缺點,而優缺點也是有相對性和參照物的,例如同氣缸數量下,跟180°夾角V型或者直列引擎相比,Boxer Engine水平對置發動機由于慣性力之間的平衡性更好,所以運轉起來更平穩;機械內部各組件之間的應力干涉更少;曲軸長度相對較短,即使省略平衡軸也能獲得不錯穩定性;最后一個優點在許多汽車廣告上都能看到的,就是整個引擎的物理重心很低,包括周邊附件的高度也能得到控制,例如進氣歧管和排氣芭蕉等,可以讓車輛的外形設計更扁平,例如豐田86等。
有優點就會有缺點,Boxer Engine的最大缺點就是零部件會更多,導致了生產成本更高;再者就是不適合橫向布局,對于FF車型并不友好,起碼真要這么干的成本會很高。最后一個重大缺點就是潤滑系統,因為所有的Flat Engine都不支持重力潤滑系統,所以對于機油泵的要求會比其他引擎更高。當然,還有一些使用上的缺點,例如偏磨、燒機油、更換火花塞麻煩等等(但其實這些問題如今都非常容易解決),如果你對車沒啥感覺的話,或者這些缺點會被無限放大,但如果你體驗過水平對置引擎、甚至懂得欣賞所能帶來的特別“色香味”,這些或者根本不叫事兒吧。

圖:應該說,Karl Benz能發明出第一臺水平對向引擎并不意外,就像Daimler能推出第一臺V型引擎一樣道理,最早的Benz & Cie所推出的引擎就是平臥著的單缸引擎。(Daimler的第一臺引擎是垂直布置的單缸引擎、在此基礎上發展出了V2布局)

水平對置引擎的發明者是Karl Benz(卡爾.本茨),也就是Benz & Cie的創始人,他于1896年獲得了水平對向引擎的發明專利,最早的名字被本茨稱為“Contra-Motor”,直譯過來就是“對置引擎”,并于1897年首次生產這種獨特布局的發動機。

圖:這就是1897年根據卡爾.本茨專利技術生產而成的水平對向雙缸引擎原型機,它被命名為“Benz Dos-à-Dos”(法文,背靠背的意思),能發出5匹馬力。

圖:到了1899年,這臺引擎能夠發出8匹馬力。

也正是因為其獨特的機械布局下,Flat Engine的活塞數量必須是成對出現的,也就是說,它只有2、4、6、8、10、12、16曾經被生產過。水平對向雙缸引擎,一般稱為F2或者B2引擎,在汽車領域,最早出現的Karl Benz的出品了;1900年,Lanchester Engine Company蘭切斯特發動機公司也開始生產一款8匹馬力的雙缸引擎;之后便是1903年的福特Model A、Model C、Model F等均采用水平對向雙缸引擎。最知名的雙缸引擎應該是雪鐵龍的2CV,畢竟這臺誕生于1948年的車型實在是二戰之后歐洲最為經典的一款廉價轎車,甚至還成為了當時歐洲私人轎車的代名詞而深受歡迎。除了雪鐵龍,還有豐田的U型發動機、也就是豐田第一輛跑車Sports 800上的那臺引擎。至于機車就更多了,但本文還是不作展開,后續有機會再聊吧。

圖:1903年,福特第一輛汽車Model A使用的就是一臺排氣量為1668cc的水平對向雙缸引擎,最大馬力8匹,此車一共生產了1750輛,而在當年的售價,雙座版800美元、四座版900沒有,而正是此車的成功,才有了后來的福特汽車,不然,亨利福特只能拿著剩下的223美元“返順德”。

圖:1948年,雪鐵龍2CV剛推出時,它的水平對向雙缸引擎只有375cc,最大馬力9匹;1955年升級到425cc、1970年繼續擴大至602cc,而此時已經有33匹馬力。

圖:U系列是豐田第一款使用風冷作為冷卻方式的引擎,它采用水平對向雙缸布局,燃燒室采用半球型設計,OHV配氣機構、缸徑78mm、沖程73mm,排氣量697cc,最大馬力28匹/4300轉,最大扭力5.4公斤米/2800轉。2U則是Sports 800使用的升級版本,790cc,最大馬力45匹。

第一臺水平對置四缸引擎同樣出自Benz & Cie。說到這里,或者有人會問了,既然“賓士”發明了水平對置發動機,為什么不見今天的Mercedes會用上這種引擎呢?這里就必須糾正一個大陸很多“賓士粉”們都會犯的常識性錯誤,除了華人地區外,所有地區都只會叫Mercedes而不會稱為Benz,原因是1926年兩家公司合并,Daimler是主體,那時的Benz & Cie甚至被Daimler告上過法庭,所以無論當時和現在的公司名稱、品牌名稱的主體都是Daimler和Mercedes,再通過這家公司后來所研發的引擎也可發現,從1926年之后Daimler是完全放棄了水平對置形式,而只發展直列和V缸,甚至研發過轉子,唯一的平臥引擎M291也是Flat而非Boxer。
言歸正傳,卡爾.本茨在原來對向雙缸引擎基礎上,在1900年又推出了對向四缸并將之使用在賽車上,該引擎的排氣量高達5.4升,最大馬力有20匹,在1900年,請不要小看這個動力數字就是了。后來也有不少車廠曾經推出過水平對向四缸引擎,例如英國的Wilson-Pilcher、美國的Buffum等,而第一款真正大量生產水平四缸引擎的車廠,則是捷克斯洛伐克的Tatra,他們在1926年開始生產代號為T30的四缸引擎,排氣量為1679cc,最大馬力24匹,而搭載車型名為Tatra 30,后來在此基礎上,又陸續發展Tatra 52、54、75等型號,但說到這里,就不得不另辟一段說說Tatra 97了。

圖:Tatra 30的雙缸引擎放置得很靠前,但它是一輛后驅車。


Tatra 97所搭載的Type 97型風冷式水平對向四缸引擎,排氣量為1759cc,而Tatra 97則采用RR后置引擎后輪驅動布局,是不是跟很多大眾粉嘴上奉為經典的Beetle甲殼蟲很相似呢?對的,大眾的第一代甲殼蟲就是從Tatra手上搶過去的:希特勒有一次在路上遇到了Tatra 97,說了“這就是我想要的汽車”之后,費迪南保時捷迅速參考著Tatra 97的設計推出了KDF-Wagen(VW Type 1),為此,Tatra還起訴了費迪南保時捷,希特勒得知后,只說了一句:“事情將會得到解決的”,而后,德國兼并捷克斯洛伐克的《慕尼黑協定》于1938年9月30日簽署,德國隨之占領蘇臺德(Sudetenland)地區后的1939年,Tatra 97停產(共510輛)讓路給了大眾甲殼蟲的誕生。而很明顯地,費迪南保時捷和大眾,是通過戰爭機器侵占了捷克斯洛伐克Tatra 97的成果,無論底盤還是這顆水平對向四缸引擎。二戰后,Tatra重新起訴大眾,最后以100萬美元結束了這場歷史性的抄襲官司。

圖:1936年由捷克斯洛伐克Tatra推出的T97型,它的造型雖然也不是原創,但使用風冷式水平對向四缸引擎、RR布局等則被費迪南保時捷強行征用后,誕生了大眾的Type 1,如果從銷量看,Beetle是經典的,但從起源上,則是一樁無恥侵略后的副產品。

圖:T97上使用的水平對向四缸引擎,排氣量1759cc,40匹馬力,讓T97能跑到130 kph的最高時速。

圖:T97的車架底盤布局,同樣地,它的設計后來也成為了VW Type 1的基礎布局。

圖:如果以今天德系車廠的作風,這個下線活動必然是以德文書寫,而在1946年,當時的大眾還是在盟軍軍管會下管理,寫的自然就是英文了。

說到這里,也必須說到大眾風冷式水平對置四缸引擎,看完前文,也就是無需介紹這臺誕生于1938年的四缸引擎是從哪里來的吧。不過,作為二戰后、由占領軍一手扶植起來的大眾汽車,它最大的功勞莫過于將水平對置引擎推廣到了全世界,直至2006年才全部停產;而同由費迪南保時捷創辦的保時捷汽車公司,最早的356、550、912、914等車型均采用了水平對置四缸引擎。到了六十和七十年代,雪鐵龍、Alfa Romeo、Lancia、Subaru等車廠也陸續推出各自的水平對置四缸引擎,應該說,水平對置四缸引擎是歷史上和目前為止,品牌覆蓋面和應用范圍最廣的水平對向形式布局的發動機。

圖:這里便可以看到最早的Beetle所使用的車架底盤結構就是來自Tatra 97的設計。

圖:但必須承認一點的是,大眾確實在水平對向引擎的推廣方面功不可沒,在很長一段時間里,Boxer Engine幾乎能與VW畫上等號。

說到水平對置四缸引擎,除了過去的大眾和保時捷較為知名外,來自日本的Subaru當然也是四缸機的行家里手。斯巴魯研發水平對置引擎最早是1966推出的EA系列,而最早面世的型號則是EA52,排氣量為977cc,使用OHV配氣機構,最大馬力55匹;而后又陸續推出EA53(1967年)、EA61(1969年)、EA62(1971年)、EA63、EA64、EA65、EA71、EA81、EA82(1984年)等型號,基本覆蓋了六七八十年代幾乎所有的非Kei-car轎車。在EA82還沒停產的1988年,又推出了后世更為知名的EJ系列,后綴數字開始以排氣量來命名,例如EJ15就是1.5公升、后面還有EJ16、EJ18、EJ20、EJ22、EJ25等多個子系列。EJ之后,從2010年開始,代號FB的逐步取代非渦輪增壓的EJ系列,更高性能的FA系列也于2012年開始陸續加入,取代原來的EJ20~25這個區間。

圖:這就是Subaru的第一款水平對置四缸引擎EA52,缸徑72mm、沖程60mm,壓縮比9.0,使用OHV配氣機構,最大馬力55匹/6000轉,最大扭力77牛米/3200轉,搭載車型為Subaru 1000。

圖:斯巴魯最新一代的水平對置布局的FA系列引擎,相對于稍早面世的FB系列,它屬于高性能定位。

說完了水平對置四缸,接著就是六缸引擎。水平對置六缸引擎的優點其實有點兒像直列六缸和V6的優點結合體,例如平衡度很高、振動很少、機體長度短等等。最早的直列六缸引擎誕生于1904年,由英國的Wilson-Pilcher公司推出,并使用在18/24HP車型上。1948年,美國的Tucker推出了Tucker Sedan車型上,使用的是一臺5.5公升水平對置六缸引擎作RR驅動布局,最大馬力166匹,馬力不怎么樣,但扭力達到了504牛米;到了1959年,另一家美國車廠雪佛蘭也推出一款使用風冷式水平對置六缸引擎的車型,Corvair,從1959年開始歷經兩代至1969年停產,采用RR布局,2.3公升引擎,NA為80匹,Turbo版為180匹。合共生產了183萬輛,這個數量比至今為止的保時捷911都要多。

圖:Wilson-Pilcher公司推出的水平對置六缸引擎,其搭載車型作前置后驅布局。

圖:5.5公升的Tucker水冷式水平對置六缸引擎,OHV配氣機構,7.0壓縮比,造就了166匹馬力,但扭力高達504牛米,推動1900公斤車重綽綽有余。

圖:1959年推出的雪佛蘭Corvair使用一臺2.3公升的風冷式水平對置六缸引擎,作RR驅動布局,最大馬力80匹,渦輪增壓版則高達180匹,在當時極受歡迎的一款車型。

水平對置六缸機中,最知名的莫過于1963年的保時捷在911 A系列上使用一臺名為Type 901/01引擎開始就使用六缸形式,這臺引擎修改自356上的水平對置四缸(Type 616),至1998年從風冷的M64改成了水冷、即M96引擎,以適應更廣泛的氣候環境。同樣以水平對置引擎聞名的Subaru,也1988年時推出了第一款六缸引擎:ER27,并使用到它們的旗艦跑車XT上,之后又陸續對出EG和EZ兩大系列,但到了2019年,隨著Legacy和Outback停產,其搭載的最后一款EZ36也結束了水平六缸的使命,至于后續還會不會推出更新型號,這個估計難了,畢竟小排量渦輪是大潮,而之后會是混合動力,再下去便會是電動,傳統汽油動力相信會越來越少。

圖:保時捷從1963年開始,基于水平對置四缸Type 616及在賽車場打出名堂的Type 771的經驗,炮制了這臺Type 901,所以為什么總有人說保時捷這臺水平對置6缸機源自賽車科技,原因也就在這個點兒上。

圖:這個是1967年911S上的Type 901/02引擎,這里可見其風冷式氣缸的設計,有曲軸帶動一個風機將冷風吹向氣缸鰭片帶走熱量。

介紹完水平對置六缸引擎之后,接下來的8缸、10缸、12缸、16缸水平對置形式的汽車引擎其實離我們現實生活都很遠了,例如第一臺水平對向8缸引擎誕生于1904年的美國,使用在Buffum Model G型賽車上,它是由兩顆水平對置四缸引擎合并而來。之后也陸陸續續出現過幾款由人手打造的賽車引擎,甚至還有將兩顆大眾1.3L水平對置四缸機合并而來的八缸賽車引擎等等,這里就不一一展開了。
從六十年開始,真正系列化使用水平對置八缸引擎的還是保時捷,1960年,保時捷研發了Type 753引擎,排氣量只有1.5公升,準備參加一級方程式賽事,最大馬力185匹,并在1962年參賽并在法國站贏得了一站也是唯一的冠軍。基于Type 753型,之后又開發了排氣量為兩公升級別的Type 771型,包括1961年的保時捷718 W-RS、1964年的904/8、1966年的906、1967年的910、1968年的907 2.2和909等六十年代里非常知名的賽車均使用這臺引擎,而它們的最大馬力從209~269匹不等,但這里必須反過頭來說,雖然水平8缸機并沒有民用,但1963年推出的911的2.0引擎,很大程度上是受到了這臺引擎的影響。

圖:關于首臺水平對置8缸發動的歷史圖片,可以發現一個細節,這臺水平對置8缸引擎其實是由4臺水平對置雙缸引擎拼合而成。

圖:使用Type 753引擎的保時捷804一級方程式賽車,由Dan Gurney駕駛贏得了1962年法國站冠軍。

圖:保時捷的Type 771引擎,排氣量分為1981cc和2195cc兩種,是六十年代保時捷賽車上的主力引擎。

水平對置10缸引擎暫時還沒有量產過,但曾經在60年代初,雪佛蘭為了準備接替原來水平對向六缸引擎而演過過,代號P10的原型機在1964年被試驗過,并安裝在Corvair上進行測試,但后來該計劃沒有繼續研發下去。
Flat引擎的歷史里,幾乎全數是180°夾角形式的V12引擎,當中除了前文提到的法拉利在民用車型上使用這種布局二十多年外,還有一家就是保時捷,但更多的是應用在賽車上,保時捷在1969年推出的917賽車上所使用的12缸引擎,就是V12形式,只不過這臺代號Type 912的4.5升風冷引擎采用的是180°夾角而已,最大馬力有521匹;1970年升級至5.0L,最大馬力有601匹,后又陸續進行改進、到了1971年推出渦輪增壓版,最大馬力851匹,1973年的5.4升渦輪增壓版更高達1101匹。另外,受到保時捷的影響,1971年的法拉利312 PB、1973年的Alfa Romeo 33 TT12等賽車也陸續開始使用這樣的180°夾角V12引擎;1991年,Mercedes在C291賽車上開始使用M291的3.5公升Flat-12引擎,最大馬力有600匹。

圖:是不是Flat-12還是Boxer-12,看曲軸梢,這臺保時捷Type 912引擎每個曲軸梢都有兩個連桿相連接,這就是Flat-12。

圖:法拉利312 PB上的三公升Flat-12引擎。

圖:愛快羅密歐的12缸賽車引擎也是Flat-12形式、即180°夾角V12,11500轉時可以發出500匹馬力。

圖:Mercedes在C291及后來的C292賽車上均使用這臺M291引擎,在1991年獲得70個積分,總成績第三;1993年,Mercedes轉向F1賽事,M291的發展被終止。

圖:在上述這么多的12缸賽車引擎里,幾乎都是Flat-12的形式,而1989年由Subaru推出(義大利的Motori Moderni摩爾尼公司制作)的1235引擎則是正經的Boxer-12缸,并使用在斯巴魯的一級方程式賽車上,12缸+排氣量3.5公升所以名為1235,最大馬力608匹,但這臺引擎并不成功,無論是方程式還是C組賽事。

最后的一款要介紹的是缸數最多的Flat Engine,它就是由保時捷在1971年推出的6.6公升(6643cc)的Flat-16引擎,是的,它是Flat而不是Boxer。這臺引擎出現于Type 912自然吸氣和渦輪增壓版本之間,原本準備開發來參加Can-Am賽事,并使用在917/16 Spyder原型車上,經過測試后,這臺引擎能發出740匹馬力和735牛米扭力,但這個動力性能、重量及可靠性等都不及使用Type 912直接渦輪化來得更直接有效,于是,后來1972年的917/10K全部用上了Flat-12 Turbo引擎,Flat-16項目自然也就終結了。

圖:這臺Flat-16引擎只是制作了、測試了,但并沒有實際放到賽場上比拼,畢竟它的體積和重量太大、而且動力輸出又不及直接為Flat-12加上渦輪增壓來得直接,所以也就不再發展下去。

用了六千多字簡單地將Flat Engine及其下屬的Boxer Engine分支的汽車應用歷史羅列了一下,作為一種有追求的引擎布局形式,水平對置引擎確實受到很多駕駛者和車迷們的追捧,無論改裝還是賽車應用,都能帶來無盡的激情。

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