林教授浅谈V12引擎设计顺序与要点

林义正教授简介

1938年生于东京都文京区，1962年进入尼桑中央研究所，从事排气、噪音、节油的研究，后升任原型车引擎开发负责人，开发勒芒24小时大奖赛、WSPC（世界运动原型车大奖赛）参赛车辆的引擎VRH35，搭载VRH35引擎的赛车曾连续3年夺得JSPC综合冠军，树立了1990年勒芒24小时大奖赛最快圈速，1992年戴通纳24小时大奖赛综合冠军等辉煌战绩。1993年辞职。之后和YGK一起开发原形车引擎和低公害引擎，再之后进入东海大学担任教授并组建学生队伍参加勒芒24小时大奖赛，现退休。

V12是自带“天然的平衡轴”的引擎，是遵循自然法则的应有的形式之一

普通汽车的V12是为了实现【究极的高性能】的气缸配列。搭载的车辆也是超跑、顶级豪车、赛车。而实际上全世界有过发开V12引擎经验的工程师非常少，整个日本（把赛车的V12也算进去）也不过数十人。

林教授就是拥有这样经验的一名工程师，林教授在80年代末，任职尼桑设计主管的时期，开发的VRH35（V8涡轮增压），在原型车大奖赛上取得了骄人的战绩。之后FIA构想把C组和F1的引擎规格统一，瞄准这一点，尼桑研发了3.5自吸的70度夹角V12引擎—VRT35。

正文（记者简称记，林教授简称林）

记：那么我们就来问问林教授，V12到底是一种怎样的引擎？

林：V12是自带“天然的平衡轴”的引擎。我认为不仅限于引擎，所有的机械都只能遵循自然法则去设计。遵循各种法则去设计引擎，最终的到达点就是V12。V12的特征是安静、敏捷、平顺，这全部是遵循自然法则所得到的结果。

记：为什么V12是这种引擎？

林：那从最开始讲吧。首先活塞的上下运动通过连杆，转化成回转运动的过程会发生“不平衡”。活塞从压缩上止点进入燃烧行程后，由于燃烧压力，活塞会以一个大加速度下降。但是在上止点附近活塞的下降会让连杆向斜方向移动，和连杆轴颈（CrankPin）的移动量比起来，活塞的移动量相对较大。在接近下止点附近，连杆会从斜方向回到正方向，比起活塞的移动量，连杆轴颈的移动量相对较大。上升行程也会发生同样的情况。也就是说活塞在下降—上升这个过程当中，加速度是不同的，这会产生一次振动。然后，直4引擎等情况很明显，直4引擎2个1组的活塞处在180度相反的位置，并进行做功。在不平衡的状态下，曲轴转动一圈活塞组位置会发生两次变化，这就是二次振动。要抵消发生的振动不得不使用平衡轴。但是直6可以通过配置很好地抵消掉不平衡的惯性力。本身不会发生振动，所以自带“天然的平衡轴”。而V12继承了直6的优点，而且燃烧间隔更短，聚集了各种优点。

记：原来如此，V12这种结构本身即是法则啊。那么设计者会在什么情况下判断使用V12引擎呢？

林：引擎设计最先决定的是目标动力。民用车的话和车辆企画也有关系。不论是哪种类型的汽车，有多大多重，价格区间在什么范围，动力需要多少？就是从这些要求中算出一个动力水准。然后，就可以计算单位时间内必须要消耗掉的燃油量了，接着乘以14.7（理论空燃比），算出达成目标动力必须要吸入多少空气。之后要决定的就是，这些空气是通过排量来获得还是通过转速来获得。而且不论选择哪一边，设计者都想让燃油在短时间内充分燃烧，所以设计者会把每个缸燃烧的混合汽量控制在一定程度以下。普遍的基准一般是每个缸350-500cc。最后从这些情况来综合判断是否使用V12结构。

记：果然，您的意思是要求达到某种程度的动力输出时才会出现V12的选项吗?

林：动力固然是一个很重要的因素，但是民用车的引擎不是时时刻刻都要保持高转速，基本上使用范围都在红线转速的三分之一以内，在这个范围内非常重视安静、转速的平顺性的话也有选择V12的情况。我在尼桑的时候，设计的VRT35也非常安静，平顺。赛车手铃木利夫也说过【VRT35是非常安静的引擎，虽然引擎直接固定在车架上，但是几乎感觉不到振动。】

记：V12安静倒是令人意外啊。我有一个问题：曲轴回转数相同的情况下，气缸多的引擎活塞移动速度低，燃烧间隔也短，是不是这样的感觉啊？

林：首先每个缸的燃烧空间很小，很容易充分燃烧。活塞速度低对于提升引擎耐久性、信赖性都是有利的。特别是对于赛车引擎，这是一个很大的优点。振动少对耐用性和舒适性都是有利的。这些都是【自然法则】，按照自然法则制造的引擎，自然是高性能的。

记：那应该也有缺点吧。

林：此消彼长吧。无论如何摩擦会增加。冷却损失也会增加。零件量也增加了，重量会变重。最致命的缺点是，相对刚性会降低。如果构造物的尺寸变大相对刚性会降低。最常见的例子就是蚂蚁和跳蚤的身体结构，正是因为那个尺寸才能成立，如果和人的尺寸一样大的话，它们会因自重而坍塌。

记：如果在确保空气量的前提下避开这些不利因素还可以选择减少缸数的涡轮增压引擎吧？

林：当然，这也是有效的。在很多情况下是最优的选择。不管怎么说，损失少，重量轻，在搭载性上也有很多优势。在制作VRH35的时候，就是考虑到比赛规则，作出了最佳的选择，涡轮增压。只是民用车还有一个很重要的要素【商品性】。同一台车，搭载V12引擎和V6涡轮增压引擎，哪个感觉更高级，不用说了吧。。。。。。（笑)

记：对的，V12就是【高性能】、【高级】、【高价】的形象。缸体的铸造成形模具越大的成本贵的越吓人吧，那么使用涡轮增压是不是能降低生产成本呢？

林：具体情况具体分析，不过恐怕V12的最终成本会更低。V12虽然价格高是事实，但不是大量生产的引擎，生产设备也是以此为前提搭建的。之后只要一口气生产把V12生产出来，那么这条生产线就具备了可以生产V10和V8的要素，从总体上看，应该要比涡轮增压引擎成本更低。

记：这真是太令人意外了。那么决定使用V12之后，会用什么顺序进行设计呢?

林：机械设计要使用的要素只有【材料】和【形状】。赛车引擎和民用引擎的差别就在【材料】。比赛只有胜负，如果成本低导致输掉了比赛也没有任何意义。赛车引擎在材料上是没有制约的。使用好的材料，形状的自由度也能更高。换句话说，就是将应力使用至极限，之后就是经验工学的世界了。比如燃烧室里发生了什么，最近通过模拟可以在某种程度上有一定判断，但并非所有问题都能弄明白。我就直说了，很多领域如果不实际操作是搞不明白的。这里就需要把经验作为基础发挥技术了。比如以我的经验来说，活塞移动速度29米/秒话，燃烧速度能够达到108米/秒，但在这之上无论怎么努力都有无法超越的物理极限。在明白这些因素之后，利用所有构造、配置，消除弱点。

记：设计V12所必要的，具体的手法是怎样的？

林：为了确保刚性，在【形状】上努力是基本。比如要提高缸体的刚性，需要如何设计油底壳的形状，曲轴的连杆轴颈和主轴颈的重叠（overlap）尽量扩大。。。。。。等技术。但是，只追求刚性的话，比较容易走上歧途。润滑等也需要仔细考虑，性能设计和构造设计要同时进行。这里是要用到技术和经验的部分，更进一步说，艺术性和灵感也很重要。以各种工学种类的知识为基础，且忠实于自然法则造出来的引擎，从结果上来说所有部分都是遵循自然法则的形状，引擎一定要【美】，如果有不“美”的部分，那么有可能存在隐患。

全文完！