发动机为什么放在前面、后面还是中间?布局架构的演进

发动机的布置位置是决定性的一项工程选择,它与气缸数量一样,重新塑造了操控表现、安全性和成本.
发动机的布置位置是决定性的一项工程选择,它与气缸数量一样,重新塑造了操控表现、安全性和成本.

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发动机在车辆中的布置位置,是与气缸数量和发动机架构同等重要的工程决策,贯穿内燃机汽车的历史.前、后、中置布局,以及曲轴与行驶方向平行(纵置)或垂直(横置)的安装方式,直接重塑了操控性、重量分配、安全性、制造成本和车身设计.本页通过里程碑式的车型,梳理从梅赛德斯的长车头布局到后置发动机的Beetle和Tatra,从中置发动机的赛车革命到现代横置布局普及的演变历程.

亮点

  • 1931 DKW F1作为最早成功的横置发动机汽车之一,被视为现代前驱布局的先驱
  • 1959 Mini将变速箱集成到发动机曲轴箱中,使传动系统仅占车长的 20% 占据
  • 1964 Autobianchi Primula上的Giacosa布局至今仍是横置前驱车辆的标准
  • Tatra后置发动机车型的重量分配过于极端,后轴载荷高达 70/30 这样的比例过高了
  • 1998年起,沃尔沃全系车型(包括V8)均改用横置发动机

为什么布局架构是一项工程决策?

将发动机装入车辆时,需要回答三个基本问题:发动机置于前部、中部还是后部,曲轴是沿车辆纵轴对齐还是垂直于行驶方向?每套答案组合都会产生不同的结果.前置发动机实用,冷却和供暖管路短,因此成为历史上最常见的布局.中置发动机将质量靠近车辆的几何中心,降低转动惯量,改善操控.后置发动机则将重量压在驱动轮上,提高抓地力,在低附着条件下这是显著优势.

横置布局中曲轴垂直于行驶方向,大多数现代前驱车辆采用这种布局.纵置布局中曲轴沿车辆纵轴延伸,是后驱车辆的首选.两者之间的选择主要是空间利用问题:传动系统占据的体积直接决定了座舱和行李厢的可用空间.这一简单的几何选择,在整个二十世纪深刻地重新定义了汽车级别、车身形式,甚至坦克设计.

横置布局的早期岁月:从1899年到战后

横置发动机的理念可以追溯到汽车的最初年代. 1899年,Daimler Motor Company的Critchley轻型汽车作为最早的皮带传动横置发动机车型之一载入史册.然而这一布局首次可持续的商业成功出现在 1931年:双缸的 DKW F1凭借其横置发动机和前驱布局,被视为当今现代前驱汽车所采用的架构的首个可行实例.

战争年代,这一布局在军事领域证明了自己.苏联的 T-44 和 T-54/T-55 坦克的发动机采用横置布局;目的是节省车体内部空间,而结果令人惊叹:横置布局在缩短车体的同时保全了装甲,T-54/55由此成为历史上产量最高的坦克.在汽车方面 1947 Saab 92是最早在首款车型中采用横置发动机的品牌之一;宝沃(Borgward)旗下的Goliath和Hansa品牌也采用了同样的做法. 1957年,东德的特拉贝特(Trabant)凭借横置二冲程发动机驶下生产线,并将这一布局一直延续到 1991年.

Mini与Giacosa:横置布局的两大建筑学派

横置布局在汽车界真正赢得认可是在 1959年,随着BMC旗下由Alec Issigonis操刀的 Mini问世.Issigonis的举措是一种激进的PACKAGING解决方案:变速箱被集成到发动机曲轴箱,即油底壳之中.由此, 848 cc 排量的四缸水冷发动机与传动系统, 1.2 米 宽的车身内构成了一个紧凑的整体;传动组件总共只占车辆长度的 20% .得益于这一布局,一种不围绕发动机侵占空间、真正紧凑的四座汽车理念得以实现.

然而,Mini的曲轴箱内置变速箱方案的代价是维修困难. 1964年,Dante Giacosa将其为菲亚特开发的布局应用在 Autobianchi Primula上:发动机通过一根轴与变速箱相连,差速器则采用偏置布置.这一布局后来在 Fiat 128上得到推广,并成为至今仍在使用的方案的基础.事实证明,Giacosa布局比Mini的方案更易于精化、维修更方便,也更适合五速变速箱,它是现代前轮驱动汽车事实上的标准.横置前驱在市场上成为主导布局的过程也很迅速;大多数制造商在 1980年代 期间采纳了这一布局.

后置发动机传统:从Tatra到甲壳虫

Ferdinand Porsche'nun Beetle'ını ünlü eden arka motor, hava soğutma ve aerodinamik gövde üçlüsü, aslında Tatra'nın mühendislik mirasıydı.

后置发动机的推行逻辑与横置布局的PACKAGING故事截然不同.奥地利工程师Hans Ledwinka于 1921年加入Tatra并担任技术总监,他擅于将发动机置于后轴之后;这一位置为驱动轮提供了卓越的抓地力.公司首款风冷车型是 1923 年的 Tatra 11 ;Tatra在早期同时使用水冷和风冷,后来逐渐将风冷标准化. Tatra 77、 87 以及 1936年生产的 Tatra 97作为风冷后置发动机、空气动力学溜背式车身的四门轿车,属于当时不同寻常的典范.

Tatra 97早已具备后来让Beetle闻名于世的三要素——后置发动机、风冷、流线型车身——两者之间的相似程度甚至足以引发一场诉讼.人们普遍认为Ledwinka的Tatra设计影响了Beetle,但关于设计究竟由谁传给谁的细节仍有争议,因为Tatra的标志性方案也是在1930年代初才成形的.在这一时期,不仅Tatra,Mercedes-Benz也进行了后置发动机的试验: 130, 150 Sports Saloon, 150 Sports Roadster 和 170 H 等1930年代的车型都尝试了这种布局.在捷克斯洛伐克一方,这一传统则相当长寿; 1968 年的 Tatra T603作为一款后置发动机的V8轿车,是这一传承的辉煌延续.

后置发动机的胜利依赖于质量:发动机的重量落在后轮之上,增加了轮胎的抓地力.然而这一优势有着沉重的代价.Tatra的后置发动机车型重量分配 %70/30甚至高达后轴,这导致了臭名昭著的操控问题.重量集中在后轴会在车辆接近弯道极限时产生不可预测的行为:低速时在极限之内表现良好的车辆,可能因惯性而突然遭遇过度转向——即所谓的"收油过度转向"(lift-off oversteer)——的风险.当发动机位于后轴时,车尾在出弯松开油门时,会像甩鞭一样仿佛想要超越驾驶者.

中置发动机革命:从赛场到公路

中置发动机布局将发动机置于驾驶舱之后、后轴之前,使重量分配更接近几何中心,在耐久性和弯道性能上超越了对手. 1969年推出的 Porsche 917是一款装备Type 912 flat-12发动机的sports原型车;尽管仅为满足同质化认证要求而生产了 25 辆,它却在sports赛车比赛中建立了统治地位. 1970 年勒芒24小时耐力赛,Team Salzburg的917K获得全场冠军,而917K凭借接连不断的勒芒胜利统治了耐力赛.

在公路汽车方面,先驱之作是 Lamborghini Miura :其横置中置发动机的 4.0升 排量V12, 在1965年是一个独一无二的布局.在随后的几十年里,同样的方案随着 Lancia Montecarlo, Toyota MR2, Pontiac Fiero 和第一代 Honda NSX 等车型而普及;中置发动机成为从赛车技术流向平价跑车的标准布局.

对性能、安全与设计的影响

发动机布局对驾驶特性的作用可以用基本物理原理来解释:质量的位置决定了重量分布,而分布一旦改变,抓地力和驾驶特性就会发生显著变化.较低的重心和均衡的分布可以提升弯道性能;在后驱布局中还能提供抓地力优势.改变布局,实际上是通过向前倾斜或向后堆叠来改变质量落在某一车轴上的比例.也存在一种相反的观点:发动机舱内的部件——包括电池——在总质量中所占比例相对较小,因此把发动机从一个位置移到另一个位置在某些设计中可能对重量分布的改变少于预期,其效果可能与电池布置等细节相当.实际上这两种观点并不相互排斥:布局的影响必须结合车身架构和质量预算一起评估.

在安全方面,横置布局的贡献具体且可衡量.将发动机横向安装,可以释放前轴上方的纵向空间;这一空间可以转化为正面碰撞中发生变形的溃缩区.Volvo, 1998年起在其包括V8在内的所有车型上转向横置发动机;目的虽是增加车内空间,但这种布局同时也提供了更长的发动机舱空间和更大的前部溃缩区,从而改善了正面碰撞安全性.后置发动机布局的安全记录则较为复杂:Porsche在20世纪70年代初为其后置发动机的911配备了远超当时工程师预期的结构强化和溃缩区,通过了那个时代的碰撞标准.

布局主要优势典型弱点里程碑
前置,纵置实用、普及、冷却管路短引擎盖长、前部偏重经典布局
后置后轮抓地力增强突然转向过度的风险Tatra 97, Beetle
中置分布均衡、抓地力好座舱和行李舱空间Porsche 917, Miura
前置,横置紧凑布置、节省空间动力传动限制Mini, Fiat 128

为什么纵置布局仍然是高性能车型的首选?

横置布局主宰着小型车的市场;另一方面,大多数高性能跑车则保留纵置布局.这有多方面的实际原因.纵置传动系统允许更大、更强的变速箱装入车内,以承受大功率发动机的扭矩.此外,结合后驱架构,它将驱动和转向功能清晰地分配到前后轴之间;过弯时前轮只负责转向,后轮只负责驱动.发动机的纵向排列,尤其是在V型和水平对置等宽大的发动机上,能在发动机舱内留出自由空间.

这一区分表明布局已经演变为车辆级别标识符:在经济型和紧凑型阵营中说的是横置前驱,而在高性能级别阵营中说的则是纵置后驱或中置引擎.制造商在某一车型上的布局选择不仅是技术细节,也传达了该车的目标受众和价格定位信息.

结语:一个简单几何选择的遗产

纵观内燃机汽车一百多年的历史,除了气缸数量和发动机架构之外,曲轴的方向和发动机的位置同样塑造了汽车.Issigonis的油底壳内置变速箱和Giacosa的传动轴连接,是如今上路的几乎每一辆紧凑型汽车的鼻祖.Ledwinka置于后桥之后的风冷发动机通过甲壳虫走进了数百万家庭,并成为保时捷911至今仍在延续的一项传统的起点.中置引擎则从赛车场走向了公路汽车的巅峰.决定发动机放在哪里、朝向哪个方向——这一看似简单的选择,是一项重新定义了从操控到安全、从制造成本到车辆级别等各个层面的工程遗产.

参考资料