V8發動機的平面曲軸和十字曲軸的區別

V8發動機曲軸大致分為兩種，一種是十字曲軸，另一種則為平面曲軸，最大的區別就是每兩個曲拐之間的夾角是90度而不是180度。平面曲軸V8發動機結構簡單，慣性小，有利於高轉和發動機響應，震動超級爽…

發動機的機械振動存在兩個概念：一次振動（first-order vibration）和二次震動(second-order vibration)

一次振動（first-order vibration）是指頻率和曲軸轉動速度相同的振動，避免這種振動的方法可以簡單地理解為“有一個活塞上去就要有一個活塞下來”

例如三缸機

在曲軸旋轉的任意時刻，不僅上下行活塞數量一直不等（沒辦法，誰叫你就三個肛呢），1缸和3缸的活塞運動方向還總是相反的，造成發動機不僅上下振動，還會前後擺振。想應用在量產車上的話必須裝備平衡軸，否則就拿來驅動電動玩具吧。正所謂：三缸一震天地滅。

但是常見的四缸機

看起來兩個汽缸向上的同時也有兩個汽缸向下運動，這就是一臺完美的引擎了嗎？

二次震動(second-order vibration) ，即頻率相當於曲軸轉動速度兩倍的振動

拿出四缸機的一半單獨分析，不難發現由於曲柄連桿幾何構型的特徵，上行活塞的速度永遠要比下行活塞的速度快，造成發動機以曲軸每旋轉180度的時間為週期上下振動。

解決方法？旋轉速度是曲軸兩倍的平衡軸。可以說在70年代三菱第一次將雙平衡軸應用於量產4肛發動機之後，這種發動機形式才真正有了前途。

但是早期的四缸發動機曲軸連配重都沒有，加之當時的加工工藝問題，雖然發動機轉速比現在柴油機還低，平順性還是可以用呵呵兩字來形容

於是乎在1910年代，凱迪拉克和福特的設計師想通過90度夾角和配重來解決震動問題。（但是理論上平面軸並不需要這個設計）

當時的側閥V8和簡陋的平面曲軸

90°夾角發動機的優勢就是可以用曲軸上的平衡配重來抵消另一列汽缸活塞運動產生的振動力矩，而這個原理對無論幾對汽缸的90度V型發動機都適用

例如上邊的汽缸向上運動的時候，配重向下運動。而假逆時針轉動，轉過6點鐘方向以後配重的速度指向右下方，但是右邊向左運動的活塞抵消掉了這個力矩。

但是在1920年代，發動機轉速提高了，二次震動問題也越來越明顯，於是大部分量產的V8發動機開始裝備十字曲軸。

十字曲軸（上）和平面曲軸（下）最大的區別就是每兩個曲拐之間的夾角是90度而不是180度。平面曲軸V8會和直4發動機一樣產生二次震動問題，而兩排汽缸相隔90度的間隔還會讓週期為180度的震動疊加。而十字曲軸由於兩組間隔180度的曲拐之間的差距是90度而不是180度，二次震動頻率只是平面曲軸的一半，振幅也大為降低

由圖可見上下行活塞的數量在任意時刻並不都是相等的，會使發動機產生前後擺動。但是還記得90度發動機的優勢嗎？加上配重之後問題解決

但是問題來了。由於每排汽缸都有兩個活塞在以90度間隔達到上止點，導致無論如何排列點火順序，每排汽缸都會有兩個以90度間隔點火，導致嚴重的排氣干涉（也就是一般V8發動機類似農用機械的排氣聲浪的產生原因）。

於是為了增加低轉速情況下的掃氣能力，一般的民用V8在排氣中段都會設計一個H型或者X型平衡管，用兩邊排氣的壓力差來減小排氣干涉的影響。

而一些注重性能的V8則使用了更糾結的設計，例如福特GT的排氣管吧相鄰點火的氣缸連接到另一邊的排氣歧管，更有甚者（喪心病狂的BMW）不惜把排氣測放到V型的內側以便使用更復雜的排氣歧管

所以對於高性能發動機來說十字曲軸並不是什麼好事。雖然振動小，但是沉重的配重導致發動機內部慣性過大，既不利於靈敏的引擎反應也不利於高轉速的實現，輕量化就更別提了。此外排氣干涉硬傷也犯了性能發動機的大忌。於是乎歐系高性能V8發動機（蓮花、TVR和法拉利家的那些）還在堅持使用平面曲軸。

平面曲軸V8基本上就是把兩臺直4焊在一起，由於向上和向下運行的活塞總是成對，所以並不會出現一次震動問題，但是加倍的二次振動必須需要更重的平衡軸來應付。加了平衡軸就又增加了質量和轉動慣量，於是這些性能發動機就用短衝程設計的活塞和更強的結構這些治標不治本的方法來儘可能減小這些振動。

平面曲軸V8的點火次序很簡單，完全不存在十字曲軸V8同排汽缸先後點火的問題。做功的汽缸一直是左-右-左-右-左-右-左-右……，而不像十字軸一樣的左-右-左-左-右-左-右-右，因此不存在排氣干涉問題，可以使用常規的等長排氣歧管來增加高轉下的動力。

總結下十字軸和平面軸的優劣勢

十字軸

優勢：振動小，運轉平順

劣勢：重量大，慣性大，排氣干涉

平面軸

優勢：結構簡單，慣性小，有利於高轉和發動機反應

劣勢：震動感人

此外也有一些摩托車用的直4使用十字曲軸和平衡軸，意在減輕發動機內部慣性對扭矩的波動的影響或者在二衝程發動機上實現均勻點火。