2024年4月6日发(作者：所有马的标志的汽车品牌)
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直列式和V型发动机的对比
以及新能源时代发动机的发展趋势
廖曼宏
（哈尔滨工业大学(威海)，山东 威海 264209）
摘要：基于对动力需求的增加与技术的进步，汽车发动机的发展经历了由单列式发动机缸数由三缸到六缸，进而到V型
发动机的过程，直到更进一步尝试和运用“小排量直列型布局发动机+增压器”，形成直列式发动机与V型发动机并存的趋
势。本文通过对直列式发动机与V型发动机的介绍以及设计特点及功能差异等方面的分析，思考新能源时代发动机发展趋势，
提出对于未来发动机设计等方面的建
议。
关键词：直列式和V型发动机；对比；区别
中图分类号：V23 文献标识码：A 文章编号：1671-0711（2018）12（上）-0163-04
1?两种发动机的简单介绍
1.1?直列式发动机
直列发动机一般缩写为L，它所有气缸按统一角度
排列在同一平面，相比V型发动机，其发动机结构相
对更简单、加工更容易。直列式发动机具有尺寸紧凑、
低速扭矩特性优良、运转稳定性好和成本低的优势。但
当汽车动力性需求增加导致直列式发动机缸数需求增加
时，由于活塞的统一平面布置，过多活塞的往复运动同
时作用时产生的二阶往返惯性力无法自平衡。因此，直
列式发动机最广泛应用为2.5L以下排量的四缸发动机，
且最大适用缸数仅为六缸。
1.2?V型发动机
V型发动机是将气缸分两组,每组气缸各自成一
列，相邻的两组气缸成一定角度布置在一起,形成一定
的夹角,从侧面看,气缸呈V字形,故称为V型发动机。
V型发动机缩短了发动机的长度和高度,增加了气缸体
的刚度。V型发动机多见于6缸机、8缸机、10缸机和
12缸机。
2?两种发动机的区别
2.1?设计原理
汽车发动机均为活塞式发动机。现发动机使用均为
四冲程汽油机，其将空气与汽油以一定的比例混合成良
好的混合气，在吸气冲程被吸入汽缸，混合气经压缩点
火燃烧而产生热能，高温高压的气体作用于活塞顶部，
推动活塞作往复直线运动，通过连杆、曲轴飞轮机构对
外输出机械能。这一个工作循环包括进气冲程、压缩冲
程、做功冲程和排气冲程。
2.2?外形区分及适用车型
（1）直列式发动机。直列式发动机的所有气缸
按照统一角度排列在同一平面。一般而言，角度为
90°，即气缸垂直排列。同时，直列式发动机因为结构
空间性的因素，一般为三缸、四缸、五缸，六缸，缸数
一定小于等于六缸。相比V型发动机的凸轮轴设计、
进排气系统、曲轴和气缸体等多零部件的复杂程度，直
列发动机的成熟技术和相较更简单的结构特点会引起发
动机的制造、保养和维修的成本会大大减小。同时，直
列式气缸布局能够更好地适应灵活的布局，更方便布置
增压器类的装置。图1为直列式发动机。
（2）V型发动机。V型发动机是将气缸均分为成
两夹角一定的平行列，从侧面看，气缸呈V字形，夹
角一般呈60°，也有90°、75°、72°等。V型发动
机拥有气缸数目一般大于等于六缸。基于直列型发动机
的形状特点限制，为了提
高工作效率，同时在结构
上抵消因缸数过多而产生
的振动和曲柄连杆机构的
惯性力,由此产生V型发动
机的设计——汽缸相对呈
角度布置。除了相对直列
图1?直列式发动机
六缸发动机外，V型发动机
的产生进一步增进汽车行驶平顺性和稳定性。图2为V
型发动机。
2.3?动力系数区别
动力性指标是表征发动机做功能力大小的指标，
一般用发动机的有效转
矩（T
tq
）、有效功率（P
e
）、
发动机转速（n）等作为
评价指标，其间具有如
下关系：P
e
=T
tqn
/9550。
由公式可以看出，
动力性能越佳，需要有
高有效功率、发动机转
速或有效转矩。
图2?V型发动机
中国设备工程 2018.12 （上）
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研究与探索·工艺与技术
在不考虑添加增压器时，排量（V
st
）和发动机功
率一般呈正向线性关系，因此由公式：
V
st
=ΠD
2
S
i
/4×10
6
可知气缸直径越大，活塞行程越长和气缸数越多，
排量越大。但气缸直径和活塞行程是设计阶段最早确定
下来的参数，要增加排气量得到较大有效功率只有靠增
加汽缸数量来实现。又由于直列型发动机空间结构限制，
要进一步增加发动机的数目只能依靠V型发动机实现。
因此综上所述，不考虑增压设备时，由于V型发动机
气缸数目更多，其动力性能更优。
除此之外，相比于直列式发动机，由于V型发动
机交叉布置的结构特点，同一缸数下气缸直径设计相对
更大。假设燃烧产生的压强是固定值，发动机的输出扭
矩也会相应增大，发动机的最大功率也相对增大，动力
性能更优。在具有增压器的情况下，直列式发动机能够
在不影响发动机排量的情况下有效提高发动机进气量，
进而大幅度提高发动机的功率和扭矩。其输出的最大功
率与未装增压器相比，可增加大约40%甚至更多。
2.4?主要运用的车辆类型
（1）直列式发动机。多使用“小排量直列型布局
发动机+增压器”的动力组合。例如：
直列四缸发动机——福特野马Ecobost——涡轮增压；
直列四缸发动机——福特福克斯RS——涡轮增压；
直列四缸发动机——沃尔沃XC90 T6——涡轮增压；
直列六缸发动机——宝马。
（2）V型发动机。多用于追求舒适平顺驾乘感受
的中高级车型。例如：
日产 V6 发动机——英菲尼迪 G37；
通用 V6 发动机——雪佛兰科迈罗、凯迪拉克
ATS350；
奥迪 V8 发动机——奥迪Q7；
福特 V8发动机——福特野马Shelby GT350；
法拉利 V12 发动机——812 Superfast。
3?发动机在燃油车和混合动力车上的设计区别
3.1?混合动力汽车概述
随着对环境保护的需要和石油价格的攀升，汽车作
为日常生活用品已经被冠以越来越高的要求，新型动力汽
车应运而生。然而因为受到了技术与能源的限制，现代社
会所指的新能源汽车多为混合动力汽车。混合动力汽车，
指具有两个或以上动力源，一般采用发动机和多个电机同
时作为动力源的形式为汽车提供动力。按照动力传输途径，
混合动力汽车分为3种：串联式混合动力汽车、并联式混
合动力汽车和混联式混合动力汽车。电力驱动是串联式混
合动力汽车的唯一驱动形式，其通过发动机转化产生的电
能和电池输出的电能共同驱动电动机产生动力，在此情况
下发动机、发电机和电动机动力总成较大，外形较大，所
需电池多，在中小型汽车上不易实现。并联式混合动力汽
车，发动机和电动机分属于两套系统，不仅可以同时驱动
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中国设备工程 2018.12 (上)
车轮，也可以独立给传动系施加动力，总体来说，对发动
机的依赖度相比其他形式更高，电动机系统一般只在起步
和急加速时才工作。混联式混合动力汽车结构一般具有一
个电动机、两个电机及一套动力分配装置或离合器，此时
发动机能够给电池充电以及负责驱动车辆。其相对并联式
复杂，自由度多，对驱动转矩、传动系统和速度调控要求
高，但比并联式更智能，能通过路况灵活分配汽油机和电
动机的输出运转。
3.2?设计形状
因为具有了除发动机以外的动力源可为汽车行驶
提供动力，汽车可以通过合理分配动力源之间的转矩来
提高动力总成的效率，故相比传统汽车发动机，混合动
力汽车发动机会减小一定的额定功率。因此，相比于传
统otto循环发动机因不同排气需求而使用的直列四缸
与V型六缸等发动机结构，混合动力汽车使用Atkinson
循环时，其不仅在尺寸上于发动机活塞顶面形状、燃烧
室容积、配气机构、气门正时等方面进行优化（见表1），
还通过额定功率要求的降低与空间布置的考量，多考虑
使用体积小、缸数较少的发动机。例如混合动力汽车中，
通用VT6使用的2.0T直列4缸涡轮增压式引擎、君越
使用的1.8L直列4缸自然吸气式引擎、名爵6使用的
直列4缸涡轮增压式引擎、丰田凯美瑞使用的直列4缸
自然吸气式引擎，凯迪拉克CT6混合动力车型使用的
直列4缸双涡轮增压或V型6缸双涡轮增压式引擎。
3.3?动力驱动模式
（1）燃油车。一共有五种，其中发动机放置位置
有三种情况：前置、中置、后置，驱动轮的位置有两种
表1?otto原机与改后发动机结构参数
项目原机改后发动机
发动机布置
L4 每缸4气门 DOHC 正
时链
条传动DVVT VGIS与原机相同
几何排量1485mL与原机相同
余隙容积39.0529.28
缸径74.7mm与原机相同
行程84.7mm与原机相同
气缸直径×缸心距74.7mm×79.7mm与原机相同
几何压缩比10.513.67
燃油牌号93号汽油（IV）GB17930
与原机相同
怠速800±30r/min与原机相同
外形尺寸L570mm×B639mm
（不含变速器）×H602mm
与原机相同
净质量（不含变速
器）
110kg110.3kg
气门间隙
进气：0.075～0.115；排气：
0.23～0.28
与原机相同
压缩余隙12.71±0.2与原机相同
采用可变气门相位技术
（DVVT）、可变长度进
技术特点气歧管（VGIS）、紧藕式与原机相同
脉冲排气歧管、低摩擦副
设计技术
情况：前驱、后驱。一般来说，发动机具有前置前驱，
前置后驱，后置后驱，中置后驱和全轮驱动的布置形式。
在此主要介绍发动机的前置前驱和前置后驱。
①前置前驱车。前置前驱车指的是发动机前置而
驱动轮为前轮的情况。此时发动机变速箱都在车头，具
有结构紧凑，驱动轴短，动力传递效率好，燃油经济性
高，能简化后悬架系统和提高行驶操纵稳定性的特点。
缺点是加速或爬坡时，前轮负荷减少，导致牵引力下降，
总体马力不高。
②前置后驱车。前置后驱车指的是发动机前置而
驱动轮为后轮的情况，此时驱动力通过传动轴传递。在
此情况下车轴荷分配比较均匀，具有良好的操纵稳定性
和行驶平顺性，爬坡时牵引性能较佳，转向轮与驱动轮
分离降低技术要求。缺点是装置复杂、驾驶空间小，降
低传动效率和燃油经济性。
（2）混合动力车。由于并联式混合动力汽车的驱
动形式相较于串联和混联更接近于传统燃油车，因此本
文主要介绍并联式的动力驱动模式。
①驱动力耦合式驱动传动系。驱动力耦合式混合
动力汽车结构保留了内燃机全套机械传动系统，采用小
功率发动机独立驱动汽车前轮，另有一个电动机驱动系
统单独驱动汽车后轮。此时，由下图4可以看出，发动
机和电动机之间无任何的机械连接，其各自独立，并且
保证每一个轴上的驱动力不得大于其轮胎与地面的附着
极限。保留了原内燃机全套传动系统的情况下，加上新
增的电动机驱动系统的动力提供，两系统各自发挥本身
特性，能显著提升系统的经济性和动力性，但也因分开
驱动而导致结构不紧凑，故较少使用。驱动力耦合式驱
动传动系如图3。
②扭矩耦合式驱动传动系。扭矩耦合式驱动传动系
拥有双轴式和单轴式两种情况（图4），但均是以发动
机驱动模式为主要驱动模式。图中电动机兼有发动机和
电动机的功能，其能够被发动机驱动的多余功率直接（单
轴式）或间接（双轴式）
带动转化为发电机为电
池充电，也能够被电池
提供电能转化为电动机
驱动汽车行驶。电动机
能够单独通过传动系统
驱动汽车，发动机同理。
图3?驱动力耦合式驱动传动系
他们是通过同一根传动
轴来输出动力，发动机
输出转矩和电动机输出转矩能够互相叠加。
③转速耦合式驱动传动系。在转速耦合式驱动传
动系中，发动机首先与离合器连接，然后与一套变速机
构连接，进而通过行星齿轮动力机构耦合来驱动电动汽
车；电动机驱动系统则直接连接这一动力耦合装置（图
5）。发动机的转矩能由动力耦合装置分配到驱动轮和
电机，电机也可以根据控制指令选择给驱动轮提供动力
或蓄电池充电。
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4?新能源时代
发动机的设计趋
势
目前的汽车
的制造趋势逐渐转
图4?扭矩耦合式驱动传动系
变为节能化和环保
化。因此，在纯电
动车因技术问题尚未完全攻克时，发动机如何满足混合
动力型汽车便尤为重要。针对新能源时代混合动力型汽
车发动机的设计和发展有以下4个趋势。
4.1?体积更小
由于新能源汽车多动力源的特点，加上电机的能
量转换技术的改善、电池的容量和新能源利用效率的提
高，技术会趋向于更为合理分配动力源之间的转矩的
方案来提高动力总成的效
率。因此，传统汽车发动
机相比混合动力汽车发动
机而言，额定功率的要求
会进一步减小。除此之外，
对增压技术的涡轮迟滞现
图5
?
转速耦合式驱动传动系
象的研究和解决和对发动
机转速扭矩和油耗等问题
的综合研究，使得新能源汽车对发动机的缸数要求进一
步减小。
4.2?油耗更低
混合动力汽车的设计出发点即为减少油耗，其多
动力源的设计即为汽车提供除燃油外资源的动力，逐步
减少对燃油的依赖。但由于动力电池续航里程问题、寿
命问题、充电设备分布不完善等问题短时间无法解决，
汽车对于发动机的依赖性仍旧不容忽视。因此，基于对
于混合动力汽车的低油耗需求，发动机设计应该仍具有
低油耗、高动力性能的特点。
4.3?轻量化
研究表明，内燃机汽车每降低10%的车体质量，
可以减少6%~8%的燃油消耗量，对续航能力和动力性
的均有提高，因此新能源汽车的轻量化是未来设计的趋
势。涉及发动机的质量方面，在其体积减少的基础上，
发动机的材料如何保证同时满足强度、刚度、经济性，
又能保证轻量化是值得探讨的课题。因此，关于铝合金
和其他复合材料的使用值得深入研究。此外，针对如何
实现材料最优化分布于发动机不同系统内外区域和不同
结构也应该列入经济性的考虑。
4.4?智能化程度更高
汽车发动机自身的电子控制系统主要由传感器、
电子控制单元（ECU）和执行器等三部分组成。传感
器的作用是测量和传递运行的数据信息；ECU的作用
是将传递的信号按照设定程序进行处理并进行反馈与控
制；执行器的作用是对反馈内容加以执行。就并联式混
合发动机而言，扭矩耦合式混合动力汽车通过设置发动
中国设备工程 2018.12 （上）
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研究与探索·工艺与技术
基于ZigBee农田
水肥一体化智能灌溉系统设计
?陈天成??
摘要：我国农业传统的灌溉手段对于水资源和肥料的消耗巨大，并且无法对作物生长提供最优效益。针对上述问题，
本文研究设计了一种基于ZigBee的水肥一体化智能灌溉系统。本系统利用ZigBee无线传输模块进行农田信息收集与传输
并结合云服务器共享灌溉方案，并利用AI专家系统对农作物生长状态和土壤信息进行分析并制定出最佳灌溉方案。该系统
具有精确灌溉、节约成本增效绿色环保等特点，减少了传统灌溉导致的水资源浪费和效率低下的问题，最终实现智能化水
肥灌溉。
关键词：ZigBee无线传输；智能灌溉；云服务器；AI专家系统
中图分类号：TP29;S275 文献标识码：
A
文章编号
：
1671-0711（2018）12（上）-0166-03
目前的农田灌溉系统存在水资源利用效率低、统
一大水漫灌导致浪费严重和灌溉效率低下等问题。另
外，目前广泛采用的施肥方式为经验性施肥和漫洒，这
种方式容易产生肥料蒸发，吸收不均匀等问题，不仅不
能有效促进作物生长，而且对环境存在一定的污染隐
患。所以，根据作物生长情况制定适宜的灌溉施肥方案
对于节水环保与可持续发展具有重要意义。对此本文提
供并设计了一种基于ZigBee的农田水肥一体化智能灌
溉系统，如图1所示，利用ZigBee技术低成本、低复
杂度、高容量、高安全性等特点，实现对大规模分布式
传感器数据的收集；运用农田监控系统对土壤中养分含
量、养肥供给以及不同农作物生长情况进行数据采集和
分析，再通过 AI专家平台系统制定出合理化、针对性
的灌溉方案。
1?系统总体设计方案
如图1所示。本智能灌溉系统总体架构包括三大模
块——农田信息采集模块、AI专家系统模块、客户端
模块。智能灌溉系统模块中最基本的模块——农田信息
采集模块主要有两个信息采集模块：土壤信息采集模块；
农作物生长监控模块。土壤信息模块通过ZigBee技术
机、电动机和传动机构成比例随路况和车速变化来控制
分配输出扭矩，转速耦合式混合动力汽车可以监测路况
和车速条件，电动控制锁止器来决定发动机动力的分配
情况和驱动力的来源，技术上已达到一定智能化油电自
动切换水平。若针对发动机来进一步提高智能控制技术，
则需要对传感器技术和ECU技术进行优化。当前主流
发动机ECU主要采用发16位或32位微控制器，64位
的微控制器在未来应成为主流取代前两者，达到高速大
容量化精确控制的效果。传感器研究方向是进一步小型
化、集成化、智能化，以达到自动补偿、自动修复和增
强自抗干扰能力。综上，ECU和传感器的优化能够使
多动力源汽车发动机针对不同工况能够在装置、时间与
资源消耗上进行更准确调整适应。除此之外，因为发动
机的工况在持续变化中，故尽管其中有变速器进行调节，
也有大量的工况发动机会运行在效率很低的区间内，加
上在怠速等工况无效输出的情况，会损失大量的热量。
因此在考虑发展发动机本身技术发展问题之外，也必须
明确合理利用能量管理策略的重要性并进行优化，实现
发动机关于其系统和电动机系统的转矩输出的最佳分配
方案，最终实现发动机在最佳区域运行。
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中国设备工程 2018.12 (上)
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