活塞引擎 2：多缸佈局
雖然說活塞引擎只需要一組活塞汽缸就足以運作了， 可是我們日常眼界所及的各式活塞發動機卻往往都裝配了不只一組汽缸， 幾乎除了輕型摩托車以外，所有車輛和飛機上的活塞引擎都無一例外使用了多汽缸的形式。 使用多汽缸當然是存在一些好處的，然而這些汽缸應該怎麼排列？ 汽缸的排列方式不只是影響發動機的尺寸參數而已，往往還極大程度影響發動機的整體性能特性。 於是本篇就要先來介紹這些由汽缸排列方式而產生的引擎分類。
為什麼需要多汽缸？
Figure 1. 只有一個汽缸的引擎，廣泛被用於摩托車上 [1]
上圖是一個常見的單缸引擎的樣子， 外表佈滿了散熱鰭片的汽缸體很明顯容易辨認，在汽缸下面就是曲軸箱， 這樣就構成了一個完整引擎的大致結構。 在有了飛輪的加持之下，一組活塞汽缸組件(下面將以「汽缸」簡稱之)就足以使一顆引擎正常運轉， 那為什麼需要設計多個汽缸的引擎呢？原因也很單純，就是為了增加引擎的輸出功率。
當然除了增加汽缸數量之外，把汽缸做大一點也可以放大引擎功率， 只不過汽缸容量放大到超過一個範圍之後，有些不良副作用會突顯出來， 例如油氣均勻混合的難度增加、燃燒控制難度增加、以及轉速降低等等； 然而增加多個汽缸除了也能夠增加引擎功率的主要目的之外，還會帶來一些好的副作用， 主要體現在能讓引擎產生的動力輸出更加平順、運作更平穩、振動更容易受控的方面上。 在有多顆汽缸協同工作的情況下，我們可以將各汽缸的行程錯開打散， 這樣曲軸在旋轉過程的各個位置可能同時都有汽缸分別正在點火、正在膨脹、正在壓縮等等。 這樣相比於單缸引擎轉兩圈才來一次的動力爆發，多缸引擎的動力會更加平穩綿密， 更少在單缸引擎上明顯的那種間斷式的動力突波。
既然多汽缸引擎的表現這麼好，那是不是汽缸愈多愈好呢？ 比如一個原本排氣量(也就所有汽缸的總容量) 2 公升的汽車引擎，一般別人大概都做成 4 汽缸型式， 那我就把它拆成 100 個汽缸來運作(這樣的話每個汽缸容量只有 20 cc)， 那麼這樣的引擎是不是就非常非常平順了？是不是運作起來簡直就像電動馬達一樣，完全感覺不到振動了？ 這樣的引擎動力平順是肯定平順的，單就這樣的結論而言並沒有錯，但是現實上並不划算！ 把汽缸造的小的話問題其實並不大，但是汽缸數量太多反而會讓引擎整體性能下降。 因為各個運動零件之間都存在摩擦消耗，連桿、凸輪軸、汽門等等這些零件本來就會產生運轉阻力， 特別是汽缸和活塞之間為了氣密的緣故，其滑動阻力佔的比重本來就高， 而當這些零件的數量過多時，累積起來的引擎內耗會可觀的消耗掉本應該對外輸出的動力， 最終使得引擎功率降低，效率也降低。 除此之外，過多的零件還增加製造難度、增加維護保養成本、也增加了故障率。 歷史上也不是沒有人嘗試過打造那種汽缸很多很多的引擎， 只是後來無一例外全都敗給了飛漲的各種成本和高故障率。
因此，雖然增加汽缸數量可以帶來一些明顯的好處，但汽缸數量也並不是愈多愈好。 對於正常普及的活塞引擎其汽缸數量絕大多數被控制在 20 個以內， 而針對家用市場的低價小功率產品之汽缸數量更是只有個位數； 對於一些超輕、超低價的產品如速克達機車、割草機等則連雙缸都少見，大多都只配備了單缸引擎， 除了成本因素之外，也是因為單缸的功率就已經足以應付了。
常見的汽缸佈局
直列
Figure 2. 在一戰時期的老式飛機上使用的直列 6 缸發動機 [2]
直列發動機可說是在所有的多缸發動機裡面最簡單的結構，把汽缸直直排成一排共同轉動一個曲軸就完成了。 直列佈局的最大優點就是結構簡單且成本低，比方汽缸座可以用一整塊材料挖幾個孔就大致完成雛型了； 凸輪軸也只需要兩根，做的長一點就是了； 汽缸蓋、正時鏈條等等很多主要零件也都只需要共用一副即可。 因此直列的汽缸佈局大量充斥在民用車輛上，幾乎所有除了講究性能的高級車以外的一般車輛全用的都是直列佈局， 萊特兄弟發明的飛機用的那個 12 馬力發動機也是直列佈局，主要原因就是經濟實惠。
當然直列佈局也有它的缺點，否則怎麼還有其它佈局方式生存的空間呢？ 直列佈局的主要缺點就是當汽缸數量多起來以後，引擎就會變得很長， 這種細細長長的引擎形狀不利於放在幾乎任何地方。 直列五缸、六缸的發動機就已經長到只有特殊考量的車輛才願意使用， 而直列 12 缸的引擎大概連飛機都會嫌棄它了！
所以在航空領域，只有在大約第一次世界大戰之前的飛機會出現直列汽缸發動機， 因為那個時候的航空還處在萌芽摸索階段，也還沒有用上更大馬力的發動機； 但是在約一戰以後，航空對發動機馬力的需求開始快速上升，直列佈局很快就被淘汰消失在航空領域了。
V 型
Figure 3. 一個 V 型 12 汽缸的發動機 [3]
既然把汽缸排成一列太長，那就排成兩列吧，長度直接折一半！ V 型佈局其實就是直列發動機的變體，把汽缸排成兩個直列； 又因為兩排汽缸的活塞需要接到同一根曲軸上，因此下部連桿和曲軸的那部份會聚攏起來， 從軸向看過去就像是英文字母的 V，因此得名 V 型佈局。
V 型佈局的好處就是相較於直列排佈而言能使長度縮短一半， 雖然會使發動機橫向寬度增加，但總體幾何形狀更加適合被安置在空間侷促的車輛或飛機上。 因此 V 型 12 缸發動機大量流行在第二次世界大戰期間的各式大小飛機上，從小型戰鬥機到大型轟炸機都有愛用者 (至於這個數字為什麼是 12？為什麼不是 10 缸或 14 缸？這就和引擎的振動特性有關了，這個話題暫且不談)。
V 型佈局的缺點那就是結構複雜度提高、製造和維護成本也提高。 相比於直列佈局，兩個直列湊在一起的 V 佈局自然是讓整體的設計複雜度增加了， 而且許多零件必須得老實的做兩份而不能像直列佈局那樣共用，比方說汽缸體就得分成兩塊， 曲軸曲柄、正時機構、進氣管和排氣管等等通通都得做兩份。 因此通常來說，V 型佈局在 6 汽缸以上的發動機才能體現出它的優點， 而 5 汽缸以下的引擎多半採用直列佈局，在整體綜合考量下會更加合適。 這也就是為什麼在汽車領域上幾乎總是直列佈局，而 V 型佈局較為少見的原因了， 單純就是因為一般民用車輛的馬力需求並不需要使用這麼多汽缸。
Figure 4. 二戰時期著名的勞斯萊斯 V 型 12 汽缸梅林發動機 [3]
Figure 5. 紅圈標註的位置就是這架飛機的發動機所在位置，它的左右兩側有成對的兩排排氣管，據此可判斷它使用的是 v 型佈局發動機 [4]
水平對臥
Figure 6. 一個水平對臥 4 缸發動機 [5]
水平對臥佈局也是直列佈局的變體，與 V 佈局一樣將汽缸排成兩排， 只是兩排汽缸不是像 V 那樣排在靠近的左右兩邊，而是兩排汽缸分立於曲軸的對面， 成對的兩排汽缸成平躺的樣子，因而得名水平對臥佈局。 也有一種觀點說水平對臥其實就是 V 佈局的一個特例， 當 V 佈局的雙排汽缸夾角為 180 度時即為水平對臥佈局， 這種說法也是非常正確且貼切的。
水平對臥佈局的好處在於引擎振動可以減到最小， 設計為對稱運動的左右兩排活塞可以非常好的抵消掉彼此對引擎施加的力。 相比於直列汽缸要 6 缸才能具備比較良好的低振動特性， 只有 4 個汽缸的水平對臥排佈就足以達到，甚至更好！ 因此水平對臥佈局的發動機常見於當代的低功率航空引擎(如圖 Figure 7)。
水平對臥的次要優點是引擎整體變得比較扁平，相較於其他比較直立高聳的汽缸佈局， 水平對臥式的扁平引擎可以讓車輛的重心更低，對車輛的橫向穩定性有所幫助， 因此也獲得了部份強調性能和平穩的汽車製造商採用。 總而言之，水平對臥佈局的好處在於可以使用最少汽缸數量的情況下，提供絕佳的振動穩定性， 因此在低排氣量、功率需求較低，且講究振動穩定的領域佔有優勢。
而水平對臥的最大缺點，就是汽缸的潤滑部份設計難度較高。 因為地心引力的關係，水平橫躺的汽缸內，潤滑油會自然的流動堆積在下端，導致上端缺乏潤滑， 進而使得汽缸上端容易缺油而增加運作阻力和磨耗。 另外水平對臥佈局會讓發動機的寬度變得很寬，在飛機上這通常也不是什麼太大的問題， 但是在汽車上就會造成引擎室內空間侷促擁擠的問題，也會增加引擎的保養和零件更換的困難度。 因此在汽車領域，似乎也只有極少數車廠願意採用水平對臥的引擎佈局。
Figure 7. 全球暢銷的 Cessna 小飛機，注意紅圈標示的螺旋槳軸左右兩側的散熱進風口，說明它使用的是水平對臥佈局發動機 [6]
星型
Figure 8. 這是一具裝配在飛機上的 9 缸星型發動機 [7]
Figure 9. 這是一具複列 14 缸星型發動機，上方汽缸被剖開，讓我們可以看到內部的活塞結構 [7]
將多個汽缸圍著曲軸環繞一圈，這種排列方式就稱為星型佈局。 星型佈局曾經在航空飛機上受到大量採用，非常流行。
相較於其它的汽缸佈局型式，星型佈局的汽缸數量變化彈性比較少， 環繞一圈的汽缸數量通常就有 5、7、9 這三個數字； 當然這是針對單圈而言， 許多星型發動機的汽缸是排兩圈的(稱為複列星型)，那麼就是上面那三個數字乘以二。 汽缸數量若太少則沒有意義做成更加複雜的星型，直接做直列式會更合適； 而若汽缸數量太多，因為汽缸本身也有一定寬度，這樣圍起來的圈就太大，會形成過大的迎風面(造成阻力)， 並且活塞連桿的長度將超過汽缸所實際需要的太多，綜合效益反而不佳； 至於為什麼只有奇數的汽缸數？這和星型佈局的點火順序有關，往後談到引擎振動和穩定性的時候再深入討論。
星型佈局的優點是功率大，原因就是汽缸數量多，平均 14 到 18 的汽缸數量(複列)提供了強勁的動力輸出， 並且幾何尺寸總體合理；想想如果這個汽缸數量換成是 V 型佈局的話，那這發動機的長度得有多長啊？！ 因此在航空器的應用領域上，星型發動機是在所有佈局裡面， 最能夠在合理的幾何空間內提供最大功率的發動機形式； 而對應現實，那些功率最強大的發動機往往也是採用星型佈局。
星型佈局的另一個優點就是比較堅固皮實、耐操扛造。 原因是因為環形的汽缸排列方式比其它佈局更加適合採用空氣對流冷卻， 並且對應現實，絕大多數的星型佈局也是採用空氣冷卻方式。 因為少掉了冷卻液及冷卻相關管路機構，星型發動機更加能夠承受損傷， 這點在軍事用途上更加具有吸引力。 曾經也有過在戰鬥中被打爆了一個汽缸後仍然平安返回基地的案例存在。 此外少掉了冷卻系統的負擔，星型發動機也更加經得住在相較惡劣的前線機場的維護保養條件。 綜合這些因素，星型佈局大量存在於各式大小飛機上，特別是那些需要大功率的飛機、或講求更加可靠的飛機， 因此在二戰期間的廣袤太平洋戰場上，美日雙方便都不約而同的愛用星型發動機。
而星型佈局的最大缺點就在於幾何尺寸有些劣勢，不過這得區分汽車和飛機兩個領域分別討論。 在汽車用途上，雖然星型發動機長度很短，但是它卻又寬又高。 如果說水平對臥的佈局就足以讓汽車嫌棄它因為寬度而幾乎佔完引擎室的橫向空間的話， 那麼星型佈局不只長的寬，而且還高，簡單來說就是非常佔空間到難以讓人忍受的地步(例如 Figure 13)。 所以星型發動機在汽車領域幾乎沒有任何應用，絕大部份在車輛上的應用都是來自於個別玩家的自行改造試驗。 在航空飛機上，雖然以飛機的體型來說，相較於地上的車輛更能容受星型佈局的使用， 然而也確實導致採用星型發動機的飛機縱向截面積大於採用其他形式的引擎，不利於低阻力機身設計。 比對二戰時期各式飛機的照片不難發現， 採用 V 型發動機的戰機機身多半纖細修長，而採用了星型發動機的機身多半較粗較寬且機頭又大又平。
總結而言，星型佈局的優勢在於需求大功率的情況，並且更加皮實耐操； 而缺點是它的形狀對飛機機身的阻力設計較為不利，在汽車用途上則完全不適合。
Figure 10. 機頭扁平且粗，在螺旋槳軸旁環繞了一圈的散熱進風口，說明它採用的是星型發動機 [8]
Figure 11. 與上圖同型的飛機處於打開外殼的維修狀態，機頭處呈雙環排列的銀色汽缸清晰可見 [9]
Figure 12. 體型較大的大型轟炸機對發動機的尺寸比較不敏感，但是對馬力的需求更大，因此往往是星型發動機的愛用客戶 [10]
Figure 13. 使用了星型發動機的改裝汽車 [11]
較為罕見奇特的汽缸佈局
倒 V 型
Figure 14. 採用了倒 V 佈局發動機的戰鬥機 [12]
Figure 15. 作為罕見的倒 V 形式發動機，注意在兩排汽缸岔開的中間空間，安排了一具機炮，機炮的炮管位置剛好從中空的螺旋槳軸穿出 [12]
倒 V 佈局其實就是 V 佈局， 只不過一般 V 佈局的汽缸在曲軸上面，而倒 V 佈局的汽缸反過來放到了曲軸下面。 大方向來說，V 和倒 V 因為本質結構是一樣的，所以幾乎所有的特性也都是一樣的， 一些差異也主要體現在細節上。
因為倒 V 的曲軸在上、汽缸在下，所以上面較窄、下面較寬， 所以放在戰鬥機上面能夠給駕駛員多一些些下方視野 (可以參考 Figure 17 和 Figure 18 比較駕駛員前方的機體寬度)； 因為汽缸在下側，排氣管排出的夾帶火光的廢氣比較遠離駕駛艙視野， 在黃昏或夜間的飛行比較不會影響飛行員視覺； 此外德國人喜歡在自己戰鬥機的螺旋槳軸上安裝機炮，而倒 V 引擎的下方正好是汽缸左右岔開的空間， 可以從容的安裝機炮組件。
至此很容易就發現以上優點幾乎全都是在飛行器、且是戰鬥飛行器上面才存在的， 因此除了戰鬥機之外基本看不到這種汽缸佈局的應用。 不過即便是戰鬥機，也就只有在二戰時期極少數的德國戰鬥機型號採用， 這當然也是因為倒 V 佈局存在許多不利因素： 例如機油容易累積在下面活塞位置，而不是在曲軸箱裡； 引擎輸出軸在靠下端(雖然曲軸在上端，但是經過一系列減速齒輪之後，輸出的動力軸實際上在汽缸那一端)， 這讓螺旋槳軸位置靠下(可以比較 Figure 17 和 Figure 5，前者採用倒 V 型佈局，後者採用一般 V 型佈局)， 那麼為了不讓螺旋槳觸地，起落架就得造得更長。
Figure 16. 一架正在維修狀態而打開了引擎蓋板的 Bf109，注意外部螺旋槳軸上的大口徑機炮口 [13]
Figure 17. 採用倒 V 發動機的戰鬥機，注意駕駛艙前方的機頭比起下面的對照組更加圓弧點，紅圈所示的廢氣排氣管也更加遠離駕駛艙視野 [13]
Figure 18. 這是一架作為對照的噴火式戰鬥機，採用常規的 V 型佈局發動機，注意到駕駛艙前方的機體較為平坦且寬，排氣口的閃燄在夜間和黃昏時更容易影響駕駛員的視覺 [14]
W 型
Figure 19. 有三排汽缸的 W 型發動機 [15]
Figure 20. 布加迪威龍使用的 W 型 16 缸發動機，排列了 4 排汽缸。乍看形似普通 V 佈局，實際上是因為四排汽缸中是兩兩較為靠近的緣故。 [16]
為了在合理的幾何尺寸內容納更多的汽缸， 一排汽缸的直列佈局太長，於是就發明了排兩排的 V 型佈局； 但若當汽缸排兩排還是太長的時候，又發明了排三排、甚至四排的佈局形式， 而這就稱為 W 型佈局。 與 V 佈局類似，W 佈局就是把汽缸排了三或四排，形似英文字母 W，應而得名 W 佈局。
W 佈局比 V 佈局更能夠縮短引擎長度，雖然寬度也會因此增加， 但總體的俯視形狀更加接近矩型，因此對於車輛的空間安排其實更加友好。 總結而言 W 佈局的優勢在於大功率發動機，在能夠塞進更多汽缸的同時還能維持更加合理的幾何外型； 而缺點則是增加了引擎的複雜度，無論在設計、製造、還是維護上。 因此 W 佈局的應用其實並不多， 比起 W 佈局帶來的優點和附加的缺點，航空飛機更能忍受 V 佈局、或採用星型佈局； 在汽車上，W 佈局只有在汽缸數量大於 12 缸後才能夠體現出效益，然而一般汽車根本也用不到這麼多汽缸； 因此 W 佈局只存在於極少數對功率和空間利用都有所要求的地方，例如高級跑車、或者坦克車。
Rotary
Figure 21. 使用了旋轉發動機的老式一戰時期戰鬥機，注意汽缸是和螺旋槳固定在一起旋轉的！ [17]
最後來看看一個最奇葩的引擎類型，叫作 Rotary Engine。 (我實在查不到什麼可靠的中文翻譯，姑且就叫它「旋轉發動機」吧，注意不是「轉子發動機」喔！)
旋轉發動機出現在大約第一次世界大戰時期。 其實它看起來就和一般的星型發動機是一樣的， 只不過一般星型發動機是讓引擎軸轉起來，而旋轉發動機則是讓整個引擎轉起來； 如果說一般星型發動機是讓飛機本體抓住固定這顆引擎，讓軸轉起來帶動螺旋槳的話， 那麼旋轉發動機就是抓住固定動力軸，讓整個引擎轉起來， 然後固定在發動機本體上的螺旋槳也就一起轉起來了！
當初這樣設計的用意是讓汽缸主動動起來，更有利於汽缸周圍的空氣對流以利散熱降溫。 當然我們用現代的知識基礎來看會覺得這種設計的用處不大，而且缺點可不少！ 讓整個引擎一起轉起來，除了考驗引擎的結構強度之外，也造成引擎轉速受到限制； 此外一個這麼大的質量在高速旋轉所造成的「陀螺效應」， 令飛機的操作行為和飛機具體行為之間存在一些令人迷惑的奇妙反應， 導致操縱更加困難且違反直覺，也曾經因此害死不少新手飛行員。 而它當初對於增加散熱的設計期望，在飛機飛在天上不斷有氣流吹過的時候，其實效益差異並不大。 因此這種只有滿滿缺點卻沒什麼有用優點的奇特的發動機類型很快就被淘汰掉了！ 旋轉發動機的出現，其實也是因為當時的整個航空都還處在萌芽探索的階段， 因而誕生的其中一種摸索嘗試而已。
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