马自达开发纵置直列6缸发动机的理由（优缺点分析）

不久前，马自达公布了纵置引擎的路线图。虽然只有一张照片和PPT资料，但是马自达证明了它真的要做L6。大家很疑惑，为什么到现在还要发展纵置发动机后驱呢？

2020/11/9，在季度决算说明会上公开的马自达LARGE商品群（纵置发动机）的发动机。左边是汽油直列6缸，右边是柴油直列6缸，中间是L4+PHEV的动力总成。

1 不同布局的影响

发动机横置前驱布局（FF），将使发动机和变速器组合的动力总成布置在发动机舱内侧，动力总成布置会靠近驾驶舱和发动机舱相隔用的防火墙侧。其优点是可以缩小发动机舱。能确保驾驶室的空间（相同整车长度下驾驶室空间更大）。

左图：发动机横置布局（FF），右图：发动机纵置布局（FR）

还有一点，发动机的曲轴会与作与驱动轴的前轮平行。齿轮的正前方和轴存在偏差，用这个尺寸偏差进行变速箱的布置就可以了。

发动机纵置也可以布置FF，比如斯巴鲁和奥迪就是例子。但是，此时发动机的传动轴与前轴交叉90°。如果不改变动力传递的方向，汽车就无法行驶。一般设计时使用高强度齿轮进行布局。为了不发出齿轮啮合音（牙音），该高性能齿轮要将轴心错开进行组合，因此在这里会损失3%左右的驱动力。

发动机纵置后驱（FR）也使用了高性能齿轮。保时捷那样的后置后驱（RR）和中置后驱（MR）一样也需要有高性能齿轮。因此相比FF方式，驱动力的损失是一大缺点。

2 对转向机构的影响

后拉

在前轴后方（驾驶座侧）放置转向机构的"后拉"模式基本上都是横置前驱（FF）使用的方式。车轮内侧的左右梯形臂和转向横拉杆连接，梯形臂与横拉杆在与道路平行平面内呈现L字形（交角大于90°）。从正侧面看（车轮侧）全部收束在车轮内径内。

前拉

另一种布置是在前轴前面转向机构的"前拉"模式，基本适用于后驱车辆，当然也有部分前驱车辆使用。下图为奥迪的案例，纵置发动机紧接着布置传动系统，驱动轴等。

转向梯形布置在前桥之前，交角应小于90°。

那么转向系统该如何设计呢？这个领域的专家们解释："纵置FR布局比横置FF布局设计要容易得多"。并不是说哪种布局更优秀，而是与横置布局将发动机、排气管等密密麻麻附件周边布局转向机构的方案相比，纵置布局下转向机构有足够的空间，这一点非常方便，前轮切角可以更大，很多后驱车型虽然长，但是转弯半径更小。

向前拉伸是拉伸张力，向后拉伸是压缩张力

考虑向左转向时的旋转外侧轮。轮胎改变方向的话，路面和轮胎之间会产生横向力。这个横向力比轮胎的接地中心稍靠后。同时，轮胎还有直行修正力矩的影响，这在"前拉"布局中成为了将方向盘的拉杆旋转向外侧拉的"拉伸张力"（上）。另一方面，在"后拉"布局中反而变成了"压缩张力"。不同布局对结构应力的影响不同。

3 对碰撞的影响

对正面碰撞有什么影响呢？以往L6换V6的理由有大部分是因为碰撞的对策。正面碰撞的时候车速较高，且偏置碰撞的要求也日益被重视，因此发动机前面要有一个溃缩区，如果碰撞速度过快，可以通过溃缩区消耗碰撞能量，发动机全长短一点比较好。现在主流的都是直列4缸，如果要6缸的话，基本是V6布局。V6的长度和L4接近。由于曲柄轴可以缩短，所以V6相比于L6来说，对一阶振动的抑制稍有不足（高级感不足）。

近年来，由于大范围的偏置碰撞的普及，将来还会增加斜碰的测试，汽车的白车身设计与以往有很大不同，结构强度不断提升。即使布置了L6，生存区域的确保也不是那么困难（奔驰V6换L6）。

如下图的偏置60%碰撞，这种碰撞方式不仅影响了汽车的车身安全设计，也影响了发动机的布局。因为只有驾驶座侧承受所有的碰撞能量，所以车身会剧烈溃缩。由于这个法规，L6的纵置布局大幅度降低。这张照片是沃尔沃的测试图片，沃尔沃选择了将L5/L6发动机横置安装从而保证了溃缩空间。

偏置60%碰撞

如下图是正面偏置25%的碰撞，这种碰撞会削减10%~20%的车体，驾驶座侧的悬架和轮胎往往被撞飞。不过这种碰撞对于发动机越窄越有利，可以让发动机避开碰撞。

偏置25%碰撞

顺带一提，宝马坚持自家的L6发动机，因此对碰撞安全上绞尽脑汁（知恵を絞った），比如在发动机舱尽可能设计的长，留有空间，能不布置在发动机舱的就不布置，当然这样设计样子很帅气。这样保证了前排乘客在遇到正碰时有足够的溃缩区，而且设计了一套结构，距离乘客越近则白车身横截面积越大，从而保证64km/h的偏置碰撞中也能够保证吸能。

法规规定的碰撞项目会不断增加，各种各样的试验方法都出台了。这里并不是说L6不可能满足各种碰撞要求，而是说相对于V6，L6要确保安全性更困难。

常见的V6布局夏，V型夹角90°下在夹角内布置涡轮增压器并在左右侧布置排气后处理结构，而现在基本都在V型夹角内部。这种布局能够很好的控制发动机整体高度，并且能够将发动机左右排气系统延申到驾驶室/副驾驶室下部，绝不是简单的布局设计。

宝马V8

现在的法规排放很严苛，L6被重视也有根据。V型发动机的情况下，排气后处理装置需要两套，每侧的3缸要一套排气后处理（一套后处理要几千到上万）。现在欧洲的V8发动机在V型夹角内侧进行排气布局，外侧进行进气布局。就是为了让涡轮和排气后处理装置集中在V型夹角内侧。

有钱任性的话「お金を取れるV8」，造V8当然没有问题。但是基于成本和体积布置妥协的横置V6布局渐渐减少的原因是什么呢？首先为了节省排气后处理装置的成本。同时，如果是直列布局的话，一个发动机缸体/缸盖就可以了。V型的话上半部分需要两个。凸轮轴是DOHC的话，V6需要4根。当进气排气系统是可变气门正时的话，需要4个可变气门系统。如果这些是L6布局的话，只要一半就够了。

对于排气后处理装置，随着排放严苛会使用颗粒捕集器（GPF）+三元触媒（SCR），如果是直列布局，这些只需要一组就可以了。考虑到后处理成本的急剧上涨，直列布局的优势就出来了。但是，考虑到车辆的运动性能，发动机最好靠近驾驶舱的一侧。在这一点上，L6布局由于发动机空间受限，重心无法后移，因此，纵置布局下，相比V6 和L4，L6布局是不利的。

下图是以前日产的赛车设计。在同一个主体骨架上搭载了L6的RB型发动机和V6的VQ发动机，发动机和前轴的位置关系非常明显，如果从操控性考虑的话，发动机最好靠后，利于重心分布。

日产跑车用VQ系列V6和RB系列L6

综上所述，试着比较发动机纵置和横置，可以推测马自达选择直6后驱的理由是考虑排气后处理装置和转向系统的布局。进一步说，如果发动机纵向放置的话，前轮的切角可以设定得大一些。最近前轮切转角不怎么成为话题，这也是车辆设计的重要因素。

此外在外观上，从驾驶座/副驾驶座门侧到前轮中心的距离，设计师们称之为高级长度（premium length）。FF的情况下，发动机纵置也好横置也好，前轮和车门很接近。相比于后驱车，这个部分是逊色的。现在，前大灯延展至侧面已经是常规设计了，因此，就显得车头很短，突出部分看起来很短。虽然从一些细节设计可以改善，但是前驱车辆无法从根本上解决。