技術(shù)剖析世界年度發(fā)動機——V10

　　寶馬M5和M6轎車上搭載了高性能V10發(fā)動機（圖1），它是首款連續(xù)2次入選“世界年度發(fā)動機”大獎評選的發(fā)動機，此項評選的評委由全球近60位權(quán)威行業(yè)記者組成。在如此驕人的成績背后，離不開馬勒公司的大力支持。作為汽車發(fā)動機技術(shù)領(lǐng)域的全球領(lǐng)導(dǎo)者，馬勒為V10發(fā)動機提供了眾多的零部件，包括活塞、連桿、活塞銷、凸輪軸、空氣濾清器以及排氣歧管等。下面讓我們通過技術(shù)剖析來領(lǐng)略V10發(fā)動機成功背后的秘密。

圖1 V10發(fā)動機

　　V10發(fā)動機的概況

　　V10發(fā)動機的設(shè)計靈感源于一級方程式比賽。工程師選擇了高轉(zhuǎn)速自然吸氣式發(fā)動機，通過增加扭矩來提高發(fā)動機性能。V10發(fā)動機的最高轉(zhuǎn)速達(dá)到了8 250 r/min，這雖然比不上寶馬威廉姆斯F1賽車發(fā)動機轉(zhuǎn)速（1.8萬r/min），但我們必須明白， F1賽車的發(fā)動機在一個賽車周期只需要行駛800 km，而V10發(fā)動機必須保證在任何氣候條件、交通狀況以及駕車風(fēng)格中延續(xù)使用車輛的整個生命周期。

　　經(jīng)過不懈的努力，最終搭載在寶馬M5轎車上的V10發(fā)動機的質(zhì)量僅為240 kg，與其前任的8缸發(fā)動機的質(zhì)量幾乎一致。V10發(fā)動機的2列氣缸的夾角為90º，這樣既實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)的緊湊，又可以降低工作振動并實現(xiàn)質(zhì)量平衡。

　　V10發(fā)動機的主要部分

　�。�1）氣缸體由鋁硅合金制成，氣缸內(nèi)壁采用堅硬的硅晶體材料，無需輔助襯套，活塞的運動都在無涂層的內(nèi)徑為92.0 mm的氣缸中進(jìn)行，氣缸沖程為75.2 mm。極高的燃燒壓力和溫度將增加曲軸箱的壓力，因此工程師選擇了一種源于賽車的緊湊而堅固的臺板結(jié)構(gòu)設(shè)計。鋁臺板帶有灰鑄鐵鑲嵌件，可以幫助降低氣缸的熱膨脹性，確保高精密的曲軸對準(zhǔn)，并在整個工作溫度范圍內(nèi)保持主軸承的間隙。為了保證與相鄰鋁框架耦合，灰鑄鐵鑲嵌件上都開有孔，這種結(jié)構(gòu)還有利于發(fā)動機的聲學(xué)性能的改善。

　�。�2）堅固且質(zhì)量均衡的曲軸由鍛造鋼制成，質(zhì)量僅為21.8 kg，它使用了6個支撐軸承。主軸承直徑為60.0 mm，軸承寬度為28.2 mm。

　�。�3）輕型活塞由耐高溫的鋁合金和鐵質(zhì)膠膜制成，質(zhì)量為481.7 g。在壓縮比為12:1的情況下，壓縮高度為27.4 mm�；钊�通過燃油噴射進(jìn)行冷卻。

　　（4）鋁氣缸蓋上集成有空氣管道，可以用于空氣噴射，這種設(shè)計對于快速預(yù)熱尾氣催化轉(zhuǎn)化器十分重要。

圖2  驅(qū)動氣門的球形挺桿

　�。�5）驅(qū)動氣門的球形挺桿（圖2）使用了液壓閥，這能夠?qū)�氣門的開啟起到補充作用。液壓閥自動調(diào)節(jié)，無論何時都能夠提供最佳氣門調(diào)節(jié)。通過系統(tǒng)地優(yōu)化氣門組件，V10發(fā)動機的運動質(zhì)量比模型降低了17.5%。

圖3 配氣機構(gòu)

　�。�6）發(fā)動機配氣機構(gòu)中（圖3），進(jìn)氣門頭部直徑為35.0 mm，排氣門頭部直徑為30.5 mm，氣門桿直徑僅為5.0 mm。在吸氣沖程中，這么小的直徑使得氣流的進(jìn)入幾乎沒有阻礙。

　�。�7）發(fā)動機的輸出功率越高，對熱量控制的要求就越高。V10發(fā)動機的冷卻系統(tǒng)采用了橫流設(shè)計，冷卻系統(tǒng)中的壓力損失能夠降到最低。每個氣缸都能分配到最佳數(shù)量的冷卻液，這可以確保氣缸蓋中溫度均勻分布，并降低關(guān)鍵區(qū)域的最高溫度。

圖4 雙VAOS控制系統(tǒng)

　　（8）寶馬的雙VAOS（可變凸輪軸）控制系統(tǒng)（圖4）也是V10發(fā)動機的一大特色，它可以確保最佳進(jìn)氣和排氣時間，可以使凸輪軸的角度根據(jù)節(jié)氣門的開度和發(fā)動機的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)。為了精確調(diào)節(jié)凸輪軸，需要非常高的油壓來驅(qū)動凸輪軸，因此在曲軸箱中安裝了一個徑向活塞泵，它將發(fā)動機潤滑油加壓到8 MPa。

圖5 排氣歧管

　�。�9）排氣歧管（圖5）的壁厚僅為0.8 mm。為了實現(xiàn)反壓力最低，并優(yōu)化氣體動態(tài)設(shè)計，工程師在排氣系統(tǒng)的消聲器上使用了雙流量設(shè)計。帶有金屬涂層的催化轉(zhuǎn)化器十分靠近發(fā)動機，催化轉(zhuǎn)化器內(nèi)部有2種底置式催化劑，能夠清潔發(fā)動機的尾氣，使排放符合歐Ⅳ標(biāo)準(zhǔn)。薄壁式排氣歧管具有低壓力損失和高機械強度等優(yōu)點，在冷起動后能夠快速達(dá)到最佳工作溫度。