融入最新技術(shù)的寶馬直列式六缸汽油機(jī)解析

 轎車節(jié)能環(huán)保問題越來越受到各方的關(guān)注。國外在注重燃料電池汽車和混合動(dòng)力汽車研究開發(fā)的同時(shí)，并沒有放松對(duì)傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)的研究開發(fā)。近年來汽油機(jī)節(jié)能環(huán)保的主要途徑是提高負(fù)荷率、減少換氣功、稀薄燃燒和輕量化。寶馬公司2001年推向市場的Valvetronic開創(chuàng)了汽油機(jī)無節(jié)氣運(yùn)行的先河，并成功地引入到了寶馬4缸、8缸和12缸發(fā)動(dòng)機(jī)中。現(xiàn)在，寶馬又將這項(xiàng)技術(shù)經(jīng)過改進(jìn)后引入到了具有寶馬特色的直列式6缸汽油機(jī)上。開發(fā)出了一臺(tái)在升功率、重量和油耗方面堪稱為里程碑的發(fā)動(dòng)機(jī)。新設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)是一系列新技術(shù)，諸如鎂鋁合金組合曲軸箱、電動(dòng)冷卻液泵以及寶馬Valvetronic的新發(fā)展，這款3L排量的發(fā)動(dòng)機(jī)在重量只有161kg的情況下，以63kW/L的升功率和節(jié)油12％的成績提供了優(yōu)異的指標(biāo)，其功率密度已逼近1200W/kg。

    該發(fā)動(dòng)機(jī)作為3.0LValvetronic發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)于2004年9月搭載在寶馬630Ci轎車上引入市場。此后，該款新型直列式6缸汽油機(jī)將被用于幾乎所有的寶馬轎車上。

    本文僅僅介紹這款新型汽油機(jī)的輕量化概念和構(gòu)造。

    一、開發(fā)目標(biāo)和概念定義

    一款新發(fā)動(dòng)機(jī)必須在所有方面都超過它的原型機(jī)。所以對(duì)其最重要的產(chǎn)品要求規(guī)定如下：功率明顯地提高；低速范圍的扭矩提高；可用的轉(zhuǎn)速范圍明顯地提高。不論當(dāng)?shù)氐娜加推焚|(zhì)和法規(guī)如何，在世界各地的市場上都明顯地降低油耗，明顯的重量減輕。

    總而言之，要求更可靠、更節(jié)省、更輕巧。這就是對(duì)新型直列式六缸汽油機(jī)的總體要求。本款發(fā)動(dòng)機(jī)要求在降低重量和油耗的同時(shí)提高功率，也就是實(shí)現(xiàn)效能的全面提升。這就否定了增加排量的道路，因而排除了使發(fā)動(dòng)機(jī)尺寸增大的可能性。

    由于不斷地采用了先進(jìn)的仿真手段所以在36個(gè)月之內(nèi)完成了批產(chǎn)的開發(fā)工作。開發(fā)、生產(chǎn)、售后服務(wù)和檢驗(yàn)等所有專業(yè)部門的緊密合作、在開發(fā)早期就已經(jīng)介入的供應(yīng)商以及嚴(yán)格的項(xiàng)目管理都是達(dá)到目標(biāo)的重要因素。

    （一）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

    直列式6缸汽油機(jī)是寶馬公司動(dòng)力裝置中關(guān)鍵的發(fā)動(dòng)機(jī)。為了不讓整車尺寸和重量的增加給動(dòng)力裝置造成過多的負(fù)擔(dān)，保留了其原型機(jī)91mm的缸心距。由于采用一根皮帶驅(qū)動(dòng)甚至還使得整車得到了優(yōu)化。排量為2996cm3的基本發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)成了該新型直列式6缸汽油機(jī)的基礎(chǔ)。

    1．曲軸箱

    本款發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸箱是全世界第一個(gè)開發(fā)成功的鎂鋁合金組合曲軸箱（見圖1）。這種全新的技術(shù)為大幅度地減輕重量奠定了基礎(chǔ)。相對(duì)于可比的鋁合金曲軸箱它的重量減輕了24％。

資料圖

鎂比鋁的密度降低了大約30％，但是它的彈性模量也下降了大約同樣大小的百分?jǐn)?shù)所以簡單的材料替換必定會(huì)帶來強(qiáng)度和剛度方面的問題。此外，鎂合金既不適合于用作氣缸工作表面的材料又不適合于用作冷卻液通道的材料。另一方面，在形狀設(shè)計(jì)方面也有限制，因?yàn)殒V合金的蠕變強(qiáng)度較低，特別是當(dāng)溫度超過120℃時(shí)。但是在曲軸箱上，這個(gè)溫度可能是無法避免的。

    但是，這些自相沖突的要求通過一種組合式結(jié)構(gòu)得到了巧妙的解決。為了達(dá)到較高的總體剛度，底板結(jié)構(gòu)可以提供最大的潛力，借此可以補(bǔ)償較低的彈性模量尚且有余。

    氣缸工作表面、冷卻液通道、曲軸主軸承連同其螺紋連接處以及氣缸蓋螺紋連接處做成一個(gè)單獨(dú)的零件——所謂的鑲嵌件（見圖2）這個(gè)鑲嵌件由過共晶鋁合金制成在壓鑄過程中用鎂合金澆鑄在它的周圍。在此過程中以組合的方式形成了曲軸箱毛坯。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)不得不將曲軸箱做成開式頂板結(jié)構(gòu)這是又一個(gè)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。