融入最新技術的寶馬直列式六缸汽油機解析

www.sail-shipping.com 來源：互聯網作者：俠名類別：汽車保養維修時間：2007-3-29

轎車節能環保問題越來越受到各方的關注。國外在注重燃料電池汽車和混合動力汽車研究開發的同時，并沒有放松對傳統內燃機的研究開發。近年來汽油機節能環保的主要途徑是提高負荷率、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開創了汽油機無節氣運行的先河，并成功地引入到了寶馬4缸、8缸和12缸發動機中。現在，寶馬又將這項技術經過改進后引入到了具有寶馬特色的直列式6缸汽油機上。開發出了一臺在升功率、重量和油耗方面堪稱為里程碑的發動機。新設計的基礎是一系列新技術，諸如鎂鋁合金組合曲軸箱、電動冷卻液泵以及寶馬Valvetronic的新發展，這款3L排量的發動機在重量只有161kg的情況下，以63kW/L的升功率和節油12％的成績提供了優異的指標，其功率密度已逼近1200W/kg。

該發動機作為3.0LValvetronic發動機已經于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的輕量化概念和構造。

一、開發目標和概念定義

一款新發動機必須在所有方面都超過它的原型機。所以對其最重要的產品要求規定如下：功率明顯地提高；低速范圍的扭矩提高；可用的轉速范圍明顯地提高。不論當地的燃油品質和法規如何，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、更節省、更輕巧。這就是對新型直列式六缸汽油機的總體要求。本款發動機要求在降低重量和油耗的同時提高功率，也就是實現效能的全面提升。這就否定了增加排量的道路，因而排除了使發動機尺寸增大的可能性。

由于不斷地采用了先進的仿真手段所以在36個月之內完成了批產的開發工作。開發、生產、售后服務和檢驗等所有專業部門的緊密合作、在開發早期就已經介入的供應商以及嚴格的項目管理都是達到目標的重要因素。

（一）結構設計

直列式6缸汽油機是寶馬公司動力裝置中關鍵的發動機。為了不讓整車尺寸和重量的增加給動力裝置造成過多的負擔，保留了其原型機91mm的缸心距。由于采用一根皮帶驅動甚至還使得整車得到了優化。排量為2996cm3的基本發動機構成了該新型直列式6缸汽油機的基礎。

1．曲軸箱

本款發動機的曲軸箱是全世界第一個開發成功的鎂鋁合金組合曲軸箱（見圖1）。這種全新的技術為大幅度地減輕重量奠定了基礎。相對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數所以簡單的材料替換必定會帶來強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，在形狀設計方面也有限制，因為鎂合金的蠕變強度較低，特別是當溫度超過120℃時。但是在曲軸箱上，這個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構得到了巧妙的解決。為了達到較高的總體剛度，底板結構可以提供最大的潛力，借此可以補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單獨的零件——所謂的鑲嵌件（見圖2）這個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。為了實現這一目標不得不將曲軸箱做成開式頂板結構這是又一個結構特點。

汽油機資料圖

該組合曲軸箱的剛度和強度主要是由這個鑲嵌件提供的，而包圍在其外面的鎂合金的主要任務是構成空間，通過這樣的方式實現了最大的重量減輕。鑲嵌件和包圍在它外面的鎂合金之間的錨固是通過在大范圍內的形狀連接實現的（見圖3）。開發過程中對此給予了特別的關注。借此確保了在所有的工況條件下都能夠傳遞各種各樣的力。此外了鋁合金鑲嵌件和鎂合金的外圍鑄件之，間有一層局部的金屬間邊界層它確保了密封功能。

資料圖

發動機支座墊塊、所有掛在發動機上的部件和輔助裝置的螺紋連接都落在鎂合金的外圍鑄件上。輔助裝置的大部分支架都直接與曲軸箱做成一體，這種功能的集成顯得特別有好處。這導致了非常良好的剛度，因幾而在聲學性能上特別有好處，同時還使得總重量下降了。

底板同樣做成組合件，而且也是壓鑄件（見圖4）。為了承受主軸承的力采用了鋼粉末冶金的鑲嵌件結構的其余部分還是用鎂合金制成的。底板與曲軸箱上體之間通過螺栓連接。

資料圖

由于標準的鎂臺金在所要求的150℃以下的溫度范圍內不能提供足夠的蠕變強度，所以必須開發一種新的合金，它應該在機械性能特別在蠕變強度、抗振強度和鑄造性能的各項要求之間達到折衷。在合金和工藝方法的開發過程中選擇了加拿大制造商諾倫達公司的AJ62合金這種合金能夠滿足這些要求。該合金基于鎂、鋁和鍶的三元系統它是在AJ52系統的基礎上通過改善其鑄造性能開發而成的。

為了確保在鎂合金中牢固的螺紋連接必須采用鋁合金螺栓。借此可以將由于熱學條件引起的收縮損失減小到最低程度，并避免接觸腐蝕。同時，與鋼螺栓相比還可減輕重量。

2．曲柄連桿機構

利用剛性良好的底板結構，即使在3.OL的發動機中也可以采用由GGG70制成的球墨鑄鐵曲軸，而不必以增加噪聲作為交換條件（見圖5）。此外還對曲軸的尺寸進行了優化，這導致了56mm的主軸承直徑和50mm的連桿軸承直徑。一靠近變速器的最后一檔主軸承做成65mm，這提高了曲軸后端的剛度，并防止飛輪抖動。結構設計的優化給予了曲軸以較高的抗扭剛度，還能明顯地減小單個曲拐的不平衡度。由此，與制造工藝方法相結合產生了一種非常輕巧的、剛性良好的曲軸，這樣的曲軸因為減小了主軸承直徑而與其原型發動機相比減小了摩擦力矩。連桿做成了梯形連桿，以減小作往復運動的質量。連桿大頭采用了漲斷工藝通過相應的幾何形狀設計而可以來用M8的螺栓連接，盡管斷油轉速設置得相當高。

資料圖