融入最新技术的宝马直列式六缸汽油机解析

流星雨

融入最新技术的宝马直列式六缸汽油机解析
      轿车节能环保问题越来越受到各方的关注。国外在注重燃料电池汽车和混合动力汽车研究开发的同时，并没有放松对传统内燃机的研究开发。近年来汽油机节能环保的主要途径是提高负荷率、减少换气功、稀薄燃烧和轻量化。宝马公司2001年推向市场的Valvetronic开创了汽油机无节气运行的先河，并成功地引入到了宝马4缸、8缸和12缸发动机中。现在，宝马又将这项技术经过改进后引入到了具有宝马特色的直列式6缸汽油机上。开发出了一台在升功率、重量和油耗方面堪称为里程碑的发动机。新设计的基础是一系列新技术，诸如镁铝合金组合曲轴箱、电动冷却液泵以及宝马Valvetronic的新发展，这款3L排量的发动机在重量只有161kg的情况下，以63kW/L的升功率和节油12％的成绩提供了优异的指标，其功率密度已逼近1200W/kg。
    该发动机作为3.0LValvetronic发动机已经于2004年9月搭载在宝马630Ci轿车上引入市场。此后，该款新型直列式6缸汽油机将被用于几乎所有的宝马轿车上。
    本文仅仅介绍这款新型汽油机的轻量化概念和构造。
    一、开发目标和概念定义
    一款新发动机必须在所有方面都超过它的原型机。所以对其最重要的产品要求规定如下：功率明显地提高；低速范围的扭矩提高；可用的转速范围明显地提高。不论当地的燃油品质和法规如何，在世界各地的市场上都明显地降低油耗，明显的重量减轻。
    总而言之，要求更可靠、更节省、更轻巧。这就是对新型直列式六缸汽油机的总体要求。本款发动机要求在降低重量和油耗的同时提高功率，也就是实现效能的全面提升。这就否定了增加排量的道路，因而排除了使发动机尺寸增大的可能性。
    由于不断地采用了先进的仿真手段所以在36个月之内完成了批产的开发工作。开发、生产、售后服务和检验等所有专业部门的紧密合作、在开发早期就已经介入的供应商以及严格的项目管理都是达到目标的重要因素。
    （一）结构设计
    直列式6缸汽油机是宝马公司动力装置中关键的发动机。为了不让整车尺寸和重量的增加给动力装置造成过多的负担，保留了其原型机91mm的缸心距。由于采用一根皮带驱动甚至还使得整车得到了优化。排量为2996cm3的基本发动机构成了该新型直列式6缸汽油机的基础。
    1．曲轴箱
    本款发动机的曲轴箱是全世界第一个开发成功的镁铝合金组合曲轴箱（见图1）。这种全新的技术为大幅度地减轻重量奠定了基础。相对于可比的铝合金曲轴箱它的重量减轻了24％。

资料图
镁比铝的密度降低了大约30％，但是它的弹性模量也下降了大约同样大小的百分数所以简单的材料替换必定会带来强度和刚度方面的问题。此外，镁合金既不适合于用作气缸工作表面的材料又不适合于用作冷却液通道的材料。另一方面，在形状设计方面也有限制，因为镁合金的蠕变强度较低，特别是当温度超过120℃时。但是在曲轴箱上，这个温度可能是无法避免的。
    但是，这些自相冲突的要求通过一种组合式结构得到了巧妙的解决。为了达到较高的总体刚度，底板结构可以提供最大的潜力，借此可以补偿较低的弹性模量尚且有余。
    气缸工作表面、冷却液通道、曲轴主轴承连同其螺纹连接处以及气缸盖螺纹连接处做成一个单独的零件——所谓的镶嵌件（见图2）这个镶嵌件由过共晶铝合金制成在压铸过程中用镁合金浇铸在它的周围。在此过程中以组合的方式形成了曲轴箱毛坯。为了实现这一目标不得不将曲轴箱做成开式顶板结构这是又一个结构特点。

汽油机资料图
该组合曲轴箱的刚度和强度主要是由这个镶嵌件提供的，而包围在其外面的镁合金的主要任务是构成空间，通过这样的方式实现了最大的重量减轻。镶嵌件和包围在它外面的镁合金之间的锚固是通过在大范围内的形状连接实现的（见图3）。开发过程中对此给予了特别的关注。借此确保了在所有的工况条件下都能够传递各种各样的力。此外了铝合金镶嵌件和镁合金的外围铸件之，间有一层局部的金属间边界层它确保了密封功能。

资料图
发动机支座垫块、所有挂在发动机上的部件和辅助装置的螺纹连接都落在镁合金的外围铸件上。辅助装置的大部分支架都直接与曲轴箱做成一体，这种功能的集成显得特别有好处。这导致了非常良好的刚度，因几而在声学性能上特别有好处，同时还使得总重量下降了。
    底板同样做成组合件，而且也是压铸件（见图4）。为了承受主轴承的力采用了钢粉末冶金的镶嵌件结构的其余部分还是用镁合金制成的。底板与曲轴箱上体之间通过螺栓连接。

资料图
由于标准的镁台金在所要求的150℃以下的温度范围内不能提供足够的蠕变强度，所以必须开发一种新的合金，它应该在机械性能特别在蠕变强度、抗振强度和铸造性能的各项要求之间达到折衷。在合金和工艺方法的开发过程中选择了加拿大制造商诺伦达公司的AJ62合金这种合金能够满足这些要求。该合金基于镁、铝和锶的三元系统它是在AJ52系统的基础上通过改善其铸造性能开发而成的。
    为了确保在镁合金中牢固的螺纹连接必须采用铝合金螺栓。借此可以将由于热学条件引起的收缩损失减小到最低程度，并避免接触腐蚀。同时，与钢螺栓相比还可减轻重量。
    2．曲柄连杆机构
    利用刚性良好的底板结构，即使在3.OL的发动机中也可以采用由GGG70制成的球墨铸铁曲轴，而不必以增加噪声作为交换条件（见图5）。此外还对曲轴的尺寸进行了优化，这导致了56mm的主轴承直径和50mm的连杆轴承直径。一靠近变速器的最后一档主轴承做成65mm，这提高了曲轴后端的刚度，并防止飞轮抖动。结构设计的优化给予了曲轴以较高的抗扭刚度，还能明显地减小单个曲拐的不平衡度。由此，与制造工艺方法相结合产生了一种非常轻巧的、刚性良好的曲轴，这样的曲轴因为减小了主轴承直径而与其原型发动机相比减小了摩擦力矩。连杆做成了梯形连杆，以减小作往复运动的质量。连杆大头采用了涨断工艺通过相应的几何形状设计而可以来用M8的螺栓连接，尽管断油转速设置得相当高。

资料图
活塞是铸造的，经过重量优化，其活塞销直径为20mm。由于气缸工作表面是AISi17合金，所以活塞表面涂敷了一层铁。

昙花一现

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