凯迪拉克V16发动机 设计技术大揭秘

牛人

当聪明的普罗米修斯用一根茴香杆将火种引给人间的时候，他也许没有想过火将带给人们怎样的改变。从学会驾驭火的那一天起，人类就真正告别了原始的懵懂，用自己的智慧和勇气创造出一个个不朽的神奇。科技发展到今天，我们无需再借用什么茴香杆，而只需轻轻拧动点火开关，一扇魔幻世界的大门即被打开。蕴藏于数以亿万计的铁、铝以及合成物分子中的神奇力量被猛然唤醒，它们在火焰中尽情燃烧，向外传递着无穷的力量，同时又相互配合以克服摩擦影响，一切都是那么神奇而又实际。而这，正是凯迪拉克V16发动机带给我们的杰出表演。  
    三年前，通用公司正式启动了制造第一台V16发动机的伟大计划，表示将在2003年底特律国际车展中展示一台能够运转的凯迪拉克16缸概念发动机。它在保证16缸的顺序点火、提供超过1000马力的最大功率、1000磅/英尺的最大扭矩的同时，还要满足在使用普通燃料情况下，能够达到V12发动机的燃油经济性。
为了达到这一目标，凯迪拉克可以将两个V8发动机简单焊接为一体的方法制造出一台V16发动机，它也能够启动与停止，并且能够使概念车自由上下展台。然而，这仅能够满足于展示的需要，其品质距离设计理想还差很远，只有无焊缝的发动机才能满足当初的设计要求。因此，通用公司决定利用制造克尔维特V8发动机中的核心技术，制造一种性能卓越的、真正的V16发动机。

    经过仔细讨论，这件棘手的任务最终落到了拉里.库珀（Larry Cooper）以及来自高性能发动机研究小组的10位成员的肩上。他们从新一代克尔维特V8发动机的基本构造入手，包括它的可变气门技术以及随选排量技术（Displacement on Demand system），该技术可在低负荷时自动关闭部分汽缸以降低油耗。  
    库珀领导的设计小组在对每缸的缸压经过计算后发现，要想保证达到设计功率，每一缸的排量都要有大幅提高，因此V16的缸径与活塞行程与现在的5.7升V8发动机相比，都要增加6mm。但是按照原有的设计尺寸，汽缸壁剩余厚度已不足分配6mm，设计小组最终决定取消布置在汽缸间的水套以保证需要。这样一来，汽缸间将没有冷却液流动，为了弥补这一点，整个冷却系统就变得很复杂，由此可能会导致发动机升温或冷却时汽缸工作不正常，以及出现很多设计之初所没有想到的问题。

    为了解决问题，设计小组运用大量计算机模拟技术，建立了一个理想的数字环境模拟实际工作环境，将最初的发动机模型置于其中，进行不断改进和测试。在模拟试验中， V16会面临由于冷启动、过载或其他任何毁灭性操作所导致的瘫痪，甚至爆炸，但这一切却不会真正对实验中的V16造成任何伤害，因为它只是一个可被随意塑造的数字模型。因此，在实际环境中那些如魔术般不可想象的事情，在人工智能的帮助下就显得稀松平常。

    位于密西根州的通用公司发动机合成与分析部门负责开发了通用工程学框架结构，模拟的数字环境也恰恰是依靠这一框架建立的。该框架的优点不仅仅在于权衡各种设计方案的优劣，更大的作用是它能够保证计算机设计出的部件具有实际可行性，以减少在实际测试中花费的时间、精力以及金钱。

    库珀认为，首先应该建立每一个V16零部件的模型。比如曲轴的设计，它不是将两个V8发动机的曲轴焊接在一起，而是运用设计工具将图纸上的设计方案变为现实，这其中通用LMS国际发动机动态模拟器发挥了巨大作用，该软件可以帮助测算曲轴在不同工况下的负荷、相对位置、速率和加速情况。据此，工程师们可以优化汽缸的点火顺序以及平衡发动机曲轴、连杆、活塞等部件的往复运动。例如，计算机程序设计出了一套方案，但是受到了所有工程师的置疑，他们认为曲轴的平衡力太小，于是推出了另一套设计构思。对两套方案进行测试后发现，计算机设计的曲轴所承受的扭矩更小而且质量上还少20磅。

    缸体的设计是由计算机辅助设计部门进行的。他们参考V8发动机，用计算机制造了一个V16缸体模型，然后由一组流体动力学计算专家对汽缸进行测试，这些专家将虚拟空气由进气口注入，再由喷油嘴喷入虚拟燃料，随后进行了虚拟点火。经过试验，该小组对发动机模型的进气道进行了反复修改，希望能获得更好的流通性，以提高燃料的燃烧率。在做这项尝试中，他们还发现对点火时间的微小改变就能够有效提高发动机的功率。

    在研究缸体受力时，他们和其他研究小组一样利用了有限元分析法。他们将缸体虚拟模型的复杂外形分割成易处理的“有限元素”－简单的小面积几何形状，来进行作用于上的热力与机械力计算，并由此算出整个部件表面所受的压力。

    当V16在模拟实际运转条件的虚拟环境下起动后，它所受不同压力及扭力的区域，在计算机中会以不同颜色显示出来，这样研究小组会对存在问题的区域进行改进，之后再次重新运行程序，直到最终设计出又轻巧又坚固的部件。由此设计出的V16未加工铸件仅有175磅，只比LS6 V8发动机成品重68磅。

    在通用公司的计算机系统中，还有其他的一些设计工具在发动机的生产和改进过程中发挥着作用，比如有的软件可以通过模拟喷出的油滴，以帮助设计PCV管中的油气分离隔板，还有很多工具则有助于改进燃油喷射控制系统。

    到了2001年7月，设计工作终于迎来了曙光，他们从德国的CAD-CAM-CAST公司定购了第一批铸件。该公司运用一种被称为激光烧结的技术，利用激光将泥浆中的沙砾迅速硬化，从而形成制造设计模型所需模具的复杂形状。在这种工艺技术下，铸造一个缸体铸件仍要花费一个月的时间。

    10月30曰，一台13.6升32气门V16发动机真正组装成功，其全铝质的机身总重仅为695磅，只不过比通用公司的8.1升V8发动机重了64磅，为其量身定做的润滑系统也非常紧凑，可以轻松安装在缸体上。

    随后，库珀和他的同事花费了5个小时，安装与调试这台发动机。安装成功后，研究小组驾驶着这款价值连城的凯迪拉克轿车正常行驶了数公里。“它的动力性能非常出色，在三挡下提速时，轮胎甚至仍会因与地面摩擦而冒烟。” 库珀兴奋的说。

    两周的性能测试试验表明，这台V16发动机与数字模型的预期效果几乎完全吻合。库珀认为，如果凯迪拉克决定制造类似的V16发动机，几乎不用对这个设计的基础构造进行修改就可实现。

    运用计算机模拟技术，人们结束了一个依靠实际模型进行反复修改与测试的发动机设计模式。通用公司做到了，但他们并不是唯一一家拥有此项技术的汽车生产商，几乎所有的大规模汽车制造厂都有他们自己的计算机工具库，他们都在利用这一技术设计生产自己的新一代发动机产品，比如福特公司生产的用于GT40跑车上的500马力V8发动机

xuzhongjie

V16太棒了,简直难以置信

逍遥

豪华

jxhhf

应该说是计算机模拟技术太棒了

liping741

科技太厉害了,人类太伟大了

dexter

4楼正解，学好计算机才是王道。

bluedonkey

强大的计算机软件应用才是王道？

疯癫Q7

模拟仿真时挺重要的。

yulaomo

现在的计算机太强大了 以后的设计研发周期和成本应该能降低不少啊！

BAO

通用的研发人员真是太强了

吾本无良

finite element看来相当有用，要好好学