V型發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品及技術(shù)發(fā)展綜述

王德平 梁貴友 韓令海 宮艷峰 解方喜 李華

【歡迎引用】 王德平， 梁貴友， 韓令海， 等. V型發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品及技術(shù)發(fā)展綜述[J]. 汽車文摘，2024（3）： 1-8.

【Cite this paper】 WANG D P， LIANG G Y， HAN L H， et al. Overview on V-Type Engine Products and Technology Developments [J]. Automotive Digest （Chinese）， 2024（3）： 1-8.

【摘要】為進(jìn)一步促進(jìn)我國(guó)V型發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品性能提升及核心技術(shù)發(fā)展，通過對(duì)寶馬、奔馳、奧迪及一汽紅旗等V型發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品研發(fā)情況的文獻(xiàn)資料進(jìn)行歸納和總結(jié)，分析了其在燃燒組織、進(jìn)排氣管理、高效增壓、燃油噴射及冷卻與潤(rùn)滑等方面的技術(shù)發(fā)展變化；同時(shí)，結(jié)合雙碳任務(wù)需求提出了V型發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)業(yè)及核心技術(shù)未來發(fā)展與布局方向。

關(guān)鍵詞：V型發(fā)動(dòng)機(jī)；產(chǎn)品性能；技術(shù)進(jìn)展；發(fā)展展望

中圖分類號(hào)：U463.46；U467.3? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? DOI： 10.19822/j.cnki.1671-6329.20230212

Overview on V-Type Engine Products and Technology Developments

Wang Deping1， Liang Guiyou1， Han Linghai1， Gong Yanfeng1， Xie Fangxi2， Li Hua1

（1. China FAW Group Corporation Limited， Changchun， 130013; 2. State Key Laboratory of Automotive Simulation and Control， Jilin University， Changchun 130022）

【Abstract】 To further enhance the performance and technology development of V-type engines in China， technical evolution on combustion formation， intake and exhaust management， efficient turbocharging， fuel injection， cooling and lubrication are analyzed by summarizing the researches of V-type engines of BMW， Mercedes-Benz， Audi， and FAW Hongqi. Meanwhile， the future development directions and strategies for the V-type engine industry and its key technologies are proposed， by fully considering the needs of carbon peaking and carbon neutrality.

Key words： V-type engine， Product performance， Technology development， Perspectives

0 引言

V型發(fā)動(dòng)機(jī)是用于豪華品牌車輛的高端發(fā)動(dòng)機(jī)，也是車企技術(shù)先進(jìn)性的一項(xiàng)重要標(biāo)志[1]。V型發(fā)動(dòng)機(jī)將氣缸分成2組，將相鄰氣缸以一定夾角布置在一起，從側(cè)面看氣缸呈V字形布置的發(fā)動(dòng)機(jī)。這樣便于通過擴(kuò)大氣缸直徑來提高排量和功率并適用于較高的氣缸數(shù)[2]?，F(xiàn)代汽車重視空氣動(dòng)力學(xué)性能，要求汽車迎風(fēng)面積越小越好，也就要求發(fā)動(dòng)機(jī)艙越低越好，V型發(fā)動(dòng)機(jī)在這方面優(yōu)勢(shì)明顯。并且，如果將發(fā)動(dòng)機(jī)長(zhǎng)度縮短，能為乘員艙留出更大的空間，提高乘坐舒適性。此外，V型發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸對(duì)向布置，還可抵消一部分振動(dòng)，使發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)更平順[3]。但V型發(fā)動(dòng)機(jī)的缺點(diǎn)是必須使用2個(gè)氣缸蓋，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜、成本較高。另外，其寬度加大后，發(fā)動(dòng)機(jī)兩側(cè)空間較小，不適合再布置其他裝置[4]。幾十年來，國(guó)內(nèi)外主要豪華品牌汽車公司為了提高V型發(fā)動(dòng)機(jī)的性能做了大量研發(fā)工作，并推出了多個(gè)系列產(chǎn)品[5]。

為推動(dòng)我國(guó)V型發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品性能及技術(shù)的進(jìn)步，通過對(duì)寶馬、奔馳、奧迪及一汽紅旗V型發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品及技術(shù)應(yīng)用情況進(jìn)行綜述，分析了其在燃燒組織、進(jìn)排氣管理、高效增壓、燃油噴射及冷卻與潤(rùn)滑等方面的技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，并對(duì)低/零碳化、電動(dòng)化汽車產(chǎn)業(yè)需求下的V型發(fā)動(dòng)機(jī)未來發(fā)展進(jìn)行展望，旨在為我國(guó)V型發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)業(yè)發(fā)展及核心技術(shù)的布局方向提供指導(dǎo)和參考。

1 V型發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品及技術(shù)進(jìn)展

1.1 寶馬V型發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)進(jìn)展

20世紀(jì)50年代開始，寶馬汽車公司502 Barock-engel和507 Roadster車型就開始使用V8汽油發(fā)動(dòng)機(jī)。2018年，通過不斷改進(jìn)全可變氣門機(jī)構(gòu)“VALVETRONIC”和渦輪增壓系統(tǒng)，新款V8發(fā)動(dòng)機(jī)功率能夠達(dá)到390 kW[6]，圖1所示為寶馬V8發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展演變過程。同時(shí)，寶馬公司的7系M760Li型轎車一直匹配V12發(fā)動(dòng)機(jī)，而且寶馬旗下勞斯萊斯品牌全系均為V12發(fā)動(dòng)機(jī)[7]。此外，寶馬經(jīng)典的V12發(fā)動(dòng)機(jī)S70/2還裝配在邁凱倫F1賽車上，該發(fā)動(dòng)機(jī)排量為6.1 L，最大功率為461 kW（7 400 r/min），峰值扭矩為650 N·m（5 600 r/min），最高轉(zhuǎn)速為7 600 r/min。目前，寶馬最新的V12發(fā)動(dòng)機(jī)編號(hào)為N74TU，其排量為6.6 L，采用雙渦輪增壓，最大功率為448 kW、峰值扭矩為800 N·m。這款發(fā)動(dòng)機(jī)目前已裝配在M760Li xDrive 車型上。該款車型的0～100 km/h加速時(shí)間僅為3.7 s，最高時(shí)速可達(dá)305 km/h。

1.1.1 進(jìn)、排氣系統(tǒng)技術(shù)特征

2008年以來，除了不斷推進(jìn)全可變氣門機(jī)構(gòu)“VALVETRONIC”應(yīng)用外，寶馬公司對(duì)渦輪增壓系統(tǒng)也做出了重大改進(jìn)，通過采用“Hot-V”增壓器布置方案，優(yōu)化了寶馬V型發(fā)動(dòng)機(jī)性能[8]。

廢氣渦輪增壓器經(jīng)過完全重新設(shè)計(jì)和優(yōu)化匹配，實(shí)現(xiàn)了發(fā)動(dòng)機(jī)的性能目標(biāo)，低速扭矩性能尤其出色。通過雙渦輪增壓器和可變凸輪軸正時(shí)系統(tǒng)組合應(yīng)用，改善缸內(nèi)廢氣率，同時(shí)改善了泵氣損失，降低了發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗。廢氣渦輪增壓器的廢氣旁通閥設(shè)計(jì)為一體式部件。

1.1.2 燃油供給和點(diǎn)火系統(tǒng)特征

為了滿足嚴(yán)格的排放法規(guī)，寶馬V8雙渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)匹配中置燃油噴射系統(tǒng)，每個(gè)氣缸組均配備最新一代高壓燃油泵，使燃油噴射壓力高達(dá)35 MPa（前代車型：20 MPa），2個(gè)高壓燃油泵通過新設(shè)計(jì)的排氣凸輪軸驅(qū)動(dòng)，如圖2所示。

寶馬V8汽油發(fā)動(dòng)機(jī)采用新型點(diǎn)火系統(tǒng)，點(diǎn)火能量增加40%以上，點(diǎn)火電壓范圍增加30%以上，改善了燃料-空氣混合物的點(diǎn)火性能，這種增強(qiáng)的點(diǎn)火系統(tǒng)使得發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出扭矩也顯著增加[8]。

1.1.3 分體冷卻技術(shù)

為了減少發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油和部件溫度升高引起的壁面熱損失和摩擦，改善燃油消耗，寶馬公司在模塊化設(shè)計(jì)技術(shù)中使用了分體式冷卻技術(shù)，如圖3所示。除了帶有集成排氣歧管的氣缸蓋外，在冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，為氣缸蓋和曲軸箱設(shè)計(jì)了可實(shí)現(xiàn)單獨(dú)冷卻的冷卻回路。集成在熱管理模塊中的電動(dòng)分流冷卻閥能夠調(diào)節(jié)從氣缸流入曲軸箱的體積流量。根據(jù)不同的氣缸壁溫度，按需設(shè)置為零流量、3種中間流量或全流量[9]。

1.2 奔馳V型發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)進(jìn)展

2015年，奔馳公司推出了2款4.0 L的V8發(fā)動(dòng)機(jī)M177 LS1和M178，分別用于AMG C63和AMG GT車型。2016年，其發(fā)動(dòng)機(jī)家族又增加了一個(gè)變體，用于AMG G系列的M176。后期，奔馳公司推出用于E級(jí)和S級(jí)的M177 LS2，扭矩從700 N·m增加到900 N·m，功率從375 kW增加到450 kW，且具有停缸功能[10]。隨著動(dòng)力輸出的增加，該系列發(fā)動(dòng)機(jī)也在AMG GTR跑車領(lǐng)域得到了進(jìn)一步應(yīng)用。2017年，奔馳公司推出了V12發(fā)動(dòng)機(jī)，該發(fā)動(dòng)機(jī)沖程增加了12.2 mm，最終排量達(dá)到7.3 L，發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率為386 kW，峰值扭矩為750 N·m。這款發(fā)動(dòng)機(jī)隨后被意大利超級(jí)跑車制造商帕加尼購(gòu)買并使用到Zonda系列跑車上。

1.2.1 機(jī)械氣門升程調(diào)節(jié)系統(tǒng)

為了降低泵氣損失，減少發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油消耗，奔馳公司開發(fā)了一種機(jī)械氣門升程調(diào)節(jié)系統(tǒng)（Camtronic），是戴姆勒集團(tuán)CCT模塊化系統(tǒng)的一部分，結(jié)構(gòu)如圖4所示。該系統(tǒng)可以通過執(zhí)行器來操作進(jìn)氣和排氣凸輪軸上的可移動(dòng)凸輪實(shí)現(xiàn)停缸，通過停用V8發(fā)動(dòng)機(jī)系列的氣缸組1的氣缸2和氣缸3以及氣缸組2的氣缸5和氣缸8實(shí)現(xiàn)，從而使得發(fā)動(dòng)機(jī)在相同扭矩輸出下，燃油消耗率降低。8缸和4缸工作模式之間的最大切換速度為3 250 r/min[11]。

1.2.2 雙渦輪增壓器

為了提高輸出功率，重新設(shè)計(jì)了渦輪增壓器。針對(duì)單渦輪增壓器的功率輸出不足，提出了雙渦輪方案，如圖5所示。該方案具有輸出功率高，響應(yīng)良好的特點(diǎn)。為了實(shí)現(xiàn)雙渦輪增壓器的最佳運(yùn)行，交替向每個(gè)渦輪提供排氣脈沖，并與指定的點(diǎn)火順序相結(jié)合。同時(shí)對(duì)排氣管進(jìn)行了優(yōu)化配對(duì)，以實(shí)現(xiàn)良好的響應(yīng)及降低氣缸間的交叉影響[11]。

1.2.3 高滾流氣道

為了增加進(jìn)氣道的流速，加快可燃混合物的形成，并在火花塞區(qū)域提供濃度適度的均勻混合氣，奔馳公司對(duì)進(jìn)氣道端口的橫截面形狀進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于增加進(jìn)氣滾流運(yùn)動(dòng)以及在點(diǎn)火區(qū)域的滾流破碎，滾流、湍流水平的變化如圖6所示。增加的湍流水平還可提高部分負(fù)荷時(shí)殘余廢氣的容忍度，允許更高的內(nèi)部廢氣再循環(huán)，有助于減少節(jié)流效應(yīng)，降低油耗[11]。

1.2.4 燃燒系統(tǒng)

奔馳V8發(fā)動(dòng)機(jī)采用了Mercedes-Benz BlueDIRECT燃燒系統(tǒng)，結(jié)合多火花點(diǎn)火、壓電噴油器（位于燃燒室中央），以滿足噴霧引導(dǎo)系統(tǒng)在油耗、排放和燃燒穩(wěn)定性方面的要求。燃油噴射系統(tǒng)使用了外開式Bosch HDEV4.2壓電式噴油器，其特點(diǎn)是噴射穩(wěn)定性高，混合物形成良好。

1.2.5 NVH系統(tǒng)優(yōu)化

為了滿足豪華轎車的噪聲和振動(dòng)舒適度要求，對(duì)多個(gè)部件進(jìn)行了NVH優(yōu)化。利用一個(gè)專門設(shè)計(jì)的聲學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)罩來控制向上的噪聲輻射。通過使用貼近發(fā)動(dòng)機(jī)的復(fù)合材料油底殼罩，進(jìn)一步改善了噪聲輻射。還對(duì)高壓燃油泵、進(jìn)氣系統(tǒng)和渦輪增壓器采取了NVH措施，具體結(jié)構(gòu)如圖7所示[11]。

1.3 奧迪V型發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)進(jìn)展

2016年，奧迪在RS5車型中使用了新款3.0 L排量的V6 TFSI發(fā)動(dòng)機(jī)，該發(fā)動(dòng)機(jī)具有2個(gè)渦輪增壓器，可實(shí)現(xiàn)更短的氣體流道和更快的響應(yīng)能力，在1 900～5 000 r/min的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)可以輸出600 N·m的扭矩[12]。2019年，奧迪推出了搭載電動(dòng)壓氣機(jī)（Electrically Powered Compressor，EPC）的新款3.0 L V6 TDI Gen.3，該發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率為257 kW，最大扭矩為700 N·m。其結(jié)合了單級(jí)廢氣渦輪增壓、電動(dòng)壓氣機(jī)以及48 V輕度混合動(dòng)力系統(tǒng)，使整個(gè)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的動(dòng)力響應(yīng)更加快速，性能滿足新的WLTP和RDE測(cè)試循環(huán)許可條件以及EU 6d TEMP排放標(biāo)準(zhǔn)[13]。

自2007年起，蘭博基尼Gallardo和奧迪R8就開始使用奧迪V10汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，并展示了卓越的駕駛性能。奧迪R8 LMS賽車憑借此動(dòng)力系統(tǒng)，在知名的耐力賽中贏得了超過20個(gè)冠軍頭銜。2014年，奧迪公司通過優(yōu)化進(jìn)氣系統(tǒng)和配氣機(jī)構(gòu)，在現(xiàn)有直噴系統(tǒng)的基礎(chǔ)上引入進(jìn)氣道燃油噴射，并且采用了新一代發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元，推出了新款V10汽油發(fā)動(dòng)機(jī)。該發(fā)動(dòng)機(jī)排量為5.2 L、最大輸出功率為449 kW（8 250 r/min）、最大轉(zhuǎn)速為8 700 r/min，并且能夠滿足EU6排放限值[14]。

1.3.1 HSI技術(shù)與雙渦輪增壓技術(shù)

為了獲得更好的扭矩性能以及出色的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力，奧迪3.0 L V6 TFSI EA839發(fā)動(dòng)機(jī)采用了HSI（Hot Side Inside）設(shè)計(jì)和雙渦輪增壓技術(shù)[15]，如圖8所示。HSI技術(shù)的特點(diǎn)是氣缸蓋具有一體式的排氣歧管（Integral Exhaust Manifold，IEM），氣缸蓋的進(jìn)氣口呈現(xiàn)喇叭形狀且進(jìn)氣歧管在氣缸蓋的外側(cè)，這種設(shè)計(jì)的主要目的是使進(jìn)氣路徑最短。為了實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)增壓壓力的快速建立，配備了雙渦輪增壓技術(shù)。渦輪增壓器安裝在氣缸V型布置夾角內(nèi)，與IEM技術(shù)相結(jié)合能夠?qū)崿F(xiàn)縮短排氣路徑、降低流量損失的目的。渦輪增壓器上的2個(gè)廢氣旁通閥能夠?qū)崿F(xiàn)增壓壓力可調(diào)和催化轉(zhuǎn)化器的快速預(yù)熱。

1.3.2 燃油噴射系統(tǒng)

為了提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率，3.0L V6 TFSI發(fā)動(dòng)機(jī)在進(jìn)氣側(cè)使用了奧迪可變氣門控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)米勒（Miller）循環(huán)，結(jié)合中間布置的噴油器能夠在小負(fù)荷下產(chǎn)生足夠的湍流并具有良好的廢氣耐受性。噴油器在中心位置有利于小氣門升程對(duì)燃燒室內(nèi)部流動(dòng)的影響。噴油器的中心布置還可給進(jìn)氣側(cè)騰出更多的空間，有助于開發(fā)出更佳的燃燒室形狀來彌補(bǔ)小氣門升程的弊端[15]。

為在低速行駛工況下改善混合氣的形成以及滿足EU6排放標(biāo)準(zhǔn)中的顆粒物限制，V10發(fā)動(dòng)機(jī)在直噴系統(tǒng)中配備了進(jìn)氣道燃油噴射系統(tǒng)。為了保證兩個(gè)噴射系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行，即使在氣道噴射模式下，高壓泵也要保持燃油循環(huán)，這樣可以冷卻高壓泵，防止形成燃油蒸汽[16]。

1.3.3 冷卻和熱管理系統(tǒng)

為降低油耗并優(yōu)化暖機(jī)過程，V6 TFSI 發(fā)動(dòng)機(jī)采用了新型的熱管理系統(tǒng)，如圖9所示[15]。水泵布置在發(fā)動(dòng)機(jī)缸體前端，帶有離合器，由V形皮帶驅(qū)動(dòng)。冷卻液由發(fā)動(dòng)機(jī)中部向左右兩側(cè)分配到發(fā)動(dòng)機(jī)缸體和氣缸蓋的冷卻回路中。渦輪增壓器、機(jī)油冷卻器和乘員艙加熱由氣缸蓋冷卻回路作為熱源。通過發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的冷卻液流量不超過總冷卻液流量的25%，節(jié)溫器采用低流阻電加熱節(jié)溫器。在部分負(fù)荷運(yùn)行中，采用105 ℃的最佳水溫。在冷起動(dòng)時(shí)，通過關(guān)閉水泵，使冷卻液停止循環(huán)，在此階段，熱交換器通過將油與水側(cè)隔離來加速機(jī)油預(yù)熱。在暖機(jī)階段，熱量流經(jīng)IEM，氣缸蓋中的冷卻液工作溫度可更快達(dá)到要求。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到設(shè)定的工作溫度，缸體開關(guān)閥就會(huì)打開，冷卻液再流過缸蓋和發(fā)動(dòng)機(jī)缸體。

1.3.4 電動(dòng)壓氣機(jī)

為滿足嚴(yán)格的排放要求，實(shí)現(xiàn)良好的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性，3.0L V6 TDI Gen.3采用了單級(jí)廢氣渦輪增壓和電動(dòng)壓氣機(jī)技術(shù)[17]，如圖10所示。渦輪增壓器吸入的新鮮空氣通過增壓壓力輸送到發(fā)動(dòng)機(jī)左側(cè)至車載增壓空氣冷卻器的管道。冷卻的增壓空氣根據(jù)所需的動(dòng)態(tài)響應(yīng)通過一個(gè)節(jié)流閥流向EPC或者發(fā)動(dòng)機(jī)。如果在起動(dòng)和加速時(shí)請(qǐng)求EPC的支持，則閥門關(guān)閉直接流向發(fā)動(dòng)機(jī)的氣流，并將渦輪增壓器壓縮的增壓空氣輸送至EPC，EPC將增壓空氣進(jìn)行二次壓縮。之后，增壓空氣與高壓EGR直接混合，然后通過帶有中央渦流控制閥瓣的雙流進(jìn)氣歧管流向氣缸。通過EPC的使用，最大空氣質(zhì)量流量提高，不僅直接增加了發(fā)動(dòng)機(jī)最大扭矩，渦輪增壓器的壓力建立速度也大大加快，提前達(dá)到最大進(jìn)氣壓力，發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩攀升率顯著增加。

1.3.5 進(jìn)排氣系統(tǒng)

為增加進(jìn)氣流量并保持較低的進(jìn)氣壓力損失，奧迪V10發(fā)動(dòng)機(jī)采用了雙側(cè)獨(dú)立的進(jìn)氣系統(tǒng)，并優(yōu)化了車身結(jié)構(gòu)內(nèi)的原始空氣管道。為進(jìn)一步提升性能，優(yōu)化了進(jìn)、排氣門升程曲線，并將進(jìn)氣道長(zhǎng)度減少了10 mm。在排氣側(cè)，燃燒室設(shè)計(jì)了導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，使排氣更流暢，這也有助于減少換氣過程中的節(jié)流損失，降低殘余廢氣系數(shù)[18]，如圖11所示。

1.4 其他V型發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)進(jìn)展

豐田公司曾推出一款排量為5.0 L的V12發(fā)動(dòng)機(jī)（1GZ-FE），應(yīng)用在1997～2017年生產(chǎn)的第二代豐田世紀(jì)車型上。2018年，通用汽車也推出了一款4.2 L雙渦輪直噴雙頂置凸輪軸V8發(fā)動(dòng)機(jī)，該發(fā)動(dòng)機(jī)專為凱迪拉克CT6 V-Sport頂級(jí)轎車使用[19]。

跑車公司對(duì)V型高端發(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā)也極為關(guān)切。自保時(shí)捷推出V8渦輪增壓Cayenne和Panamera發(fā)動(dòng)機(jī)之后，就開始為其公司頂級(jí)車輛提供動(dòng)力。2016年，Panamera中的新型4 L排量的V8雙渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)功率達(dá)到404 kW，扭矩達(dá)到770 N·m[20]。1999年，阿斯頓.馬丁公司首次將V12發(fā)動(dòng)機(jī)引入DB7型超級(jí)跑車中。2016年，伴隨著DB11型超級(jí)跑車的推出，新款雙渦輪5.2 L V12發(fā)動(dòng)機(jī)的功率輸出達(dá)到了同級(jí)領(lǐng)先水平，并且能夠滿足污染物排放指標(biāo)要求[21]。鑒于在F1賽事中的成功表現(xiàn)，法拉利公司將賽車項(xiàng)目中的技術(shù)應(yīng)用在民用超級(jí)跑車上。1992年，法拉利公司推出了一款排量為6.0 L的V12發(fā)動(dòng)機(jī)（F140），其最大功率達(dá)485 kW，峰值扭矩達(dá)657 N·m。法拉利ENZO是首款搭載F140發(fā)動(dòng)機(jī)的車型。在最新推出的812 Competizione系列中，這款F140發(fā)動(dòng)機(jī)最新版本排量增至6.5 L，功率和扭矩分別為610 kW和692 N·m。

2 一汽紅旗V型發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵技術(shù)與產(chǎn)品發(fā)展

2.1 紅旗V型發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品發(fā)展

為填補(bǔ)國(guó)內(nèi)高端V型發(fā)動(dòng)機(jī)的產(chǎn)品空白，一汽紅旗在國(guó)內(nèi)率先開展了相關(guān)產(chǎn)品和技術(shù)研發(fā)工作。經(jīng)過多年的努力，目前形成了三代V型6缸、V型8缸、V型12缸3個(gè)基礎(chǔ)平臺(tái)產(chǎn)品，排量覆蓋3.0～6.0 L，支撐了紅旗高級(jí)、豪華、禮賓等6款頂級(jí)車型產(chǎn)品。圖12所示為一汽紅旗主要V型發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品譜系。

圍繞V型發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性、排放性、安全性及舒適性等高端目標(biāo)定位，一汽紅旗突破了多項(xiàng)關(guān)鍵核心技術(shù)，全新V型發(fā)動(dòng)機(jī)升功率超過120 kW/L，升扭矩超過230 N·m/L，且熱效率達(dá)到39.02%，達(dá)到了國(guó)際領(lǐng)先水平。表1所示為紅旗三代V型發(fā)動(dòng)機(jī)的主要技術(shù)配置。圖13所示為紅旗V型發(fā)動(dòng)機(jī)與其他品牌發(fā)動(dòng)機(jī)性能對(duì)比。

2.2 進(jìn)、排氣系統(tǒng)技術(shù)進(jìn)展

高動(dòng)力性是高端V型發(fā)動(dòng)機(jī)的重要技術(shù)指標(biāo)，紅旗發(fā)動(dòng)機(jī)創(chuàng)新采用高分離雙流道增壓器、非對(duì)稱交叉排氣歧管、短進(jìn)氣道與小氣門夾角極限設(shè)計(jì)、低阻力文丘里氣門座圈技術(shù)及高滾流與高流通能力進(jìn)氣道構(gòu)型設(shè)計(jì)，如圖14、圖15所示，實(shí)現(xiàn)了V型米勒循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)1 800 kg/h超高氣流量和120 kW/L超大升功率的目標(biāo)需求。

同時(shí)，針對(duì)V型發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火間隔不均勻?qū)е碌母鞲讚Q氣差異問題，采用了單缸負(fù)荷控制方案，設(shè)計(jì)了非均勻進(jìn)排氣型線，協(xié)同各缸的進(jìn)氣量、空燃比、殘余廢氣系數(shù)及燃燒狀態(tài)等，使各缸之間的負(fù)荷差異顯著降低。如圖16所示，通過一致性設(shè)計(jì)優(yōu)化，方案二使各缸負(fù)荷差異顯著改善，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)NVH水平。

2.3 燃油供給與噴射系統(tǒng)技術(shù)進(jìn)展

V型機(jī)高功率需求必然會(huì)使燃油噴射量增大，易于誘發(fā)油-氣混合不均勻及噴霧碰壁問題，紅旗發(fā)動(dòng)機(jī)采用了35 MPa高壓噴射，并創(chuàng)新設(shè)計(jì)了非均勻噴油孔徑與錐角的油-氣混合技術(shù)，如圖17所示。噴油器噴孔按布置形狀分為了頭部、肩部、腰部和尾部4個(gè)部分，頭部噴孔采用小孔徑設(shè)計(jì)，肩部噴孔采用大孔徑設(shè)計(jì)，腰部噴孔為小孔徑，尾部噴孔為大孔徑，調(diào)節(jié)整體噴油器流量。

2.4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及制造技術(shù)進(jìn)展

高動(dòng)力V型發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)極為困難和復(fù)雜，一方面高動(dòng)力需求對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、缸蓋等的強(qiáng)度提出了更高的要求，另一方面為了整車搭載的便利，其空間尺寸又極為受限，一汽紅旗提出了分區(qū)定位高強(qiáng)度高剛度設(shè)計(jì)方案，依據(jù)缸體砂型鑄造生產(chǎn)的順序凝固特點(diǎn)，采用冷鐵進(jìn)行分區(qū)性能強(qiáng)化。并且，針對(duì)缸體鑄造砂芯產(chǎn)氣量大易導(dǎo)致氣孔類缺陷問題，創(chuàng)新研發(fā)出無溫差整體制芯技術(shù)，降低了砂芯的含氣量，顯著改善了鑄件質(zhì)量。圖18所示為新舊V型發(fā)動(dòng)機(jī)缸體表面質(zhì)量對(duì)比。

同時(shí)，針對(duì)V型機(jī)普遍存在的缸體、缸蓋等關(guān)鍵部件熱負(fù)荷偏高的行業(yè)難題，采用了基于階梯換熱理論的環(huán)繞式缸體水套和寬域缸間冷卻結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了高動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)缸體分區(qū)精準(zhǔn)冷卻。并且，采用了多流道量化可調(diào)一體式全橫流氣缸蓋冷卻水套技術(shù)，通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)冷卻液流量和流速的“按需分配”，實(shí)現(xiàn)了氣缸蓋水套的小體積、高流速、全橫流強(qiáng)化冷卻。

2.5 電控系統(tǒng)技術(shù)進(jìn)展

長(zhǎng)期以來，電控系統(tǒng)開發(fā)是我國(guó)發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)領(lǐng)域的薄弱環(huán)節(jié)，為提高V型發(fā)動(dòng)機(jī)及搭載整車的工作安全性及需求特殊性，一汽紅旗采用了基于CANFD的雙電子控制器單元（Electronic Control Unit， ECU）聯(lián)控架構(gòu)，如圖19所示，針對(duì)缸間做功不均衡難題設(shè)計(jì)了缸點(diǎn)火修正與噴油修正策略；同時(shí)，構(gòu)建了以1/2缸斷缸效率為單元的多級(jí)扭矩速降技術(shù)，進(jìn)一步提升了扭矩控制精度。

3 結(jié)論與展望

作為豪華汽車品牌的主要標(biāo)志，寶馬、奔馳、奧迪、一汽紅旗等國(guó)內(nèi)外重要汽車廠商均長(zhǎng)期將V型發(fā)動(dòng)機(jī)視為核心關(guān)鍵產(chǎn)品，并基于發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒、增壓、換氣、混合氣形成及冷卻與潤(rùn)滑等方面的持續(xù)優(yōu)化改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)性能水平的不斷提升和進(jìn)步。為推動(dòng)我國(guó)自主V型發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品性能的進(jìn)一步提升，相關(guān)發(fā)動(dòng)機(jī)本體優(yōu)化技術(shù)仍需進(jìn)一步精細(xì)化發(fā)展。

面向碳達(dá)峰、碳中和全球性任務(wù)，V型發(fā)動(dòng)機(jī)若想延續(xù)其技術(shù)引領(lǐng)和領(lǐng)導(dǎo)地位，需要加快在低/零碳化道路上的進(jìn)步與發(fā)展，積極推進(jìn)其關(guān)鍵部件電動(dòng)化、動(dòng)力系統(tǒng)混動(dòng)化及低/零碳燃料替代應(yīng)用化的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)V型發(fā)動(dòng)機(jī)更加高效與低/零碳化運(yùn)轉(zhuǎn)工作。

本文主要綜述了V型發(fā)動(dòng)機(jī)本體性能提升相關(guān)的燃燒系統(tǒng)優(yōu)化、缸內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)組織、燃油噴射及高效冷區(qū)與潤(rùn)滑等方面的技術(shù)發(fā)展情況。針對(duì)整機(jī)排放控制技術(shù)、關(guān)鍵部件電動(dòng)化技術(shù)及動(dòng)力系統(tǒng)整體混動(dòng)化技術(shù)等方面的論述不足，今后將進(jìn)一步進(jìn)行相關(guān)方面的歸納總結(jié)與補(bǔ)充。

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（責(zé)任編輯 明慧）