先进的V8发动机技术

先进的V8发动机技术 V8 在目前技术条件下，每个汽缸燃烧室的容量在500cc左右是最为理想的。BMW最新研制的V型排列八缸发动机（V8）在尺寸，进气量，零件数量以及重量方面， 都体现着理想和实际生产中的最优概念。 发动机是影响整车重量的一个非常重要的因素。毕竟发动机是整个车辆结构 里面质量最大的一个部分。而现在，仅仅202kg的重量使得V8发动机成为全球质量最轻的八缸发动机之一。 新八缸发动机的汽缸布置由两排各四缸的平行布置改为交角90度且偏心17cm的V型布置的原因，这样能使整个发动机的零件布置更为紧凑。 之所有选择90度夹角，是因为在这种几何条件下，可以对惯性力进行有效 的补偿，以减少发动机工作所带来的振动，提高车辆舒适性。因此，这种特殊的 几何布置基本上可以说是解决发动机工作振动与车辆行驶平稳性之间冲突的优 化解决。 发动机的高速，高温，高压会给曲轴箱带来严酷的工作负载。因此，曲轴箱 在尺寸结构方面显得非常紧凑，结构强度很大。尤其需要指出的是，这种结构可 以使主轴承在工作温度始终保持在一个较为稳定的范围内，所含的灰铸铁成分可 以有效减少铝制部件因受热受到的变形影响。这样一来，油路的周围环境条件基 本可以保持不变。 由于汽缸与汽缸之间的距离只有98mm，曲轴在高强度钢铸造成型过程中， 相对长度很短，其在弯曲结构处的刚度非常大，抗扭强度也很大，良好的力学性 能使其有效减少了曲轴的质量，只有20kg重。曲轴在五个轴承的共同支撑下持 续转动，主轴承直径为60mm，宽28.2mm。在工作过程中，相对应的两个连杆在 曲轴销的作用下，始终保持互相之间90度的夹角。 轻量化的活塞是由耐高温的铝合金经过表面涂层处理制成的。这使得其包括 活塞销，活塞环在内的质量也只有481.7g。压缩行程为27。4mm，压缩比为12：1。 活塞由与主油管相连的喷嘴喷射出的润滑油进行冷却。长度为140.7mm，截面形状为梯形的连杆由高强度的铁镁合金制成。 每个汽缸在单层的铝制汽缸盖上各自有四个阀门。每个阀门质量为42g，由 顶部为球形的挺杆驱动，同时有水压阀进行补偿。挺杆直径只有28mm,而进气阀门和出气阀门的直径则分别为35mm和30.5mm，由于横向只有5mm，阀轴对进气管中的气体的流动条件几乎产生不了什么影响。而液压阀则会对进，排器阀门的 工作效率进行有效的补偿，以保证工作状态保持持续稳定，而且这样设计还能节 约以后的维护保养费用。 与传统的发动机系统相比，在新的V8发动机上应用的交叉流动冷却系统设 计可以减少在冷却过程中的压力损失，高效地进行散热，在整个系统中都能持续 保持冷却作用，从而保证在任何严酷的条件下有效降低系统的高温峰值。 为了保证冷却液能够在每个汽缸中最为有效地流动冷却，其首先从排气管一 侧进入曲轴箱，之后流经汽缸盖和进气管一侧的机油泵油管，进入节温器，最后 各汽缸的冷却液分别流回至散热器。 对于发动机本身的工作性能。是通过对高转速下发动机工作循环的不断优化 以提高其输出功率。显而易见，通过减少工作循环中的能量损失，不仅仅是增加 了输出功率，同时还能使得输出的力矩曲线完美，发动机对工况的响应更好，进 一步而言，还能带来燃油消耗量的减少和排放状况的改进。 由于调整时间极短，双凸轮轴可变气门正时控制系统（double-vanos）同样可以促进八缸发动机的工作循环达到一个完美的性能效果。 发动机的输出功率取决于油门踏板位置的大小和发动机的转速。因此 double-vanos根据控制云图来调整凸轮轴的位置和角度，从而实现调整油门踏 板位置的大小和发动机的转速两个参数，并最终对发动机的工作状态进行有效的 控制。 V8采用双级链条来连接曲轴和链轮。而链轮和凸轮轴之间的通过一个步进 电动机/作动器来实现连接的，而不是通过普通的螺旋齿轮连接。 这种针对八缸发动机的设计优点是：当步进电机处的油压处于一般状态时， 低压double-vanos仍然可以进行正常工作。也就是说，在油管处并不需要安装 单独的增压系统来协助完成曲轴与链轮之间的运动形式转换和能量的传递。从而 实现在最高转速下最为精确的控制。这意味着进气凸轮轴的角度最大可以到58度，相应地排气凸轮轴最大可到48度，这样一来，最大的角度调整速度可以达 到每曲轴角360度，因此，低压调节系统可以确保在非常短的时间内，根据负荷 及其发动机的转速，针对点火时间的喷油量实时确定最优的调整角度。 发动机供油系统内的纵向和横向加速度最高可以达到1.4g。 在所有工作状态下，两个偏心摆式叶片泵可以根据不同的情况，持续并且准 确地为八缸发动机提供所需的润滑油进行润滑。这是通过叶片泵内齿轮相对齿轮 壳体的偏心特征（内齿轮中心偏离壳体圆心）来实现的，在不同的油管油压下实 现润滑油喷射量的调整。考虑到在一些极限工况下的惯性力和负载，当最为恶劣 的工况出现时，甚至可以出现润滑完全中断的情况。但是这个问题可以通过一种 叫“动态优化湿槽润滑法”的技术加以解决，这是一套配有两个油底壳的系统： 一个小的油底壳位于前轴之前，而另一个较大的油底壳则位于前轴之后。一个单 独的再循环系统持续不断地将位于前轴之前小的油底壳，输送到前轴之后油底 壳。这样一来，大油底壳就可以避免出现润滑油短缺，难以供油的情况了。 在新的发动机动力单元中，同样是通过电子油量控制技术，依靠安装在油底 壳的一个传感器来确定油量的大小。传感器测得的数据通过数据总线传递至发动 机的控制单元，并根据一系列复杂的算法进行评估。根据车辆纵向和横向的加速 度对最终确定的数据进行修正后，将其显示在驾驶员面前的控制台上。 根据排放系统的设计和配置，其同样可以用来优化发动机的工作循环。为使 八缸发动机达到最优的动力和转距输出，关键是保证系统内的压差尽可能地低， 这也是排放废气要通过两个腔室排至车身最后部的消声器的作用。 为了达到以上的目的，与悬架极其其他紧固件一样，通过CATIA CAD计算机辅助设计系统对整个排气系统主体结构的尺寸进行计算，而所获得的3D数据也同样被用于生产制造和质量检测。 在最高达到800bar的条件下，采用内高压浇注工艺进行不绣钢排气管的无 缝成型制造。这样，可以使排气管的壁厚达到令人惊讶的0.65mm到1.0mm。很显然，这非常有利于减轻排气系统的质量，并使被催化转化器的工作性能得到优 化。 同时，这种复杂的先进技术可以使得浇铸和成型过程更为精确，在所生产零 件的几何精度上达到更加令人满意的效果。而且，无论形状和造型是如何复杂， 所有的一级和二级管件都是由单件原料铸成，因此，可以省去很多连接件极其焊 接操作，简化工艺。同样，这样也可以避免在管件的横截面上出现折点和弯曲。 这种工艺吃力得到的最终的管件产品，可以保证在其造型中，任意位置的横 截面面积都为最大，而管件内流动的阻力系数始终为最小。 制动能源再生系统同样能够帮助新的V8发动机全面提高动力系统的工作效率，其主要作用是，当发动机有富裕的功率输出时，可以将这部分能量转化为车 内电子系统所需的电能以及刹车时所需的电能以及刹车时所需的辅助动能。 这套高效的能量管理系统根据真实的驾驶工况，通过对发动机的智能控制实 现能量管理，在实际应用中，制动能源再生系统的两个优点是，首先可以产生整 车系统所需的电能，从而减少燃油消耗率，第二，当发动机在低负荷状态下工作 时，断开发动机与系统的连接可以使驾驶员直接受益；因为当发动机低负荷工作 时将发电机断开，可以使发动机提供更多的能量以加速车辆，这不仅仅意味着更 好的行驶经济性，也同样代表着更多的驾驶乐趣。 制动能源再生系统与现代的AGM电池共同配合，使得在这样一个智能化的动 力系统中，工作循环能够提供的能量更多，其所能够承受的最大负载要远大于传 统的铅酸电池。 在AGM电池系统中，酸液被存储在微玻璃纤维内，而这些纤维位于相互独立 的铅板之间，这样，即使是持续不断地进行规则的充电与放电，电池仍然能够在 相当长的时间内保持能量存储。 电子节气门控制系统通过测量发动机的负载进行优化管理，并通过安装于油 门踏板上的电位计感知驾驶员的操作意向，并将其转化为相应的控制指令。 之后，驾驶动力系统通过将其他的辅助单元，例如压缩机或者是发电机，输 入的响应的参数对这一指令加以修整。而由怠速控制单元，排气管理单元及其爆 燃控制单元提供的信号也会进行调整，并且与动态稳定控制单元及发动机牵引控 制单元获得的最大，最小的受力信号进行比较。通过这种方式获得的信号在对目 前的点火角度加以参数的情况下，使最终送至节气门管理单元。 这个发动机控制单元的另一个亮点是：用来确定发动机爆燃，不点火，误熄 火等风险的离子流技术。 “爆燃”是在汽缸中产生的一种应该尽量避免的自燃。如果发动机没有爆燃 控制单元，那么一旦超出爆燃极限，那就会使得发动机的压缩比变低,点火时间 延迟。但是，这种“安全余量控制”的方法会消耗更多的燃料，也会占用一部分 发动机的输出动力和输出转矩。 与之相对的是，主动防爆控制单元可以使发动机获得最优的点火时刻，并能 保证发动机不受恶劣环境的损害。并且，他同样可以帮助发动机达到更高的工作 效率。 传统的防爆器控制传感器一般被安装在汽缸的外壁上，以测量缸体的声音信 号。但是，在发动机运转素数越来越高，汽缸数越来越多的情况下，安装在外壁 的传感器在燃烧过程中探测爆燃信号的能力受到减弱，特别的由于传感器工作性 能的精确性和可靠性是八缸发动机优化燃烧过程，延长使用寿命和减轻排放的一 个重要影响因素。其给发动机带来的不利性更为明显。而离子流技术的优势就在 于，他可以之间在燃烧室内，也就是出现爆燃的位置对爆燃风险进行直接测量。 在燃烧过程中，燃烧室内的温度最高可以达到2500度，而在高温下出现的某些物理现象正可以被系统所利用。高温以及在燃烧过程中发上的化学反映导致 混合在燃烧室内的燃料和气体部分电离化，这使混合气体具有导电性，尤其的在 火焰前锋，由于对电子的分解和沉积作用产生的离子，这一现象更为明显。 通过这种方式产生的所谓的离子流由位于两个电极之间的电子次量单元进 行测量，其独立于汽缸盖，并且会对反动机的系统控制产生影响，这个测量单元 被集成在点火线圈上，并且和火花塞电极共同作用来产生所需的信号。因此，这 个信号实际上是与混合气在电极之间离子化的程度有关的。 通过对离子流的测量，可以直接在燃烧室内获得相关的信息，这个集成在每 一个点火线圈中的电子化的“大脑”从八个汽缸的火花塞处接受相关信号，对其 进行修正处理后再将其传诵到发动机管理单元。通过对这一数据的分析，发动机 管理单元可以根据实际情况对各个汽缸进行控制，例如将点火时间调整到对燃烧 过程最为有利的时刻，从而达到有效的燃爆管理的目的。 通过使用一个新型的半导体电路元件来测量所需的控制电压并通过一个参 数化程序对其进行修正和更新，发动机所应用的离子流技术获得了技术上的一个 重要的突破，更为先进。目前这一电路控制元件第一次被直接集成在作为终端的 点火线圈中，可以在燃烧室内更为直接地测量离子流信号，对其进行修正和加强 后将其分解成更为精确的各种独立的信号，以用于更为精确的测量和控制。 因此，这一技术通过使用每一个汽缸的火花塞来进行探测爆燃危险性，如果 需要的话，还可以对这一危险性进行控制。同时，他还可以管理点火过程并且监 测任何可能的不点火情况。也就是说，火花塞的作用犹如点火时刻的计算处理器， 同时，还是整个燃烧过程的检测传感器，随时监测任何不点火，熄火的情况。而 且，火花塞是这种双重功能也非常有利于对整车系统的控制和管理。