德国大众的VR6和W型发动机详解

德国大众的 VR6和W型发动机详解 大多数小型车因为没有足够的空间，无法安装 6缸发动机。目前，主流的 6缸发动机有 V型 和直列两种排列形式，它们的体积都很大，只适合安装在大型和中型车上。而绝大多数小型车由 于采用前置发动机和前轮驱动的形式，必须将发动机、变速箱、差速器总成安装在前轴之前。同 时，在前发动机舱内还装有 abs 泵、伺服器、电瓶、转向机构等等部件，都会占用小型车发动机 仓这可怜的空间。所以师很难将一台 6缸发动机（特别是直列 6缸发动机，因为它长度更大） 安装在小型车上。 从车型特性来说，小型汽车更适合采用横置发动机设计。当然也有特例，像宝马 3这样的长 鼻紧凑型车就采用了纵置发动机，但带来的缺点是车内空间利用率很低，不适合主流民用小型车 的设计潮流。直列 6缸发动机的长度很大，如果横置设计，发动机仓根本无法容纳。V6发动机的 宽度相当于两台直列发动机的宽度，依靠其一定的夹角设计（通常是 60度或 90度），因此它比 直列 6缸发动机占用的空间要小。而且 V6发动机的排气管从发动机的两侧排出，排气效率很高。 即便如此，如上文所述，V6发动机的宽度相当于两台直列发动机的宽度，这种宽度同样超过了小 型车发动机仓可以容纳的宽度，所以在大多数小型车上同样容纳不了 V6发动机。 为了解决这个矛盾，德国大众在 1991年开发了一种小夹角（15度）V6发动机，并将它装配 在第三代高尔夫上，用以取代以前的 2.8升 V6发动机，这就是大家经常听说的“VR6”。VR6发动 机是真正的紧凑型设计，其夹角几乎接近直列发动机，但仅稍长于直列四缸发动机，所以它能与 绝大多数小型车匹配，甚至包括 A0级别的 POLO（POLO之所以没有装这款发动机是因为成本太 高）。奔驰的 V系列，由于其短头设计，不能安装奔驰自己的 V6发动机，也采用了 VR6发动机 来匹配。VR6虽然只采用了 15度的夹角，但是由于汽缸与汽缸之间是错开的，因此汽缸之间有 相当宽裕的间隙（如下图），虽然其长度有所增加，但其宽度仅相当于 V6发动机的一半。 VR发动机的不对称结构（从左至右依次是 L4、V6、VR6） VR6发动机的另一个重要特征就是它的 24气阀设计和W型结构。与普通的 V型发动机比， VR6采用的是不对称型设计。汽缸与汽缸之间相互交错，这就意味着从进气总管引入的新鲜空气 很难进入外侧的进气岐管（反之废气很难从内侧的进气岐管汇总到排气总管）。如下图： VR6发动机一侧用来进气，一侧用来排气。由于其不对称性，使得进排气系统异常复杂地占用了 气缸盖的大量空间，使得气缸盖周围温度很高，但是这种设计节省了大量的空间。 配气机构 第一代 VR6发动机采用单顶凸轮轴（SOHC）每缸 2气阀设计，尽管两根凸轮轴距离很近， 看起来就像双凸轮轴设计一样。其结构仍然相当于传统的 V6 2气阀发动机。 气缸盖设计 许多 VR6发动机看上去就像直列发动机一样，因为在它上面只看得到一个气缸盖，这是由于 它的超小夹角设计导致的。由于夹角小，两列气缸盖被集成到一起，这个汽缸盖可以同时控制 6 个气缸的配气。而传统的 V6发动机有 2个气缸盖，因此，VR6不仅比它更小，而且重量更轻， 成本也更低。 24气阀的 VR6发动机 当全世界都在流行 4气阀发动机时，大众 VR发动机（VR6和 VR5）已经无法依靠其 2气阀 设计赢得市场了。在 1999年 7月，大众推出了它的第二代 VR6发动机。也许大家会觉得很奇怪， 为什么要花 8年时间才能推出 4气阀的 VR6发动机呢？ 因为由于 VR6的特殊结构，将 VR6的 2气阀改为 4气阀需要突破很大技术难题。 技术难点 可以设想一下，如果 VR6按照主流 4气阀发动机 DOHC的设计，这就需要在超级狭小的气 缸盖内安装四根凸轮轴，而且需要预留一些位置安装火花塞，这几乎是不可能的事情。如果不采 用四根凸轮轴，那么它就和本田与三菱的许多发动机一样，采用的是 SOHC的 4气阀技术。 对于本田和三菱来说，SOHC 4气阀设计是出于低成本的考虑，这种设计的发动机相比 DOHC 的发动机来说有许多先天的缺陷。由于需要通过摇臂控制气门的运动，因此要损失很大能量。事 实上，本田所有的高性能发动机（CIVIC SiR和 Type R）都用 DOHC代替了 SOHC设计，并且在 高性能车上使用。而且这种设计用在 VR6上同样有许多问题：首先它需要在狭小的气缸盖内集成 3到 4根凸轮轴，所以其结构异常复杂；其次需要更多的空间布置摇臂和凸轮机构，用来驱动气 门垂直运动，这些机构在工作还会损失一部分动力。 而且最要命的是，SOHC的发动机不能实现可变气门正时设计。 德国大众是怎样解决这些技术难题的呢? 与传统的 DOHC和 SOHC不同，VR6采用一个凸轮轴控制两列气缸的进气阀，一个凸轮轴 控制两列气缸的排气阀。从图上可以清楚的看出，轮轴 A用来控制进气阀，凸轮轴 B用来控制排 气阀，它们被集成在一个气缸盖内。 这种结构就可以设计可变气门正时机构了。这种 24 气阀的 VR6 发动机的进气凸轮轴就采用 了 VVT的设计，如果有必要，排气凸轮轴也可以采用 VVT设计，就像 BMW的 Double Vanos一 样。 如果是传统的 V6发动机，它需要 4根凸轮轴，4个可变正时机构，而且要两个气缸盖。所有 这些东西，新的 VR6只需要一半就可以了。 W 系列发动机：大众大部分的 W 系列发动机都是来源于 VR 发动机，下面我们就大众设计 的几款W型发动机作一下简单介绍。 W12发动机 了解了 VR6发动机，我们就很容易理解W12发动机的结构了。 第一台W12发动机首先运用在布加迪概念车上。这款发动机结合了两个 VR6发动机，由两 个夹角为 15度的 VR6发动机，以 72度的夹角组成，它拥有 5.6升的排量。 可以说，如果没有 VR6的设计，就没有这种W型结构的发动机。 多年来，奥迪一直致力于W型发动机的研发，甚至将它用在 AVUS概念车上（虽然没有成 功）。最早他们曾经开发过 3列每列 4气缸的发动机，但是这种设计这种结构遇到了许多无法解 决的问题。有了 VR6发动机以后，许多问题就很好解决了，最终促使他们成功开发出W型发动 机。 W16发动机 就像W12一样，W16是建立在两个 VR8发动机的基础上的。当然，大众集团并没有开发过 VR8发动机，但这不影响W16的开发。与 VR6类似，VR8是由两列 4气缸的发动机以 15度的 夹角组成的，两个 VR8发动机再以 72度的夹角，构成W16发动机。 W8发动机 W8 发动机首先被装配在大众的帕萨特的 W8 上。就像 W 系列的其他成员一样，它的结构 与 W12和 W16相同，它比 W12发动机每列少一个气缸，有点类似半个 W16发动机。实际上， W8发动机是由两个 15度夹角的 VR4发动机以 72度的夹角组成的。 W18发动机 虽然同样称作W发动机，但是与其他W发动机不同，W18并不是由 VR发动机组成的。可 以相像，18是不能被 4整除的，所以 W18的结构不可能来源于 VR发动机。事实上，W18发动 机是来自于老款奥迪发动机的设计理念，它由三列围绕曲轴的 6缸发动机组成。由于没有采用 VR 发动机，这种结构的缺点：在这三列气缸中，有两列气缸形成的 V 字型夹角太大。如果按照 60 度的夹角设计，它的总跨度将达到 120 度。要知道，W16 发动机的总夹角不过曲曲 87 （15/2+72+15/2）度。正因为这样，W18发动机的宽度非常大。同样，由于W18是由三个 6缸发 动机构成的，它的长度也非常大，相当于一台直列 6缸发动机的长度，而相比之下，W16的长度 最多相当于一台直列 5缸发动机。