汽車江湖| 寶馬汽車的獨門絕技

作為「德系」豪華車三巨頭之一,寶馬自然稱得上的汽車江湖上的頂尖高手,一身武功深不可測。

寶馬的武功走的是飄逸輕靈的路數,追求速度感和駕駛樂趣,江湖有言:「坐賓士,開寶馬」就是最好的明證。

內功——發動機

寶馬最初就是依靠生產發動機起家的,BMW 就是「巴伐利亞發動機廠」的縮寫。因此,發動機技術堪稱是寶馬的看家絕技!

VALVETRONIC 電子氣門

早在2001 年,寶馬便全面採用了可變電子氣門(VALVETRONIC) 控制,這項令人矚目的技術進一步減少了在日常駕駛條件時的耗油量。VALVETRONIC又被稱為「無節氣門負荷管理系統」,它省卻了傳統的節氣門結構,如今已經在寶馬發動機系列中得到廣泛使用。從節氣門到電子氣門的進步,不亞於從化油器到電噴技術的革命。

個人認為,VALVETRONIC 技術堪稱寶馬最牛的獨門技術。VALVETRONIC 控制系統是在雙凸輪軸可變氣門正時系統(Double VANOS)基礎上發展而來的。Double VANOS 只能調節氣門的正時,也就是氣門的開閉時間,但不能對氣門的升程進行調節。在增加了可以無級調節氣門升程的功能後,VALVETRONIC 便應運而生。

▲帶VALVETRONIC電子氣門的寶馬4.0升V8汽油發動機結構

在Double VANOS 的基礎上,利用一個伺服電動機來控制一個偏心軸,它們之間實現一個由轉速到角度的轉換,從而可以使偏心軸更精確地轉動,再由它控制一個異形中間臂,中間臂的運行軌跡同時受凸輪軸運動的影響。這個中間臂再帶動進氣門搖臂動作,從而實現對進氣門的無級調節。當駕駛人踩加速踏板時,伺服電動機便會根據所收集的信號適當運轉,然後驅動偏心軸、異形中間臂、可變正時凸輪軸和氣門搖臂,對進氣門的正時和升程進行無級調節。

▲寶馬V12汽油發動機凸輪軸和電子氣門系統原理

正是由於VALVETRONIC可以無級調節氣門的正時和升程,因此它可以精確地反映駕駛人踩加速踏板的信息,並可以據此控制燃油的噴射量,這樣一來,原來的節氣門也就顯得多餘了。因此,現在採用VALVETRONIC 的寶馬發動機上的節氣門在正常工況下一直處於全開模式,其功能完全由VALVETRONIC 代替,並因此使發動機燃油經濟性提高10%,而且使動力響應更加迅速。

▲寶馬VALVETRONIC電子氣門工作原理示意圖特點

其他品牌的可變氣門技術一般都是有級調節的,只能分「高速」和「低速」兩種情況對氣門正時或升程進行有級調節。而寶馬的VALVETRONIC 系統可無級調節氣門的正時和升程,不僅能夠「時時刻刻」使燃燒效率達到最佳狀態,而且還因此省去了用來控制進氣量的節氣門結構。

▲寶馬VALVETRONIC的工作原理和構造圖

由於發動機得以完全獨立地對控制燃燒過程所需的進氣量進行調節,而不再像以往那樣受「無效」進氣量的影響,不需要節氣門的間接控制,不需要等進氣充滿進氣歧管後才讓空氣進入氣缸,而是直接由氣門開啟的深度來決定進氣量和噴油量,因此發動機的動力反應更加迅猛。據稱,氣門開度從最深(9.5 毫米)到最淺(0.2毫米) 的整體變化可在0.3 秒內完成。

單渦輪雙渦管增壓技術

寶馬在2006 年重新採用渦輪增壓技術時,一開始就採用雙渦輪增壓技術(Twin

Turbo),它是將所有氣缸分成兩組,每組分別使用一個獨立的渦輪增壓器增壓。

但這兩個渦輪增壓器並不一定完全一樣,而是一大一小配合工作。因為較小的渦輪增壓器具有慣量較低的優點,這樣它在僅高於怠速的較低發動機轉速下就可起動。而在較高發動機轉速下,較大的渦輪增壓器才開始工作,以讓發動機產生更加強勁的動力。得益於這樣的配置,寶馬的雙渦輪增壓器的反應遲滯現象較小,而且最大轉矩來得早,即使在駕駛人僅輕微地踩下加速踏板時也可產生顯著的推力和動力。

▲寶馬V8雙渦輪增壓發動機

然而隨著渦輪增壓技術的進步和直噴技術的突破,柴油發動機上的高壓共軌直噴和渦輪增壓等技術在汽油發動機上的應用越來越常見。

從2009 年起,寶馬開始在3.0 升的直列6 缸發動機上棄用雙渦輪增壓方式,而是改用一種稱為單渦輪雙渦管的增壓器,並將其名稱由Twin Turbo 改為TwinPower Turbo,也稱雙渦流增壓技術(Twin Scroll TurboCharger)。

現在單渦輪雙渦管增壓技術已普及應用到寶馬的4 缸發動機上。

▲寶馬3.0升直列6缸Twin Power Turbo 汽油發動機結構

寶馬最新的汽油機渦輪增壓系統採用了單渦輪雙渦管原理設計。在直列6 缸3.0 升發動機上,三缸一組,每組在排氣歧管和渦輪增壓器中都有單獨的氣道,兩組廢氣共同吹動同一個渦輪旋轉,驅動進氣渦輪對進入到氣缸中的空氣進行壓縮。

▲寶馬3.0升直列六缸TwinPower Turbo汽油發動機

特點:動力高潮來得快,持續時間長

與原來採用雙渦輪增壓器相比,現在採用單渦輪雙渦管增壓的3.0 升直列6 缸發動機最大轉矩來得更早、衰減更慢。比如,原來配備在寶馬740Li 上的3.0 升直列6 缸雙渦輪增壓汽油發動機,在1500~4500 轉/ 分時渦輪介入工作,最大轉矩達到450 牛·米。而現在改為單渦輪雙渦管後,最大轉矩的轉速範圍擴展為1200~5000 轉/分,但最大轉矩值卻降為400 牛·米,最大功率值也由原來的240 千瓦變為225 千瓦。

▲單渦輪雙渦管增壓器構造示意圖

高精度燃油缸內直噴

寶馬的燃油缸內直噴技術稱為「高精度燃油缸內直噴(High Precision Injection)」,並且已發展到了第二代,它能夠最大限度地優化燃燒過程以及提升燃油中所蘊含能量的使用效率。現在幾乎所有的寶馬發動機上都採用了燃油缸內直噴技術。

結構

普通汽油發動機的噴油器都安裝在進氣歧管附近,將燃油噴入進氣歧管,與空氣混合後再進入氣缸。而缸內直噴技術則是將噴油器直接插入氣缸,像柴油機那樣直接將燃油噴入氣缸。但安裝噴油器的位置則有所不同,奧迪和大眾等都是將噴油器安置在氣缸側面,以一定角度將燃油噴入氣缸。而寶馬的直噴發動機的壓電式噴油器位於氣缸蓋上氣門之間的部位,緊鄰火花塞,幾乎垂直地將燃油噴入氣缸中,可以在更寬廣的工況下實現稀薄燃燒。

特點:將噴油器安置在氣門中間位置

儘管氣缸蓋的空間有限,但寶馬還是成功地將壓電式噴油器安置在氣門之間,非常接近火花塞。與此同時,噴油器的設計和製造使得噴油器能夠承受此處產生的高溫高壓。氣缸蓋上的高壓油泵通過燃油箱中的電動油泵根據需要供油,也就是在任何特定條件下都根據需要才開始工作。共軌條件下,噴油器使用高壓油泵產生的20 兆帕油壓將燃油噴入燃燒室,噴油器針閥非常快速和一致地響應噴射脈衝信號。該噴射脈衝信號由專門研製的發動機控制單元電路傳輸。另一亮點是與傳統的電磁閥相反,在每個工作行程中壓電式噴油器可發生高達6 次的燃油噴射。

與其他燃油直噴技術不同,將噴油器安置在氣門之間的方式可確保在火花塞附近更快和更有效地形成油氣混合氣,這個過程不存在因燃油附著在氣缸壁上而造成的額外損失。這樣可使具有稀燃運轉特點的氣缸分層充氣達到了更準確的理想狀況,在燃燒室內形成具有不同油氣混合氣比率的多層區域。此過程中,燃料在混合氣中的濃度隨著與火花塞之間的距離增大而逐漸降低,為了達到最高效率,僅將富含燃料且容易點燃的油氣混合氣保持在火花塞附近。濃混合氣點燃後,離火花塞較遠的稀燃氣層也會平穩、徹底和穩定地燃燒。

原理

在寶馬汽油發動機上由不鏽鋼製成的燃油管路向壓電式噴油器輸送燃油,壓電式噴油器再以高達20 兆帕的壓力將精細霧化的燃油噴射到燃燒室內。壓電式噴油器噴出的霧化燃油呈圓錐分布狀態,因此燃燒過程非常流暢、清潔。與傳統的進氣歧管燃油噴射系統相比,將燃油直接噴入燃燒室有助於使渦輪增壓發動機實現更高的壓縮比,並且提升發動機的排放和聲音表現以及油氣混合氣的冷卻效果。而最重要的優越性則是使發動機能夠在耗油量更低的情況下達到更高的動力水平,進而使燃油經濟性得到進一步提升。

永恆經典——寶馬三大發動機技術合成體N55!

▲寶馬直列6缸發動機曲軸和活塞等機構

很難想像一款發動機同時擁有電子氣門技術、單渦輪雙渦管增壓技術和高精度燃油缸內直噴技術這三大寶馬最引以為傲的發動機技術會是一個什麼樣的情況!恐怕就如同《倚天屠龍記》里兼具九陽神功、乾坤大挪移和九陰真經三大神功的張無忌一樣讓人感到興奮和震撼吧。

而這樣的終極造物終將來到!

2010 年,集寶馬發動機技術於一身的一款終極發動機N55 發動機問世了,想像不出來它還有哪些地方需要改進,也看不到還有寶馬的哪些高科技沒有應用其上。與前代相比,它首先將雙渦輪增壓改成了單渦輪雙渦管技術,並將VALVETRONIC 電子氣門技術回歸,加上已經成熟的缸內直噴技術,它將寶馬發動機的這三大技術都集於一身,從而使寶馬的經典直列6 缸發動機又進入了巔峰狀態。雖然少了一個渦輪增壓器,但是在功率和轉矩上並沒有什麼損失,同時雙渦管技術的應用,使渦輪在發動機1200 轉/ 分時就開始介入,一直可以持續到5000 轉/ 分,使其擁有更為迅捷的加速響應。

▲寶馬3.0升直列6缸汽油發動機外特性曲線為什麼說直列6 缸發動機是寶馬的經典發動機?

  • 首先,現在可能只有寶馬在轎車上使用直列6 缸發動機,而其他汽車廠商基本都是採用V型6 缸發動機。因此,直列6缸發動機已成寶馬發動機的主要特色之一,尤其是廣泛應用於各車型的3.0升直列6缸發動機,更是經典中的經典。

  • 其次,直列6缸發動機的動平衡特性最佳,在常見的汽車氣缸排列形式中,從理論上講,直列6 缸是平衡性最佳的氣缸排列形式。因此,直列6缸發動機的振動較小,靜音效果最佳。據稱在運轉的寶馬直列6 缸發動機上可以立放一枚硬幣而不倒。

  • 第三,寶馬3.0 升直列6缸發動機是技術含量最高的寶馬發動機,寶馬的最新發動機技術往往都是率先在此款發動機上採用。寶馬在發動機上最拿手的VALVETRONIC電子氣門、高精度燃油直噴、渦輪增壓三大技術,第一次會師就是在3.0 升直列6 缸發動機上。

  • 第四,從性能指標上看,寶馬3.0 升直列6 缸發動機最大功率高達225 千瓦(306 馬力),1200~5000 轉/ 分均可提供400 牛·米的最大轉矩。

  • 第五,寶馬的直列6 缸發動機更是多次獲得「世界年度發動機」稱號,並被廣泛應用在寶馬的幾乎所有車繫上,已成為寶馬動力的金字招牌。

  • 輕功——底盤

    寶馬是以駕駛樂趣打天下的,而汽車的駕駛樂趣主要取決於底盤功夫。底盤的結構設計、技術含量和性能調校,都直接影響和決定一款車的操控性能或運動性能。在底盤上,寶馬有許多自己的獨到之處。

    xDrive全時四驅系統

    結構

    寶馬xDrive 在不同車型上具有不同的結構,但它們都有個共同結構,就是都採用電子控制的多片離合器。伺服電動機根據收集來的行駛和操作信息進行適度的旋轉,並可以通過一個壓板按壓多片離合器,從而改變分配給前軸和後軸的驅動力。不同的是,在不同車型上向前軸傳遞動力的方式不太一樣,在X5 和X6 上採用齒輪傳動向前軸傳遞動力,而在X3 上則採用鋼鏈傳動。

    原理

    寶馬xDrive 屬於全時四驅系統,當車輛在正常條件下起步時,多片式離合器保持接合,寶馬xDrive 以40:60 的比例向前、後橋分配動力,以體現寶馬汽車後輪驅動的特性。在運行中xDrive 用感測器不斷監測車輪的滑轉情況,一旦發現有車輪打滑,寶馬xDrive 能夠在0.1 秒內完成驅動力分配的調節。在必要時,驅動力分配可以發生顯著的變化:根據不同的需要,驅動轉矩在前、後橋之間的分配比可以在0:100 至50:50 的範圍內連續變化。

    特點

    xDrive 一直在不斷改進中,隨著電子技術的進步,最新的xDrive 在DSC 系統的幫助下,可在車輪開始滑轉之前提前發出響應。因此,車輛甚至可在駕駛人意識到需要採取行動之前得以穩定。

    IV型一體多連桿懸架後橋

    新一代寶馬 X5 上採用的IV 型一體式多連桿獨立懸架後橋是一項獲得專利的寶馬技術,它通過車輪支撐裝置、副車架和四個橫向連桿,控制分配到懸架的負荷和驅動力,這種結構對於提升車輛的駕駛動感和駕乘舒適性均極為有益。這種設計減小了作用在車輪支撐上的任何彈性應力, 同時, 柔性擺臂支架還提供了非常合適的縱向車輪導向力,這種導向力對於實現出色的防側傾舒適性起著至關重要的作用。

    此外,無論新一代寶馬 X5 的負載情況如何,後橋上的空氣彈簧都能夠通過水平高度自調系統,使車輛在行駛過程中始終保持合適的高度和駕駛特性。

    車身自動調平技術

    空氣懸架不僅可以調節阻尼係數(軟硬度),而且還具有調節高度的功能。寶馬7 系和新X5上裝備的後橋空氣懸架,就利用空氣懸架的這個功能,可以使車身自動調平,從而在所有駕駛與負載條件下,都能保持車輛的行駛高度不變。車輛的負載即使發生最輕微的變化,空氣懸架也能立即發現並抵消各個車輪上不同負載狀況的影響,進而使懸架盡量不需要通過後續的控制動作,來應對路面顛簸或轉彎時車身側傾所引起的響應。在後輪胎壓力缺失的情況下,空氣懸架還能夠代替受損的車輪承受負載,進而抵消因輪胎壓力下降而導致行駛過程中車身高度的變動。

    50:50前後配重比

    所謂50:50 前後配重比,是指當車輛空載、前排坐一人或兩人時,前軸和後軸

    的載荷相等。寶馬一直以50:50 的前後軸荷比而驕傲,不論是跑車、轎車還是SUV,都能做到前軸荷和後軸荷基本相等。

    前後軸荷比相等的設計好處多多,主要還是利於提高車輛過彎時的操控性能和速度極限。因此,汽車設計師們都想做到前後軸荷比為50:50,但由於大多數轎車都採用前置發動機、前輪驅動,無論如何設計,其結果都是前重後輕一頭沉。雖然也有一些豪華汽車採用和寶馬一樣的前置發動機、後輪驅動,但在前後軸荷分配上很難做到真正的50:50,只能是接近這個比值。

    我曾觀賞過寶馬所做的一個真車平衡實驗。一人駕駛一輛空載寶馬汽車過一個蹺蹺板,事先在車身側面兩軸中間位置貼一個標記,當這個標記處於蹺蹺板的中間位置時,蹺蹺板處於兩端平衡狀態。這說明這輛寶馬車在只有一名駕駛人的情況下,它的前後軸荷達到了完全的50:50 平衡。由於駕駛座基本位於兩軸的正中間,即使前排坐上兩人,也一樣能保持前後50:50 平衡。

    原理

    寶馬汽車要麼採用前置發動機、後輪驅動,要麼採用前置發動機、四輪驅動,這樣的布置方式雖然比前置發動機、前輪驅動更有利於達到前後軸荷平衡,但由於發動機和變速器都在車前部,按照常理,車前部的重量仍要比後部重得多。但寶馬的設計師是怎樣做到前後軸荷50:50 平衡呢?其原理無非是盡量將前軸的載荷往後軸移。

    1)採用短前懸、長軸距設計,也就是盡量讓前軸往前放,盡量減輕前軸的負荷。

    2)發動機盡量往前軸後方放置,讓駕駛室盡量靠後,因此,寶馬汽車的前發動機蓋都比較長,尤其是配備直列6 缸發動機時,更容易將發動機重量往後放置,這可能是寶馬一直採用直列6 缸發動機的主要原因之一。

    3)採用鎂鋁合金等輕量化技術減輕發動機的重量,相當於減輕前軸的配重。

    4)將前懸架採用重量較輕的鋁材製造,可以減輕前軸的負擔。

    5)將駕駛室盡量後移,以增加後軸的載荷。

    外門功夫

    車身輕量化

    ▲寶馬3系轎跑車使用塑料前翼子板

    ▲在1939年生產的328「Mille Miglia」賽車上就開始採用管狀的空間骨架,以減輕車身重量,因此,這輛車被稱為寶馬輕量化車身的先鋒。

    碳纖維車身

    ▲碳纖維車身

    2011年,BMW正式發布出行新紀元的BMW i子品牌,車身使用輕重量、高強度的碳纖維增強複合材料製造,預示著豪華汽車將進入「碳纖維」時代。如今,全新BMW 7系基於BMW i的碳纖維車身科技打造了Carbon Core高強度碳纖維內核,使得面向未來的碳纖維科技擴展至BMW品牌核心車型上。

    碳纖維生產的起點是從石油中提取的一種名為聚丙烯腈的白色纖維。在經過高達1300℃的高溫和在多種壓力條件下的複雜工藝處理後,其中纖維的各種構成要素會通過氣化被逐一剔除,最終只留下幾乎純碳組成並具有穩定的石墨結構的7 微米的纖維。僅7 微米的纖維直徑相當於人類頭髮直徑的十分之一。由於純碳是黑色的,因此碳纖維絲也呈黑色。之後再將約5 萬根這樣的單絲捆綁成所謂的粗紗或纖維束,之後再將纖維束加工成特殊的纖維織物。

    ▲碳纖維原料和預成型

    碳纖維增強複合材料有著絕佳的物理特性:比鋁輕30%、比鋼輕50%,強度卻是鋼的7至9倍,最早用於航空、航天、軍工等科技高精尖領域。在全新BMW 7系的車體框架中,碳纖維增強複合材料被用於加固車頂橫樑結構以及B柱和C柱、底部側圍、中央通道和後部支撐。相比上一代車型,全新BMW 7系最大減重達130公斤。

    ▲精加工修整

    結語:

    寶馬汽車作為底蘊深厚的名門正派,其獨門絕技當然不止這些!

    篇幅有限,更多的

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    作者:陳新亞 編著