一般來說，我介紹的發動機都是外資主流發動機，對效能發動機的介紹較少。雖然我手上擁有雷克薩斯LS/LC的5。0L發動機/變速箱和謳歌NSX 3。5T發動機/變速箱的詳細資料，但是考慮到受眾較小，一直沒有寫。這次玩一個大的，跳過了主流品牌的旗艦發動機，直接寫目前民用機汽油內燃機的天頂星之一——

大眾集團旗下賓利用全新W12-TSI發動機

。

寫這個發動機的時候，我橫向對比了目前民用級大排量最高階的發動機，可以說，下圖的發動機系列代表了目前的行業的天花板。而且與現在主流家用發動機設計日趨同質化不同，高階發動機往往有錢任性，技術層面不考慮成本，產出了很多個性化的設計。

PS：這裡拋開了部分超跑比如布加迪的8.0L W16發動機，嚴格意義上說，那種級別發動機已經不算民用量產發動機了。

圖1 目前民用級大排量發動機彙總

圖2 賓利添越（我覺得品牌光環能夠扭曲設計審美。。。）

1 研發背景與目標

這款發動機之前，大眾集團曾在賓利上使用一款6。0T發動機，屬於緊湊型W12佈置，但是已經使用了13年，技術指標已經落後，油耗排放都無法達標。因此，隨著技術的發展，大眾整合了兩個雙渦管增壓系統、AVS技術的停缸控制和啟停系統技術、結合了奧迪的FSI缸內直噴技術和賓利的TMPI多點噴射技術，設計了全新TSI發動機。

該發動機主要的技術設計為：

全新燃燒模型：雙噴射系統，以達到歐6 stage2 和美國ULEV 125排放限值

–左側氣缸組停缸（AVS技術）：提高燃油經濟性

–兩個雙渦管增壓器：高響應性

–缸套APS塗層：增強了堅固性

–曲柄傳動最佳化：適應啟停系統

–可變機油泵與油路最佳化：適合各種複雜路況

–整合熱管理冷卻系統：提高經濟性，效能

–雙控制單元發動機管理系統

2 發動機硬體最佳化

該發動機是大眾集團最強大量產發動機，功率為467kW，扭矩為900Nm，

為了保證如此高效能下的質量和可靠性，對基礎發動機做了相當多的最佳化（圖3和表1）。

主要手段如下：

–鍛造麴軸採用感應淬火工藝

–裂口式連桿設計

–連桿和主軸承軸瓦重新設計

–缸套APS塗層

–改進汽缸體基礎結構

圖3 W12-TSI發動機效能引數

表1 W12-TSI發動機硬體規格

與小排量渦輪發動機不同，大排量渦輪發動機的熱負荷極高，往往受制於關鍵零部件的熱應力，導致效能下降，只要能夠抑制溫度就能夠壓榨效能。大眾在開發過程中成本的抑制了關鍵零部件的最高溫度，降低了10攝氏度。如圖4所示，在全負荷下，即使在高轉速下，溫升也趨於平緩，這是透過以下措施實現的：

–最佳化軸承材料，提高熱傳導效能

–將軸承間隙擴大到極限，以實現更高的機油流動提高散熱

–重新設計連桿幾何結構，使活塞力均勻分佈到連桿側的軸瓦中

–降低曲軸軸頸的凸面公差，避免區域性應力集中

圖4 軸承襯套溫度示意圖

3 全新雙噴射燃燒模型

雙噴射系統採用DI（缸內直噴）和MPI（多點電噴），其中DI最大噴射壓力為200bar（20MPa），MPI最大噴射壓力為6bar（0。6MPa），透過這種方式，確保排氣系統在不採用其他措施下能夠滿足歐6stage2和美國ULEV 125 法規要求。

與大眾旗下的EA888 gen3類似，實際工作會根據不同轉速、負荷以及溫度執行不同的噴射策略，如圖5所示為完全暖幾下的噴射map，在中低轉速負荷下，主要採用MPI噴射，DI為輔助，由於MPI噴射霧化時間長，更有利於燃油經濟性和尾氣排放（降低PN/PM）；隨著轉速負荷升高，DI為主，MPI為輔助，此模式能夠將燃燒溫度降低，利於發揮發動機效能（此工況的轉速和負荷在NEDC和WLTP下應用較少，對法規排放影響較低）。在冷啟動時，為了確保啟動的可靠性，只採用DI模式，當轉速上升到怠速轉速後，預熱階段發動機幾乎完全依靠MPI，能夠降低低溫下的顆粒物排放。

圖5 完全暖機階段下的噴射方式map（© Volkswagen）

將兩個高壓泵耦合在進氣凸輪軸側給DI提供壓力。在開發過程中，採用了光學發動機進行模擬測試，來模擬整個燃油系統的噴射過程，從而對油軌佈局進行微調，評估整個高壓油軌動態壓力分佈，保證了每個氣缸間噴油量的均勻分佈。

PS：一般L4發動機佈局簡單，此項工作透過控制軟體進行微調就可以了，比如1缸壓力大噴油量多，4缸壓力小噴油量少，那就在軟體上設定一個係數，比如1缸0.97，4缸1.03。而對於W12來說，工況複雜，軟體修修補補效果不佳，需要進行多維度的驗證。

DI噴油器採用鐳射鑽孔，其噴射方式，孔位根據佈局來設計；MPI噴油器位於DI噴油器上方，同樣其噴射方式和孔位根據佈局制定，如圖6所示，由於是W12佈局，單側有6個氣缸，因此還要區別長短佈局，也就是該發動機採用4套不同設計的噴油器。

DI還好，MPI模式下，長短進氣歧管佈局對燃燒有一定的影響，因此透過大量驗證，實現了精確均勻地分配氣缸中的燃油/空氣混合物效果。所有氣缸的燃燒特性相同，無論進氣口的長度佈局如何，都可能滿足相同的進氣量、相同的霧化水平、相同的溫度場。

PS：此項工作非常困難，行外人看描述覺得很簡單，實際是非常難的，沒有幾代產品迭代做不好的，比如說長短進氣歧管，他們的沿程阻力不同，相同進氣壓力下實際進氣量就不同，短的可能升功率高，長的可能升功率低；比如長短歧管下進氣溫度也會不同，燃燒時爆震點也不一樣，協同控制難度極大，不是想做就能做到的。

圖6 DI/MPI在不同氣缸佈置下噴射示意圖 （© Volkswagen）

考慮到進氣的難題，大眾集團利用自己研發的計算機輔助工程（Computer Aided Engineering， CAE）和汽車部件自最佳化（Automatic Motor Component Optimization， AMO）軟體，對進氣口的流量特性和充填效率進行最佳化。對進氣道建立引數化CAD模型，包括相關的限制因素與邊界條件，如水套、氣門彈簧支架等。對每個進氣道使用三維CFD（計算流體動力學）分析，對進氣道流場和燃燒室滾流比進行評估。幾何圖形的生成、網格劃分、計算和評估都是自動進行的，並由最佳化程式控制。

圖7以短進氣道為例，將計算出的αK值（流量係數）與tumble（滾流比）進行對比，從而選出滾流比高，流量係數大的最優解。比如原始狀態為圖中紅色方框，最優解為黑線，最終選擇了藍色圓圈的尺寸佈局作為最優解。

PS：流量係數決定進氣量的多少，決定發動機升功率的上限；滾流比決定燃燒速度的快慢，決定燃燒過程的熱效率。

圖7 進氣口變型示意圖（© Volkswagen）

由於發動機結構非常複雜，W12-TSI發動機控制單元採用兩套，利用主/從原理，具有更高的計算效能和擴充套件效能。為了適應四種噴油器的協同工作，以及相應的OBD診斷，大眾設計了一套全新的控制系統，透過優先順序協調單一模式和混合模式。同時，對排放最佳化、OBD法規要求以及保護功能進行了相應的權衡與評估。比如實時監測兩種燃油路徑狀態及其各自的比例。

這兩個控制單元控制大量的執行器和感測器，確保與車輛周圍環境的通訊。在W12-TSI中，它們具有2×196針的佈局，非常複雜，控制系統的電源也比傳統小型發動機要求更高，重要資料透過內部資料匯流排（Inter-SG-CAN）交換。

PS：小排量發動機和大排量發動機面對的難題是不一樣的，小排量注重如何發揮單缸的優勢，大排量多缸發動機對一致性要求非常高，兩者的KNOW HOW要求是不一樣的，目前中國只有一汽紅旗有該級別發動機的設計經驗。

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