V型發動機產品及技術發展綜述

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型發動機產品及技術發展綜述[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】為進一步促進我國V型發動機產品性能提升及核心技術發展，通過對寶馬、奔馳、奧迪及一汽紅旗等V型發動機產品研發情況的文獻資料進行歸納和總結，分析了其在燃燒組織、進排氣管理、高效增壓、燃油噴射及冷卻與潤滑等方面的技術發展變化；同時，結合雙碳任務需求提出了V型發動機產業及核心技術未來發展與布局方向。

關鍵詞：V型發動機；產品性能；技術進展；發展展望

中圖分類號：U463.46；U467.3? 文獻標志碼：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型發動機是用于豪華品牌車輛的高端發動機，也是車企技術先進性的一項重要標志[1]。V型發動機將氣缸分成2組，將相鄰氣缸以一定夾角布置在一起，從側面看氣缸呈V字形布置的發動機。這樣便于通過擴大氣缸直徑來提高排量和功率并適用于較高的氣缸數[2]?，F代汽車重視空氣動力學性能，要求汽車迎風面積越小越好，也就要求發動機艙越低越好，V型發動機在這方面優勢明顯。并且，如果將發動機長度縮短，能為乘員艙留出更大的空間，提高乘坐舒適性。此外，V型發動機氣缸對向布置，還可抵消一部分振動，使發動機運轉更平順[3]。但V型發動機的缺點是必須使用2個氣缸蓋，結構較為復雜、成本較高。另外，其寬度加大后，發動機兩側空間較小，不適合再布置其他裝置[4]。幾十年來，國內外主要豪華品牌汽車公司為了提高V型發動機的性能做了大量研發工作，并推出了多個系列產品[5]。

為推動我國V型發動機產品性能及技術的進步，通過對寶馬、奔馳、奧迪及一汽紅旗V型發動機產品及技術應用情況進行綜述，分析了其在燃燒組織、進排氣管理、高效增壓、燃油噴射及冷卻與潤滑等方面的技術發展現狀，并對低/零碳化、電動化汽車產業需求下的V型發動機未來發展進行展望，旨在為我國V型發動機產業發展及核心技術的布局方向提供指導和參考。

1 V型發動機產品及技術進展

1.1 寶馬V型發動機技術進展

20世紀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汽油發動機。2018年，通過不斷改進全可變氣門機構“VALVETRONIC”和渦輪增壓系統，新款V8發動機功率能夠達到390 kW[6]，圖1所示為寶馬V8發動機發展演變過程。同時，寶馬公司的7系M760Li型轎車一直匹配V12發動機，而且寶馬旗下勞斯萊斯品牌全系均為V12發動機[7]。此外，寶馬經典的V12發動機S70/2還裝配在邁凱倫F1賽車上，該發動機排量為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），最高轉速為7 600 r/min。目前，寶馬最新的V12發動機編號為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。這款發動機目前已裝配在M760Li xDrive 車型上。該款車型的0～100 km/h加速時間僅為3.7 s，最高時速可達305 km/h。

1.1.1 進、排氣系統技術特征

2008年以來，除了不斷推進全可變氣門機構“VALVETRONIC”應用外，寶馬公司對渦輪增壓系統也做出了重大改進，通過采用“Hot-V”增壓器布置方案，優化了寶馬V型發動機性能[8]。

廢氣渦輪增壓器經過完全重新設計和優化匹配，實現了發動機的性能目標，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系統組合應用，改善缸內廢氣率，同時改善了泵氣損失，降低了發動機燃油消耗。廢氣渦輪增壓器的廢氣旁通閥設計為一體式部件。

1.1.2 燃油供給和點火系統特征

為了滿足嚴格的排放法規，寶馬V8雙渦輪增壓發動機匹配中置燃油噴射系統，每個氣缸組均配備最新一代高壓燃油泵，使燃油噴射壓力高達35 MPa（前代車型：20 MPa），2個高壓燃油泵通過新設計的排氣凸輪軸驅動，如圖2所示。

寶馬V8汽油發動機采用新型點火系統，點火能量增加40%以上，點火電壓范圍增加30%以上，改善了燃料-空氣混合物的點火性能，這種增強的點火系統使得發動機的輸出扭矩也顯著增加[8]。

1.1.3 分體冷卻技術

為了減少發動機機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計技術中使用了分體式冷卻技術，如圖3所示。除了帶有集成排氣歧管的氣缸蓋外，在冷卻系統的設計中，為氣缸蓋和曲軸箱設計了可實現單獨冷卻的冷卻回路。集成在熱管理模塊中的電動分流冷卻閥能夠調節從氣缸流入曲軸箱的體積流量。根據不同的氣缸壁溫度，按需設置為零流量、3種中間流量或全流量[9]。

1.2 奔馳V型發動機技術進展

2015年，奔馳公司推出了2款4.0 L的V8發動機M177 LS1和M178，分別用于AMG C63和AMG GT車型。2016年，其發動機家族又增加了一個變體，用于AMG G系列的M176。后期，奔馳公司推出用于E級和S級的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]。隨著動力輸出的增加，該系列發動機也在AMG GTR跑車領域得到了進一步應用。2017年，奔馳公司推出了V12發動機，該發動機沖程增加了12.2 mm，最終排量達到7.3 L，發動機最大功率為386 kW，峰值扭矩為750 N·m。這款發動機隨后被意大利超級跑車制造商帕加尼購買并使用到Zonda系列跑車上。

1.2.1 機械氣門升程調節系統

為了降低泵氣損失，減少發動機的燃油消耗，奔馳公司開發了一種機械氣門升程調節系統（Camtronic），是戴姆勒集團CCT模塊化系統的一部分，結構如圖4所示。該系統可以通過執行器來操作進氣和排氣凸輪軸上的可移動凸輪實現停缸，通過停用V8發動機系列的氣缸組1的氣缸2和氣缸3以及氣缸組2的氣缸5和氣缸8實現，從而使得發動機在相同扭矩輸出下，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，重新設計了渦輪增壓器。針對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，響應良好的特點。為了實現雙渦輪增壓器的最佳運行，交替向每個渦輪提供排氣脈沖，并與指定的點火順序相結合。同時對排氣管進行了優化配對，以實現良好的響應及降低氣缸間的交叉影響[11]。

1.2.3 高滾流氣道

為了增加進氣道的流速，加快可燃混合物的形成，并在火花塞區域提供濃度適度的均勻混合氣，奔馳公司對進氣道端口的橫截面形狀進行了重新設計。設計的重點在于增加進氣滾流運動以及在點火區域的滾流破碎，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荷時殘余廢氣的容忍度，允許更高的內部廢氣再循環，有助于減少節流效應，降低油耗[11]。

1.2.4 燃燒系統

奔馳V8發動機采用了Mercedes-Benz BlueDIRECT燃燒系統，結合多火花點火、壓電噴油器（位于燃燒室中央），以滿足噴霧引導系統在油耗、排放和燃燒穩定性方面的要求。燃油噴射系統使用了外開式Bosch HDEV4.2壓電式噴油器，其特點是噴射穩定性高，混合物形成良好。

1.2.5 NVH系統優化

為了滿足豪華轎車的噪聲和振動舒適度要求，對多個部件進行了NVH優化。利用一個專門設計的聲學發動機罩來控制向上的噪聲輻射。通過使用貼近發動機的復合材料油底殼罩，進一步改善了噪聲輻射。還對高壓燃油泵、進氣系統和渦輪增壓器采取了NVH措施，具體結構如圖7所示[11]。

1.3 奧迪V型發動機技術進展

2016年，奧迪在RS5車型中使用了新款3.0 L排量的V6 TFSI發動機，該發動機具有2個渦輪增壓器，可實現更短的氣體流道和更快的響應能力，在1 900～5 000 r/min的轉速范圍內可以輸出600 N·m的扭矩[12]。2019年，奧迪推出了搭載電動壓氣機（Electrically Powered Compressor，EPC）的新款3.0 L V6 TDI Gen.3，該發動機輸出功率為257 kW，最大扭矩為700 N·m。其結合了單級廢氣渦輪增壓、電動壓氣機以及48 V輕度混合動力系統，使整個轉速范圍內的動力響應更加快速，性能滿足新的WLTP和RDE測試循環許可條件以及EU 6d TEMP排放標準[13]。

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

1.3.1 HSI技術與雙渦輪增壓技術

為了獲得更好的扭矩性能以及出色的動態響應能力，奧迪3.0 L V6 TFSI EA839發動機采用了HSI（Hot Side Inside）設計和雙渦輪增壓技術[15]，如圖8所示。HSI技術的特點是氣缸蓋具有一體式的排氣歧管（Integral Exhaust Manifold，IEM），氣缸蓋的進氣口呈現喇叭形狀且進氣歧管在氣缸蓋的外側，這種設計的主要目的是使進氣路徑最短。為了實現動態增壓壓力的快速建立，配備了雙渦輪增壓技術。渦輪增壓器安裝在氣缸V型布置夾角內，與IEM技術相結合能夠實現縮短排氣路徑、降低流量損失的目的。渦輪增壓器上的2個廢氣旁通閥能夠實現增壓壓力可調和催化轉化器的快速預熱。

1.3.2 燃油噴射系統

為了提高發動機效率，3.0L V6 TFSI發動機在進氣側使用了奧迪可變氣門控制系統實現米勒（Miller）循環，結合中間布置的噴油器能夠在小負荷下產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燃燒室內部流動的影響。噴油器的中心布置還可給進氣側騰出更多的空間，有助于開發出更佳的燃燒室形狀來彌補小氣門升程的弊端[15]。

為在低速行駛工況下改善混合氣的形成以及滿足EU6排放標準中的顆粒物限制，V10發動機在直噴系統中配備了進氣道燃油噴射系統。為了保證兩個噴射系統獨立運行，即使在氣道噴射模式下，高壓泵也要保持燃油循環，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

為降低油耗并優化暖機過程，V6 TFSI 發動機采用了新型的熱管理系統，如圖9所示[15]。水泵布置在發動機缸體前端，帶有離合器，由V形皮帶驅動。冷卻液由發動機中部向左右兩側分配到發動機缸體和氣缸蓋的冷卻回路中。渦輪增壓器、機油冷卻器和乘員艙加熱由氣缸蓋冷卻回路作為熱源。通過發動機缸體的冷卻液流量不超過總冷卻液流量的25%，節溫器采用低流阻電加熱節溫器。在部分負荷運行中，采用105 ℃的最佳水溫。在冷起動時，通過關閉水泵，使冷卻液停止循環，在此階段，熱交換器通過將油與水側隔離來加速機油預熱。在暖機階段，熱量流經IEM，氣缸蓋中的冷卻液工作溫度可更快達到要求。當發動機達到設定的工作溫度，缸體開關閥就會打開，冷卻液再流過缸蓋和發動機缸體。

1.3.4 電動壓氣機

為滿足嚴格的排放要求，實現良好的動力性和經濟性，3.0L V6 TDI Gen.3采用了單級廢氣渦輪增壓和電動壓氣機技術[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動機左側至車載增壓空氣冷卻器的管道。冷卻的增壓空氣根據所需的動態響應通過一個節流閥流向EPC或者發動機。如果在起動和加速時請求EPC的支持，則閥門關閉直接流向發動機的氣流，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氣歧管流向氣缸。通過EPC的使用，最大空氣質量流量提高，不僅直接增加了發動機最大扭矩，渦輪增壓器的壓力建立速度也大大加快，提前達到最大進氣壓力，發動機扭矩攀升率顯著增加。

1.3.5 進排氣系統

為增加進氣流量并保持較低的進氣壓力損失，奧迪V10發動機采用了雙側獨立的進氣系統，并優化了車身結構內的原始空氣管道。為進一步提升性能，優化了進、排氣門升程曲線，并將進氣道長度減少了10 mm。在排氣側，燃燒室設計了導向結構，使排氣更流暢，這也有助于減少換氣過程中的節流損失，降低殘余廢氣系數[18]，如圖11所示。

1.4 其他V型發動機技術進展

豐田公司曾推出一款排量為5.0 L的V12發動機（1GZ-FE），應用在1997～2017年生產的第二代豐田世紀車型上。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發動機，該發動機專為凱迪拉克CT6 V-Sport頂級轎車使用[19]。

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

2 一汽紅旗V型發動機關鍵技術與產品發展

2.1 紅旗V型發動機產品發展

為填補國內高端V型發動機的產品空白，一汽紅旗在國內率先開展了相關產品和技術研發工作。經過多年的努力，目前形成了三代V型6缸、V型8缸、V型12缸3個基礎平臺產品，排量覆蓋3.0～6.0 L，支撐了紅旗高級、豪華、禮賓等6款頂級車型產品。圖12所示為一汽紅旗主要V型發動機產品譜系。

圍繞V型發動機動力性、排放性、安全性及舒適性等高端目標定位，一汽紅旗突破了多項關鍵核心技術，全新V型發動機升功率超過120 kW/L，升扭矩超過230 N·m/L，且熱效率達到39.02%，達到了國際領先水平。表1所示為紅旗三代V型發動機的主要技術配置。圖13所示為紅旗V型發動機與其他品牌發動機性能對比。

2.2 進、排氣系統技術進展

高動力性是高端V型發動機的重要技術指標，紅旗發動機創新采用高分離雙流道增壓器、非對稱交叉排氣歧管、短進氣道與小氣門夾角極限設計、低阻力文丘里氣門座圈技術及高滾流與高流通能力進氣道構型設計，如圖14、圖15所示，實現了V型米勒循環發動機1 800 kg/h超高氣流量和120 kW/L超大升功率的目標需求。

同時，針對V型發動機點火間隔不均勻導致的各缸換氣差異問題，采用了單缸負荷控制方案，設計了非均勻進排氣型線，協同各缸的進氣量、空燃比、殘余廢氣系數及燃燒狀態等，使各缸之間的負荷差異顯著降低。如圖16所示，通過一致性設計優化，方案二使各缸負荷差異顯著改善，提高了發動機NVH水平。

2.3 燃油供給與噴射系統技術進展

V型機高功率需求必然會使燃油噴射量增大，易于誘發油-氣混合不均勻及噴霧碰壁問題，紅旗發動機采用了35 MPa高壓噴射，并創新設計了非均勻噴油孔徑與錐角的油-氣混合技術，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個部分，頭部噴孔采用小孔徑設計，肩部噴孔采用大孔徑設計，腰部噴孔為小孔徑，尾部噴孔為大孔徑，調節整體噴油器流量。

2.4 結構設計及制造技術進展

高動力V型發動機結構強度設計極為困難和復雜，一方面高動力需求對發動機缸體、缸蓋等的強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定位高強度高剛度設計方案，依據缸體砂型鑄造生產的順序凝固特點，采用冷鐵進行分區性能強化。并且，針對缸體鑄造砂芯產氣量大易導致氣孔類缺陷問題，創新研發出無溫差整體制芯技術，降低了砂芯的含氣量，顯著改善了鑄件質量。圖18所示為新舊V型發動機缸體表面質量對比。

同時，針對V型機普遍存在的缸體、缸蓋等關鍵部件熱負荷偏高的行業難題，采用了基于階梯換熱理論的環繞式缸體水套和寬域缸間冷卻結構，實現了高動力發動機缸體分區精準冷卻。并且，采用了多流道量化可調一體式全橫流氣缸蓋冷卻水套技術，通過結構設計實現冷卻液流量和流速的“按需分配”，實現了氣缸蓋水套的小體積、高流速、全橫流強化冷卻。

2.5 電控系統技術進展

長期以來，電控系統開發是我國發動機開發領域的薄弱環節，為提高V型發動機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）聯控架構，如圖19所示，針對缸間做功不均衡難題設計了缸點火修正與噴油修正策略；同時，構建了以1/2缸斷缸效率為單元的多級扭矩速降技術，進一步提升了扭矩控制精度。

3 結論與展望

作為豪華汽車品牌的主要標志，寶馬、奔馳、奧迪、一汽紅旗等國內外重要汽車廠商均長期將V型發動機視為核心關鍵產品，并基于發動機燃燒、增壓、換氣、混合氣形成及冷卻與潤滑等方面的持續優化改進，實現發動機性能水平的不斷提升和進步。為推動我國自主V型發動機產品性能的進一步提升，相關發動機本體優化技術仍需進一步精細化發展。

面向碳達峰、碳中和全球性任務，V型發動機若想延續其技術引領和領導地位，需要加快在低/零碳化道路上的進步與發展，積極推進其關鍵部件電動化、動力系統混動化及低/零碳燃料替代應用化的發展，實現V型發動機更加高效與低/零碳化運轉工作。

本文主要綜述了V型發動機本體性能提升相關的燃燒系統優化、缸內氣流運動組織、燃油噴射及高效冷區與潤滑等方面的技術發展情況。針對整機排放控制技術、關鍵部件電動化技術及動力系統整體混動化技術等方面的論述不足，今后將進一步進行相關方面的歸納總結與補充。

參 考 文 獻

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（責任編輯 明慧）