知识普及-大众VR6与W发动机技术解析
2014-04-19 13:50 艾森ECU升级(北京运营中心)
1.VR6型发动机
很多车迷都喜欢小钢炮——小型车安装大功率发动机，配合高性能的悬架调校和车身匹配，成为小型车里面性能最为出众的一类。我就非常喜欢这样的车，车身小带来的零活和随意是大车无法比拟的。而且这种车不张扬，外观与普通的大路货几乎一样，但是如果你想爆发你的激情的时候，它可以媲美准跑车的性能。我把这种车戏称作“披着羊皮的狼”。各大公司都有自己的小钢炮，而他们之间比拼的最核心的焦点，就是发动机。因为，在小钢炮里，动力不是靠发动机的排量就可以解决的。
普通的量产小型车（指A级或A级以下的车型）的发动机一般采用直列四缸排列，但是直列四缸发动机的动力往往有限，不能满足小钢炮的性能需求。
那是不是考虑选择安装6缸发动机呢？这同样会遇到问题。
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。所以设计师很难将一台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。
2.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。
（1）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。
（2）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。
（3）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。
3.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。
（1）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。
（2）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。
（3）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。
（4）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。
很多车迷都喜欢小钢炮——小型车安装大功率发动机，配合高性能的悬架调校和车身匹配，成为小型车里面性能最为出众的一类。我就非常喜欢这样的车，车身小带来的零活和随意是大车无法比拟的。而且这种车不张扬，外观与普通的大路货几乎一样，但是如果你想爆发你的激情的时候，它可以媲美准跑车的性能。我把这种车戏称作“披着羊皮的狼”。各大公司都有自己的小钢炮，而他们之间比拼的最核心的焦点，就是发动机。因为，在小钢炮里，动力不是靠发动机的排量就可以解决的。
普通的量产小型车（指A级或A级以下的车型）的发动机一般采用直列四缸排列，但是直列四缸发动机的动力往往有限，不能满足小钢炮的性能需求。
那是不是考虑选择安装6缸发动机呢？这同样会遇到问题。
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。所以设计师很难将一台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。
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：
2.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。
（1）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。
（2）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。
（3）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。
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?
3.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。
（1）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。
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。
（2）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。
（3）W8发动机
（4）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。
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