一般来说，我介绍的发动机都是外资主流发动机，对性能发动机的介绍较少。虽然我手上拥有雷克萨斯LS/LC的5.0L发动机/变速箱和讴歌NSX 3.5T发动机/变速箱的详细资料，但是考虑到受众较小，一直没有写。这次玩一个大的，跳过了主流品牌的旗舰发动机，直接写目前民用机汽油内燃机的天顶星之一——大众集团旗下宾利用全新W12-TSI发动机。
写这个发动机的时候，我横向对比了目前民用级大排量最高端的发动机，可以说，下图的发动机系列代表了目前的行业的天花板。而且与现在主流家用发动机设计日趋同质化不同，高端发动机往往有钱任性，技术层面不考虑成本，产出了很多个性化的设计。
PS：这里抛开了部分超跑比如布加迪的8.0L W16发动机，严格意义上说，那种级别发动机已经不算民用量产发动机了。
图1 目前民用级大排量发动机汇总
图2 宾利添越（我觉得品牌光环能够扭曲设计审美。。。）
1 研发背景与目标这款发动机之前，大众集团曾在宾利上使用一款6.0T发动机，属于紧凑型W12布置，但是已经使用了13年，技术指标已经落后，油耗排放都无法达标。因此，随着技术的发展，大众整合了两个双涡管增压系统、AVS技术的停缸控制和启停系统技术、结合了奥迪的FSI缸内直喷技术和宾利的TMPI多点喷射技术，设计了全新TSI发动机。
该发动机主要的技术设计为：
全新燃烧模型：双喷射系统，以达到欧6 stage2 和美国ULEV 125排放限值
–左侧气缸组停缸（AVS技术）：提高燃油经济性
–两个双涡管增压器：高响应性
–缸套APS涂层：增强了坚固性
–曲柄传动优化：适应启停系统
–可变机油泵与油路优化：适合各种复杂路况
–集成热管理冷却系统：提高经济性，性能
–双控制单元发动机管理系统
2 发动机硬件优化该发动机是大众集团最强大量产发动机，功率为467kW，扭矩为900Nm，为了保证如此高性能下的质量和可靠性，对基础发动机做了相当多的优化（图3和表1）。
主要手段如下：
–锻造曲轴采用感应淬火工艺
–裂口式连杆设计
–连杆和主轴承轴瓦重新设计
–缸套APS涂层
–改进汽缸体基础结构
图3 W12-TSI发动机性能参数
表1 W12-TSI发动机硬件规格
与小排量涡轮发动机不同，大排量涡轮发动机的热负荷极高，往往受制于关键零部件的热应力，导致性能下降，只要能够抑制温度就能够压榨性能。大众在开发过程中成本的抑制了关键零部件的最高温度，降低了10摄氏度。如图4所示，在全负荷下，即使在高转速下，温升也趋于平缓，这是通过以下措施实现的：
–优化轴承材料，提高热传导性能
–将轴承间隙扩大到极限，以实现更高的机油流动提高散热
–重新设计连杆几何结构，使活塞力均匀分布到连杆侧的轴瓦中
–降低曲轴轴颈的凸面公差，避免局部应力集中
图4 轴承衬套温度示意图
3 全新双喷射燃烧模型双喷射系统采用DI（缸内直喷）和MPI（多点电喷），其中DI最大喷射压力为200bar（20MPa），MPI最大喷射压力为6bar（0.6MPa），通过这种方式，确保排气系统在不采用其他措施下能够满足欧6stage2和美国ULEV 125 法规要求。
与大众旗下的EA888 gen3类似，实际工作会根据不同转速、负荷以及温度执行不同的喷射策略，如图5所示为完全暖几下的喷射map，在中低转速负荷下，主要采用MPI喷射，DI为辅助，由于MPI喷射雾化时间长，更有利于燃油经济性和尾气排放（降低PN/PM）；随着转速负荷升高，DI为主，MPI为辅助，此模式能够将燃烧温度降低，利于发挥发动机性能（此工况的转速和负荷在NEDC和WLTP下应用较少，对法规排放影响较低）。在冷启动时，为了确保启动的可靠性，只采用DI模式，当转速上升到怠速转速后，预热阶段发动机几乎完全依靠MPI，能够降低低温下的颗粒物排放。
图5 完全暖机阶段下的喷射方式map(© Volkswagen)
将两个高压泵耦合在进气凸轮轴侧给DI提供压力。在开发过程中，采用了光学发动机进行仿真测试，来模拟整个燃油系统的喷射过程，从而对油轨布局进行微调，评估整个高压油轨动态压力分布，保证了每个气缸间喷油量的均匀分布。
PS：一般L4发动机布局简单，此项工作通过控制软件进行微调就可以了，比如1缸压力大喷油量多，4缸压力小喷油量少，那就在软件上设定一个系数，比如1缸0.97，4缸1.03。而对于W12来说，工况复杂，软件修修补补效果不佳，需要进行多维度的验证。
DI喷油器采用激光钻孔，其喷射方式，孔位根据布局来设计；MPI喷油器位于DI喷油器上方，同样其喷射方式和孔位根据布局制定，如图6所示，由于是W12布局，单侧有6个气缸，因此还要区别长短布局，也就是该发动机采用4套不同设计的喷油器。
DI还好，MPI模式下，长短进气歧管布局对燃烧有一定的影响，因此通过大量验证，实现了精确均匀地分配气缸中的燃油/空气混合物效果。所有气缸的燃烧特性相同，无论进气口的长度布局如何，都可能满足相同的进气量、相同的雾化水平、相同的温度场。
PS：此项工作非常困难，行外人看描述觉得很简单，实际是非常难的，没有几代产品迭代做不好的，比如说长短进气歧管，他们的沿程阻力不同，相同进气压力下实际进气量就不同，短的可能升功率高，长的可能升功率低；比如长短歧管下进气温度也会不同，燃烧时爆震点也不一样，协同控制难度极大，不是想做就能做到的。
图6 DI/MPI在不同气缸布置下喷射示意图 (© Volkswagen)
考虑到进气的难题，大众集团利用自己研发的计算机辅助工程（Computer Aided Engineering, CAE）和汽车部件自优化（Automatic Motor Component Optimization, AMO）软件，对进气口的流量特性和充填效率进行优化。对进气道建立参数化CAD模型，包括相关的限制因素与边界条件，如水套、气门弹簧支架等。对每个进气道使用三维CFD（计算流体动力学）分析，对进气道流场和燃烧室滚流比进行评估。几何图形的生成、网格划分、计算和评估都是自动进行的，并由优化程序控制。
图7以短进气道为例，将计算出的αK值（流量系数）与tumble（滚流比）进行对比，从而选出滚流比高，流量系数大的最优解。比如原始状态为图中红色方框，最优解为黑线，最终选择了蓝色圆圈的尺寸布局作为最优解。
PS：流量系数决定进气量的多少，决定发动机升功率的上限；滚流比决定燃烧速度的快慢，决定燃烧过程的热效率。
图7 进气口变型示意图(© Volkswagen)
由于发动机结构非常复杂，W12-TSI发动机控制单元采用两套，利用主/从原理，具有更高的计算性能和扩展性能。为了适应四种喷油器的协同工作，以及相应的OBD诊断，大众设计了一套全新的控制系统，通过优先级协调单一模式和混合模式。同时，对排放优化、OBD法规要求以及保护功能进行了相应的权衡与评估。比如实时监测两种燃油路径状态及其各自的比例。
这两个控制单元控制大量的执行器和传感器，确保与车辆周围环境的通信。在W12-TSI中，它们具有2×196针的布局，非常复杂，控制系统的电源也比传统小型发动机要求更高，重要数据通过内部数据总线（Inter-SG-CAN）交换。
PS：小排量发动机和大排量发动机面对的难题是不一样的，小排量注重如何发挥单缸的优势，大排量多缸发动机对一致性要求非常高，两者的KNOW HOW要求是不一样的，目前中国只有一汽红旗有该级别发动机的设计经验。
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