第四代BMW M3 Coupe徹底解析(下 ─ 貳)
記者：文/SE、整理/Ero 2007-08-03 | |
八喉直噴成就最即時的油門反應
在化油器引擎的時代，「多喉直噴」是許多車迷們夢寐以求的高性能改裝方式。雖然這種概念在汽車進入電腦管理的噴射引擎時代之後慢慢地被遺忘了，但是卻仍然是賽車廠上的制式設計。由於物理特性之故，引擎對於油門指令的反應速度，是與節流閥進氣端的空氣存量成反比關係：空氣體積越大，其慣性就越大，由於節氣門開啟、空氣開始被吸入引擎中時，燃燒室內的真空力是固定的，根據牛頓力學「力＝質量×加速度」的原理，此時產生的氣體加速度是與其質量成反比。然而，對於一具像M3這樣高動力輸出的引擎而言，它所需的進氣量與進氣系統的斷面面積都遠超過一般普通的車輛，造成兩相衝突的尷尬局面。為了要同時解決這兩個看似矛盾的問題，解法只有一個，那就是直接將進氣歧管中的節氣門蝴蝶閥直接安置在進氣氣門之前。所以，新M3為了追求更精準的進氣控制與靈敏的油門反應，在這次的改款中動用了「八喉直噴」的豪華陣仗，兩列汽缸四個四個一組的獨立蝴蝶閥式節氣門由引擎監理電腦所控制的兩具作動器所控制，並且以每秒200次的頻率密集監控油門踏板的角度，務求能做到油門指令與引擎反應最高的同步境界。節氣門自全閉到全開僅需120毫秒的時間，甚至比平常駕駛人將踏板踩到底的費時還短，可謂動力的掌控都成就於電光火石之間。
除此之外，M GmbH的工程師在設計新M3的進氣系統時，也摒除了傳統的熱膜空氣流量計設計，以降低流量計在進氣管道中造成的阻力。取而代之的，新M3是以運算力強大的引擎監理系統隨時掌握節氣閥位置、怠速補償控制器、VANOS控制系統的位置、引擎轉速、氣溫與氣壓，來計算出引擎目前的負荷大小。工程師在計算八支進氣喉管的長度與直徑時也考慮到了共振管原理以求取最佳進氣效益，整個進氣系統，包括喉管與一體成型的超大容量集氣箱都是以質輕的複合材料製成，內含有30%的玻璃纖維成分。為了滿足這具引擎對於進氣的大胃口，新M3的集氣箱有三個進氣口，除了位於車頭正面的上下兩個進氣口之外，M3引擎蓋靠車身左側的輔助進氣口，也是具有實際作用的。
既然有考究的進氣系統，新M3的排氣系統自然不能含糊。如同大部分高性能取向的引擎，這具V-8也是採用4-1的排氣歧管（芭蕉頭）設計，而非一般車輛慣見的4-2-1配置。為了避免多個汽缸的排氣直接會流在一起時可能會產生的干擾現象，M GmbH的工程師們很精密地利用CATIA CAD電腦輔助設計技術算出複雜的繞管方式，讓前後位置不同的汽缸，也擁有長度完全相等的歧管。除此之外，工程師也在新M3上沿用自1992年起就首度在E36 M3上的內高壓澆模技術以製造新車款的排氣管，此技術是以高達800bar的壓力，將一不鏽鋼管自內向外『撐開』成理想的構型，一體成型全無接縫，而非如一般常見的作法般，是將排氣管分段製成之後再以焊接方式連接在一起。除此之外，電腦的精密計算能讓材料的厚度達當史無前例的均勻，且厚度更薄，整套排氣管的外殼厚度自0.65至1.0mm不等。超薄的均勻不鏽鋼外殼能讓排氣系統的重量降到一個極致，且由於金屬厚度薄熱焓低，因此觸媒轉化器的加溫極快，而有進一步降低冷車發動廢氣量的間接效果。
在精密電腦軟體的模擬輔助之下，一體成型的排氣管免除了傳統工法一定無法避免的焊接痕與轉接點這一類多少會影響到實際有效管徑的位置，進而降低排氣阻力，將引擎的性能發揮到極致。
煞車回電也可以變得高性能
在新M3的V-8引擎上，工程師們首度啟用了煞車電力回充（Brake Energy Regeneration）功能。其實煞車回電的概念在汽車上並不是很稀奇的，但迄今為止，會使用類似技術的車種幾乎都是電力車或混合動力車之類、以環保與節省能源為訴求的場合，但在像M3這般純粹以性能為考量的車種上使用煞車回電，可說是前所未見。也是利用中央控制電腦的強大運算能力來控制電力系統的配置，M3的電力系統除了煞車回電以做到能源回收利用之用意外，還可在引擎需要全力運轉求取最大輸出時，將發電機與引擎切離，其概念有點類似大部分車輛（尤其是小排氣量車種）在引擎全力運轉時會將冷氣壓縮機暫時關閉的作法，只是更進一步延伸到發電機之上。從煞車回電概念的使用，就可看出車廠方面對壓榨新M3的動力極限，是多麼全方位。
由於煞車回電功能的存在，以及由電腦控制、依照車輛負荷狀態來決定啟動與切離的發電機，新M3的電池需要承受比一般車輛電池更高頻率的充電與放電循環。為了有效延長蓄電池的耐用度，車廠方面在新車款上啟用了一種被稱為玻璃吸收網（Absorbant Glass Mat，AGM）的電池技術。有別於傳統以液態硫酸鉛方式儲存電能的鉛板電池，AGM電池使用一種具有微細毛孔的玻璃纖維網來吸收儲存硫酸鉛，再以鉛板隔離不同的玻璃纖維網，是一種不折不扣的『乾式』蓄電池，具有可以比傳統鉛酸電池充放電更多次的性能。
從原點即時監測燃燒狀況
對於像M3這種利用高轉速與高壓縮比壓榨引擎性能極限的車種而言，爆震問題一直是令引擎工程師們咬牙切齒的關鍵瓶頸。爆震代表了不正常的燃燒狀況，它除了會帶來機件額外的損耗之外，也會抵銷當初提高壓縮比時想提升的動力性能，甚至造成無謂的能源浪費。但是，傳統的爆震控制技術又常常會陷入過與不及的兩難，大幅延後點火時機雖然能有效降低爆震的發生，卻無法避免輸出降低與浪費燃料的困擾，因此如何能讓爆震抑制的程度做到剛好，成為此類機構設計的關鍵。
一般來說，工程師們通常都是使用裝置在汽缸壁上面的爆震感應器（knock sensor），利用爆震時會產生的獨特震波來判斷是否有爆震的情況，其運作原理有點類似貼在鋼壁上的一個電子聽診器。然而，畢竟是隔了層金屬，隔靴搔癢不見得能切中正題，這種傳統的感應器在面對引擎高轉速化與汽缸數變多之後的複雜情況時，常有力有未逮的困擾，因此在先前M5的V-10引擎上，BMW使用了一種被稱為離子流（ion-flow）的爆震監測技術，直接利用汽缸內油氣燃燒時會產生的物理現象，來即時判斷爆震問題。
在汽油引擎的點火/爆炸行程中，汽缸內的瞬間溫度可以到達攝氏2500度，在這種極限的狀態下缸內的汽油/空氣混合物會因為吸收過多熱能，導致外圍電子活性過高而脫離原子的情況，使得原本是電中性的油氣逐漸變成有極性，稱為物質的離子化（ionization）現象。這道沿著爆炸火焰的前端擴散開來的高溫導電油氣，被工程師們利用來作為觀察爆震現象的工具，當汽缸內有爆炸現象發生時，會在兩個裝置於汽缸頭上、與周圍絕緣的電極間產生微弱電流，再透過與電極連結在一起的電流感應單元將訊號放大傳送到引擎監理電腦處。
然而，在新M3上，工程師們將原有的離子流爆震感應概念更進一步發揮。這一次，他們不再使用獨立的感應電極，而是直接以汽缸中原本就一定有的電極裝置--火星塞--當作量測微弱電流的媒介。在各缸分離的獨立點火線圈上都裝置有一個新開發的「電子腦」，利用先進的半導體技術將混雜在線圈裡面的反餽訊號分離、放大，然後再將原本是類比型式的訊號數位化，傳送到引擎監理電腦。由於火星塞的極點原本就是汽缸裡面的點火爆炸現象之『起點』，這套改良式的離子流爆震感應系統，等於是在現象發生的原點處觀察爆炸現象，其準確度與隔著汽缸壁『竊聽』的傳統感應器比起，優秀程度自然不在話下。
(回到 第四代BMW M3 Coupe徹底解析(下 ─ 壹))
