第四代BMW M3 Coupe徹底解析(下 ─ 壹) V8動力核心 新時代的開啟 記者：文 : SE、整理/Ero 2007-08-03

自從第二代車型（E36）登場首度啟用之後，雖然經過多次的動力提升、設計細節修改乃至於排氣量擴大，但M3一直被與直列六缸的高輸出引擎劃上等號，一用就是15個寒暑。在這段期間，雖然BMW已陸續將3.0升以上的動力系統升級為V8型式（530i、540i），但三系列仍一直保持在六缸引擎以下的範疇。去年，BMW推出了全新的三系列雙門車款（E92），並破天荒地導入了在BMW引擎陣線中沈寂多年的渦輪增壓系統--搭載在335i Coupe上、代號N52的3.0升雙渦輪增壓直六引擎雖然一看就知是調校受到封印的扭力導向設定，但其306hp的動力輸出仍然輕易地超過了每公升100hp輸出的魔法數字，只稍些許的調校，立刻就能超越上一代的M3。在這樣的背景下，到底新一代的M3會使用怎樣的動力系統，越來越引人遐思，有些人推論BMW會自此倒向渦輪增壓的懷抱，推出比335i Coupe更猛更凶悍的高增壓版本作為新M3，有人則認為M GmbH會延續上一代（E46）M3的作法，繼續用排氣量更大的自然進氣引擎壓榨其輸出，保持NA引擎容積效益比王者的風範。

而新M3登場後，證實兩種推論中，BMW還是選擇了後者，守住了向來擅長的NA引擎之道。但考量到原本排氣量就已高達3.2升的上一代M3引擎（原廠代號S54B32）在排氣量上已經接近其結構設計的極限，幾乎沒有額外的緩衝可以再擴增其排氣量，換上一具全新的動力可說是勢在必行。環顧BMW早已存在的V8動力系統中，上一代M5（E39）上那具有著400hp馬力輸出的5.0升V8（S62B50）似乎是很理想的選擇，只需稍事修改降低排氣量/提升容積馬力輸出，立刻就能作為新M3的心臟。事實上，這樣的推論並不是毫無根據的，因為早在2001年時，BMW就已曾推出過第一款搭載V8引擎的M3--主要是鎖定作為參加ALMS系列GT賽事，道路版賽車M3 GTR搭載了由E39 M5的V8修改而來的動力系統，排氣量降為符合賽事標準的4.0升，但卻擁有更高的450hp輸出--這樣的設定，完全符合新M3動力系統的定位！

然而，BMW很顯然不認為這種省錢省事的作法，符合他們對新M3的期待。取而代之的，新M3直接繼承了老大哥現行M5的風骨，直接更進一步向F1賽場取經，新登場代號S65B40的V8引擎擁有大量與廠隊Sauber-BMW相同的技術，可以說是現行M5上那具5.0升V10引擎（S85B50）裁切掉兩個汽缸並經過修改的小排氣量版本。基本構造雷同，採兩排汽缸間夾角90度、偏離中心軸17mm的幾何基礎，力求能兼顧運轉時的最高穩定性，但又能保持引擎體積的精簡。由於每個汽缸容積接近500cc.，其92.0 x 75.2mm的缸徑/衝程數字顯示出這具引擎擁有運動型引擎必備、接近正方形的均衡燃燒室構造，這點與先前的直六引擎並沒有什麼不同。至於排氣量的增加則由汽缸數量的增加來達成，實際排氣量為3,999cc.，接近4.0升。

高轉速自然進氣引擎才是王道！

有別於大部分主要競爭對手，幾乎都清一色以盡可能在小型車的軀體之下塞入大排氣量引擎的方式，來製造出一輛輛扮豬吃老虎的速度怪獸（例如Mercedes-Benz 最新登場的CLK63 AMG，就是在中小型車的車體上塞入了排氣量高達6.3升的機械增壓V-8引擎），BMW向來標榜要能以最接近賽車正統的手法來成就高性能。因此，雖然新M3在引擎汽缸數與排氣量的增加下越來越具有小車大引擎的架勢，但車廠方面仍然沒有因此而忘記了多年以來引以為傲的長處--以高轉速的調教來成就高單位容積效益比。畢竟，引擎的馬力輸出是其扭力與轉速的乘積，雖然增大排氣量以提高引擎的扭力輸出的確可以迅速地成就大馬力，但相對地卻也因此得增加所有與動力或傳動系統有關的運轉零件以承受更大的扭力輸出，而造成引擎/車輛重量的增加，不僅削弱了原本動力增強的幅度，也一同降低其操控表現。

相反的，BMW以高轉速作為成就高動力輸出的主要訴求，不僅可以靠較小的排氣量達到相同的性能表現，其在環保與油耗方面的數據，也較大排氣量的對手優秀許多。更重要的是，由於引擎的轉速範圍大，不需倚賴密齒比變速箱頻繁地換檔就可以大幅度地加速/減速，在分秒必爭的激烈操控狀態下有時連換一次檔都是種奢侈，這點是M3在與對手一較高下時的利基。

材料技術帶來極致的輕量化

要成就引擎的輕量化與高轉速並不是一件容易的工作，M GmbH在新M3上動用了與一級方程式賽車同級的汽缸體製作、半濕式機油底殼、改良版的運動型Double-VANOS、八喉直接進氣再加上其他許多運動取向的細節設定，都是造就一具成功的運動型引擎之基礎。

作為整個動力系統的基礎，新引擎的汽缸體是由BMW位於慕尼黑近郊Landshut的輕合金鑄造廠所生產，該廠也是BMW Sauber車隊生產F1引擎體的地點。其成就高轉速時的核心零件--高精度的曲軸--是使用低溫鎔鑄鋁矽合金以低壓鑄造方式製成，含矽比例超過17%，擁有質輕又高硬度的特性。這具引擎並沒有特別設計汽缸套，而是讓高硬度的矽結晶直接裸露在合金最外層，利用抗磨特性直接作為與高速運轉的覆鐵活塞第一線的接觸面。新款V-8引擎的衝程設計為75.2mm，鋼徑為92mm，屬於有利於高轉速運轉的矮胖型燃燒室設計。

由於這具新引擎綜合了高轉速、高壓縮比（12.0：1）與高溫等諸多嚴苛因素，其曲軸箱部分承受的負荷，遠比一般車輛引擎為高。為了提升其剛性，曲軸箱除了必須使用最堅固的材料製造外，體積也必須盡可能地精簡。新V-8引擎的曲軸箱底座使用了灰鑄鐵材質的內襯，具有減少鋁製外殼在高溫時熱漲的程度之功效，以維持運轉時裡面的潤滑機油之流量不會隨著溫度高低而改變。至於曲軸部分，由於這具引擎的相鄰汽缸間距僅有98mm，因此工程師可以在鍛造高強度鋼製造的曲軸上採用較短的設計，進而達到高抗扭與輕量化的優點。雖然新登場的V-8較過去的直六引擎無論在扭力或馬力上都有相當程度的提升，但曲軸重量不增反減，僅有20公斤重。

話說旋轉零件的動能（角動能），是轉動慣量與角速度平方的乘機，因此當一具引擎需要以極高的轉速運轉時，如果不能有效降低轉動慣量部分的負擔，其結果就是需要消耗掉非常大的動能去推動引擎內部的機件，而平白抵銷好不容易壓榨出來的動力。由於M3的高轉速設定是無法避免的結果，因此工程師在設計這具引擎的細節時，花費了很大的功夫仔細斟酌引擎內每一項運轉零件的用料與尺寸，務求在最輕量化的指導原則下，讓這些零件擁有足夠的強度與耐用度節。新M3的活塞採用耐高溫的鋁合金製造，外層再覆上一層鐵金屬，如此能大幅降低活塞本身的質量，包含活塞梢與活塞環在內，每組活塞僅重481.7公克，甚至比上一代的活塞還輕盈，而活塞的散熱，則是透過一與主機油管線連結的噴嘴來達成。至於140.7mm長的活塞連桿則是以高強度鋼與鎂的合金材料所製造，包含軸承殼在內，整個連桿組僅重623公克。輕量化的活塞與連桿大幅減少了引擎內部的內能損失，除此之外，尚有提升運轉平穩的效果。

低壓型double-VANOS

新V-8引擎的汽缸頭採鋁合金一體成型設計，氣門形式則為DOHC每缸四氣門的設計。每一支氣門的重量都僅有42公克，進氣氣門的直徑為35mm，排氣氣門則為30.5mm。精密製造的氣門挺桿僅有5mm的直徑，因此能將對進氣氣流的影響降至最低。除此之外挺桿其與凸輪軸之間還夾有一液壓控制的氣門角度補償機構，也就是BMW引以為傲的double-VANOS無段可變氣門正時機構之主要運作關鍵。氣門角度補償機構除了可以精密控制氣門開啟關閉的時機外，也一併排除了任何氣門間隙產生的可能，不再需要定期人工調整氣門間隙，而大幅地降低了車輛的維修費用。

目前BMW家族中共有兩套截然不同的先進氣門正時控制系統，分別是double-VANOS正時無段可變系統，與連氣門揚程都可無段變化、可完全取代節流閥功能的Valvotronic系統。然而，礙於機構複雜不利於高轉速運作，Valvotronic並無法運用在如M3這種高性能車款上，因此M3仍然採用功能較簡單但擁有反應迅速這優點的Double-VANOS（事實上，當1995年double-VANOS第一次登場時，就是以當時的M3作為啟用的載台，在此之前，BMW只擁有能控制進氣門正時的VANOS系統）。與M5/M6上的高壓系統不大相同，M3上的這具S65引擎採用的是全新開發的低壓版本之M double-VANOS。新系統是採用單一的一條鏈條連結曲軸與轉盤（M5/M6上的高壓版double-VANOS採用的是兩條鏈條），而轉盤再透過一具步進馬達與凸輪軸相連（M5/M6則是透過斜齒輪來連結）。透過步進馬達來改變曲軸與凸輪軸之間的同步，是此系統可以無段改變氣門正時的核心機制。

換用步進馬達來控制凸輪軸的角度差之後，double-VANOS不再需要推動轉盤用的獨立高壓油管，取而代之的是可以直接利用引擎原本的機油壓力來推動步進馬達，不僅耗能少、反應迅速，精準度也比原本的高壓系統高。其調整角速度高達每秒鐘360度，其中進氣凸輪的角度最大可調整到58度的範圍，進氣角度部分的差距則最大可到48度。依照當時引擎的負荷與轉速，步進馬達可在行車電腦的控制之下，以最即時的方式將氣門的運作與點火正時及噴油量同步。

考究的潤滑系統

身為強調高性能與操控性的車種，M3與大部分同級的同級車相同，都會遇到加減速或過彎時所承受的g值過高，導致傳統的機油循環方式會在某些極限狀態下失效的情況。M3的最大縱向與橫向加速度高達1.4g，在這種激烈的狀況之下，大部分的傳統跑車都會採用所謂的乾式油底殼設計，也就是，油底殼本身只負責回收滴落的機油但不負責儲存，並且以專用的機油泵將機油抽取到較高的位置後再釋放進入曲軸箱中。

由於空間侷限之故，新M3的油底殼被安置在前軸副車架後方的位置，以潤滑的需求來說在極限狀況下是個非常不利的位置。為了解決此問題，工程師採用了一種稱為「最佳動態濕式油底殼潤滑」的概念。此概念運用了兩個位置不同的油底盤，其中上述位於副車架後方的是較小的一個，而另一個較大的油底殼則設計在其後方，一具獨立的循環油泵無時無刻持續地將機油自小油底殼抽至後方的大油底殼，因此縱使在緊急煞車所有的機油都往最前端流去的狀況下，曲軸仍能獲得足夠的潤滑。

而除了這個雙油底殼的半濕式概念外，在M3的機油循環系統中，更進一步導入了油壓控制的概念，透過調整兩具油泵的內轉子與外殼間之電流大小，確保油泵的加壓程度能適當地根據主油管中的油壓狀況而做出補償。至於油底殼中的機油存量則是以裝置在底殼中的感應器隨時監控，引擎監理電腦在獲得機油存量的資訊後還會進一步根據車輛當時所處的測向與縱向加速狀態進行修正，並將修正過後的結果顯示在儀表板上，而能免除一些比較原始簡單的系統，會因車輛姿勢改變結果油位忽高忽低的不精確狀況。

除了在看不到的地方用心之外，新M3在潤滑系統方面的考究，一樣也呈現在駕駛人面前。如同過去多款M車型的轉速錶設計，新M3也配置有可以根據引擎狀況調整範圍的可變轉速警示。根據油溫高低的不同，轉速錶中標示黃色（預警區）與標示紅色（超轉警示區）的轉速範圍也會進行高低調整。此設計在車輛剛發動油溫偏低時特別重要，隨著引擎工作溫度漸漸拉升，紅線轉速也會逐漸上升到最高的8400rpm位置，避免駕駛人因為操之過急太早開始壓榨引擎而造成無謂的耗損。畢竟，大家都知道運動之前要先做暖身運動，但是暖身程度要到哪裡才算足夠，M3上的可變轉速警示讓人可以不必再傷腦筋這問題。

(下接 第四代BMW M3 Coupe徹底解析(下 ─ 貳))

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