坚强芯沙中造，宝马小王子蜕变记
2016年伊始相信大家已经看到了多篇关于宝马沈阳发动机工厂投产的报道。今天我们就从一个独特的发动机铸造技术角度，通过几个大家感兴趣的问题，来分析一下宝马“王子”发动机的蜕变过程，以及宝马沈阳发动机工厂对于宝马集团以及华晨宝马的战略意义。
一、宝马“王子”发动机为何会如此快地被替代？
宝马集团在2000年初期的时候刚刚完成了其从自然吸气发动机向涡轮增压发动机的转型。手握大量N55直列六缸双涡轮增压发动机的技术。宝马集团找到了标致雪铁龙集团进行合作开发一台可以装进Mini Coupe发动机舱的小型发动机上。为了体现两个集团对这款联合开发发动机系统的重视，该系列发动机被命名为“王子”Prince系列。宝马拿出了看家的三大发动机技术：燃油直喷、连续气门升程Valvetronic控制技术和单涡轮双涡管（可有效降低排气干扰，提高涡轮效率）技术。标致集团则拿出了主打的小型发动机TU平台，配合宝马的技术，加上可变排量机油泵、活塞独立冷却系统等等酷炫的技术打造出来这款1000转涡轮介入、1400转涡轮达到最大扭矩峰值的威猛发动机。在标致集团，目前国内看到的标致雪铁龙集团的车型标着THP字样的基本都是装配的该款发动机。包括标致3008、508、雪铁龙C4L、C5等等。而宝马集团则分成了N13（纵置发动机）和N18（横置发动机）两个分支。N18被装配在了Mini Coupe的系列车型上。并于2011年被评为当年的沃德十佳发动机。N13则被装配在了宝马的116i和316i上。主打入门车型。下图一为宝马“王子”发动机所采用的电子气门Valvetronic、缸内直喷High Precision Injection和单涡轮双涡管TwinPower Turbo Technology（技术介绍图片来源于汽车之家网站）。下图二为宝马N13 1.6T发动机。
进入2011年以后，宝马希望将“王子”发动机的技术应用到更多的宝马品牌车型中，因此主打2.0T 四缸涡轮增压发动机的N20系列就应运而生了。N20基本基于N13的设计并加大涡轮增大排量。N20发动机从N13手中接过了“王子”发动机的称号，成为了宝马品牌车型的主力发动机。下图一为N20系列不同功率级别发动机应用于国产宝马5系的车型发动机数据列表（数据来源于汽车之家网站）。下图二为右侧N20低功率版N20B20B（国产型号为N20B20D），对应国产3系、5系、X1的“20”车型。特点是功率扭矩较低，但是压缩比较高为11，注重燃油经济性。左侧N20高功率版N20B20A（国产型号为N20B20C），对应国产3系、5系、X1的“28”车型。特点是功率扭矩较高，但是压缩比较低为10，注重发动机性能。而图一中的525对应的“25”车型则比较特殊的使用了较低功率调教的N20B20A（国产型号为N20B20C）发动机，功率和扭矩介于高功率和低功率N20发动机之间。
N20系列发动机有着辉煌的历史、并且广泛应用于宝马品牌多款车型中。那为什么只是用了4年就切换到新的发动机系列了呢？其中的缘由可以分为内因和外因两大方面。
我们先来说说外因。
宝马的老对手奔驰在退出了A级和B级前驱车型以后尝到了甜头，率先启动了相应的发动机横置前驱车型平台MFA。并且相应的奔驰2.0T发动机M270也可兼容发动机横置布置和纵置布置（纵置型号为M274）。此后奔驰连续推出了新A级，新B级，CLA，GLA等多款发动机横置前驱车型主打年轻市场。而与此同时宝马品牌的主打2.0T N20系列发动机则只有纵置布置型号。另一方面，奔驰AMG基于M270发动机打造的四缸高性能发动机M133，成功应用于A45 AMG，CLA45 AMG，GLA45 AMG等前驱运动车型中。其功率和扭矩参数惊人的达到了265kW和450NM。下图一为奔驰AMG M133 2.0T四缸高性能发动机。如下图二所示，在最新版的A45 AMG车型中，高功率调教的M133发动机功率和扭矩参数进一步提升达到了280kW和475NM。虽然这是款小批量不惜血本的高性能运动发动机，但是无疑也让宝马感受到了压力。奔驰M133发动机的参数不仅超越了N20系列发动机，甚至高于直列六缸的N55系列发动机，并在2014和2015年度连续两次拿到了国际发动机大奖。
再来说说内因，宝马开发混动超跑i8需要一款高性能小体积小排量的发动机与电动机配合来。与此同时，入门车型采用发动机横置前驱成为大趋势，灵活的横置纵置兼容发动机成为越来越迫切的需求。
在上述内外因的作用下，N13/N20“王子”系列发动机逐渐向新一代的模块发动机转型。
二、宝马模块发动机优良性能的秘诀是什么？
宝马模块发动机系列很好的解决了上述提到的迫切需求。比如B38的1.5T三缸涡轮增压发动机很好的被应用在混动超跑i8中。以小体积小排量，和电动在一起布置进了i8紧凑的空间中。下图一为横置布局的B38的1.5T三缸涡轮增压发动机。下图二为i8所使用的B38系列1.5T三缸涡轮增压发动机B38A15T0，其功率和扭矩参数达到了170kW和320NM。这个参数已经达到了稍低于“28”系列高功率调教N20B20A发动机（高于“25”系列低功率调教N20B20A发动机）的级别。符合了真正高性能运动发动机的要求。并且与电动机联合出力达到了266kW和570NM，达到了适合跑车的性能。并且B38 1.5T三缸涡轮增压发动机将逐渐替代N13 1.6 四缸涡轮增压发动机。
另一方面，为了顺应入门车型采用发动机横置前驱的大趋势，宝马推出了UKL发动机横置前驱车型平台。对应的B48 2.0T四缸涡轮增压发动机灵活的横置纵置兼容布局方式很好地解决了横置前驱和纵置后驱车型共用发动机问题。大幅提升了发动机和零部件的重用率，降低了生产成本，同时也提高了可靠性。下图一为B48 2.0T四缸涡轮增压发动机横置布局。下图一为B48 2.0T四缸涡轮增压发动机纵置布局。如下图三所示，横置布局的B48 2.0T四缸涡轮增压发动机应用于UKL前驱平台的宝马2系AT 220i和225i车型上，加上搭配B38 1.5T三缸涡轮增压发动机的218i车型，组成了高功率、中功率和低功率的三种不同配置。对应的纵置布局的B48 2.0T四缸涡轮增压发动机应用于后驱平台的宝马3系320i和330i车型上，其功率扭矩级别分别与之前搭载N20B20B的320和N20B20A的328对应。为了顺应豪华车使用2.0T四缸涡轮增压发动机的环保趋势，宝马730i车型上搭载了目前最高功率调教的B48发动机，功率和扭矩分别达到了190kW和400NM。因此B48将逐渐替代N20成为2.0T四缸涡轮增压发动机的主力。
关于宝马模块发动机系列的成功秘诀所在可以从两个方面分析。
一方面是大家聊得比较多的发动机模块化理念以及N20“王子“发动机相关技术的进一步升级。宝马认为每缸排量为0.5L对其来说是最优化的排量组合，因此B38 三缸1.5T，B48 四缸2.0T以及B58 直列六缸3.0T发动机都可以重用相关的控制技术和多种发动机零部件。这方面相关的文章很多，因此不再赘述，感兴趣的话可以参考文章最后的参考文献。
另一方面就是今天分析的重点，宝马使用了先进的发动机铸造技术来打造一个高强度的全铝发动机系列。更高的发动机强度，使得该系列发动机可以迸发出强大的性能或者说留足了发展余量，来应对不同车型对发动机不同的需求。具体技术细节我们接着往下看。
三、宝马如何提高全铝发动机强度？
发动机的主要铸造材料可分为两种，一种材料为铁，称为铸铁发动机。另一种材料为铝，称为铸铝发动机。如果缸盖、缸体、曲轴等发动机主体都使用铸铝材料则称为全铝发动机。曾经有很长一段时间，高性能的涡轮增压发动机都是铸铁发动机。因为铁相对铝材料强度更高，高温下的耐压能力强，耐磨损。比如大众集团坚持使用了很长一段时间的铸铁发动机系列，包括今天仍在使用并得奖的奥迪2.5T 直列五缸涡轮增压铸铁发动机。然而同时，全铝发动机的优势也是非常明显的，那就是重量更轻。因此宁愿牺牲一些发动机性能，全铝发动机由于其轻量化的优势也渐成主流。那么既要使用全铝发动机，又要提高发动机的强度来实现高性能涡轮增压发动机的苛刻要求，则需要一些独门的发动机铸造技术。下面我们就来看看宝马是如何在模块发动机系列上实现这一点的。
a. 铝合金发动机缸体砂铸
前面提到奔驰AMG设计的M133高性能2.0T四缸增压发动机基于M270发动机打造，达到了非常惊人的功率和扭矩参数。其实M133最大的更改就是使用了特殊的铝合金材料，即铝中加入了不同种类的微量元素，使得其发动机的缸体强度提升了。看来不仅人需要微量元素，微量元素对于铝合金发动机也是好东西。不过这微量元素一加，传统铸造技术就用不了了。必须使用更加繁琐的发动机砂铸技术。发动机砂铸严格意义上应该称作砂芯重力压铸Sand Core Gravity Die Casting。说的简单一点，融化的铝合金需要倒在一个沙子做的磨具（砂模）里，等冷却了以后需要砸除铝合金铸件外部的砂模。因此铸造中的砂模是一次性的，每个砂模都有微小的区别。需要繁琐对砂模检验、修补、浇注、砸除，再对得到的铸件检验、测试，不合格的还要回炉再造。因此发动机砂铸成了高性能的全铝发动机的代名词。
如果大家对发动机砂铸技术感兴趣，推荐大家找找纪录片《超级工厂-法拉利》("Ultimate Factories" Ferrari Episode 2006)来看一下。没错，因为砂铸技术是所有法拉利和玛莎拉蒂跑车的御用发动机铸造技术。下图一为法拉利的工作人员正在介绍发动机砂铸所用的砂模。下图二为法拉利599所用的V12全铝发动机。下图三为法拉利599 V12发动机对应砂铸所用的砂模。下图四为浇注后砸除砂模得到的法拉利599 V12发动机铝合金缸体。
那么宝马量产车上大量使用砂铸技术制造发动机可见为了实现发动机高性能也是蛮拼的。我们一起来看看宝马有啥特殊之处吧。
由宝马的官方发动机资料来看，N20“王子”系列发动机缸体所用的铝合金牌号为AlSi9Cu3，属于硅铝合金，对应使用传统低压压铸技术。而新一代的模块发动机系列发动机缸体所用的铝合金牌号为AlSiMgCu0.5，属于硅镁铝合金，对应使用砂芯重力压铸技术。如下图所示，AlSiMgCu0.5应该类似于AlSi7Mg0.3Cu0.5（即表中AlSi7Mg0.3（Cu））或者介于前四种硅镁铝合金参数之间。相应的硅镁铝合金在拉伸强度TensileStrength、断裂应变Fracture Strain、布氏硬度Brinell Hardness、屈服应力Yield Stress等方面都要优于硅铝合金AlSi9Cu3。简单来说硅镁铝合金具有更高的强度。
此次宝马在沈阳投产的发动机工厂包括一个铝合金铸造工厂Light metalfoundry。这个制造工厂采用了宝马先进的工业4.0生产设备，整个生产高度自动化。并且使用的砂模材料都有环保沙制成。其循环利用超过了90%。并且整个工厂充分考虑了节能环保和废水的循环处理。下图一为宝马铸造工厂内的砂模。下图二为自动化生产设备正在想砂模中浇注融化的铝合金。
此外，使用了新的硅镁铝合金材料后，宝马还可对发动机缸体进一步热处理，提高发动机缸体强度。如下图为宝马专利的硅镁铝合金热处理过程。首先通过较长时间的500摄氏度以上固溶热处理Solution Treatment，然后通过气冷或水冷降温到接近室温进行淬火处理Quenching，最后在经过一段时间的100~200摄氏度的人工老化Artificial Ageing。
b. 发动机封闭冷却水道设计(closeddeck design)
水冷发动机需要通过冷却液冷却活塞缸壁。为了充分冷却发动机，最简单的方法就是将水道围绕活塞缸壁一整圈。这样的设计即为开放水道设计。但是由于水道处活塞缸壁缺乏着力点，此处的强度也相应降低。为了提升发动机强度，冷却水道被设计成断续的缺口。增加活塞缸壁周围的着力点从而提升此处的强度。这种水道设计即称为封闭水道设计。如下图一，左侧为开放水道，右侧为封闭水道。下图二为N20发动机的缸体维修说明图，可见水道围绕活塞缸壁一整圈为开放水道设计（图中2~8为各个安装螺栓位置）。下图三为B48发动机的缸体维修说明图，可见冷却水道被设计成断续的缺口为封闭水道设计（图中2~5为各个安装螺栓位置）。
c. 电弧喷涂技术wire arcspraying technology (LDS)
为了进一步提升活塞缸壁的强度，宝马引入了专利的电弧喷涂技术来替代传统的铸铁缸套。电弧喷涂技术通过等离子喷涂高强度材料到活塞缸壁，其厚度仅有0.33mm，却大幅增加了活塞缸壁的耐磨性，达到了传统的铸铁缸套水平。下图为传统缸套和电弧喷涂比较示意图，左侧为传统缸套套在活塞缸壁上增加强度，但是厚度大。右侧为电弧喷涂技术在活塞缸壁上喷涂的0.33m厚高强度涂层。厚度小，强度高。下图二为电弧喷涂技术的原理，通过高电流融化高强度材料线材然后用高压气体将离子化的材料喷涂在活塞缸壁上形成衬套。下图三为宝马沈阳发动机铸造工厂中的电弧喷涂设备正在对发动机缸体进行喷涂处理。
四、为何宝马在铁西发动机厂的基础上还要投产沈阳发动机工厂
宝马在投产沈阳发动机工厂之前，在中国的制造工厂包括沈阳大东和沈阳铁西两座工厂。其中铁西工厂包含N20“王子”发动机的生产功能。但N20发动机的缸体和缸盖目前还主要依靠由宝马奥地利斯太尔工厂进口。而沈阳发动机工厂投产以后，其包含的发动机铸造工厂有能力制造新一代模块发动机B38、B48的大部分主要部件，包括缸体和缸盖。并且新一代模块发动机将覆盖未来大部分的宝马品牌车型。因此铁西工厂将更专注于整车装配。而沈阳发动机工厂也将专注于发动机制造并服务于大东、铁西的整车生产线。下图一为宝马沈阳发动机工厂照片。下图二为铁西发动机工厂的说明，其中N20发动机的缸体和缸盖目前还主要依靠由宝马奥地利斯太尔工厂进口（照片来源为汽车之家网站）。
五、宝马沈阳发动机工厂对于宝马集团和华晨宝马的战略意义是什么？
如下图目前宝马全球的发动机工厂一共为四家。分别为位于德国的慕尼黑工厂（Munich，也是宝马的发源地），奥地利的斯太尔工厂（Steyr，目前宝马集团最大的发动机工厂），英国的哈姆斯霍尔工厂（Hams Hall，主要生产宝马以及Mini品牌的发动机），然后就是唯一位于亚洲的中国沈阳工厂。可见宝马对于中国这个集团内销量最大的单一市场的重视程度。
并且前面提到宝马将其先进的工业4.0的生产设备引入了沈阳工厂，同时还为沈阳工厂配备了铝合金铸造工厂。而重点就是这个铝合金铸造工厂，目前沈阳工厂是宝马集团德国以外唯一的一家铝合金铸造工厂。之前位于德国慕尼黑郊区的兰斯胡特工厂（Landshut）是宝马集团唯一的铝合金铸造工厂。相应专利的发动机砂铸和电弧喷涂工艺都诞生于这个工厂。
还有另一个小细节不知道大家注意到没有。那就是在沈阳发动机工厂投产B38、B48模块发动机的同时，宝马还提到正筹备在沈阳发动机工厂投产高压电池包生产线。这个生产线会是什么样的呢？目前宝马集团唯一的高压电池包生产线位于德国慕尼黑的丁格芬工厂（Dingolfing）。该工厂用于生产宝马i系列和3系/5系/7系/X5的eDrive车型所需的高压电池包。如下图一和二所示宝马丁格芬工厂内机器人设备正在装配高压电池包。
可见宝马不仅在中国投产了全球第四家的发动机工厂，而且还投产了德国以外仅有的铝合金铸造工厂，最后还很可能带来原本仅存在德国的高压电池生产线。宝马对中国市场的投资力度可谓诚意满满。相信这也是为什么宝马i3能够成为唯一一家进入工信部《免征车辆购置税的新能源汽车车型目录》进口车型的重要原因。如下图为《目录》中的宝马i3车型，备注栏中进口字样赫然在目。这是共计六批的新能源车型目录中的唯一一款进口新能源车型。只是宝马的进口车型用的是三星电池，而国产车型用的CATL宁德新时代的电池。如果引入高压电池包生产线会使用哪家的电池就不得而知了。
六、沈阳发动机工厂将服务哪些宝马国产车型？
首先，B38、B48模块发动机的横置布局版本将最快服务于宝马的UKL前驱平台车型，包括即将国产的第二代X1和2系AT/GT车型。另一个重中之重就是在未来服务宝马X3车型的国产。目前X3对应的中级SUV市场对手奥迪Q5和奔驰GLC都早已国产，X3的国产可谓箭在弦上。沈阳发动机工厂的投产，充分保障了铁西工厂释放更多的产能给新的宝马国产车型以及更充分的发动机供应。可谓为X3的国产备齐了粮草和兵马，只欠东风的到来。如下图一所示为基于UKL前驱平台的宝马第二代的X1车型。下图二为宝马X1 插电混动版的7座车型，传言其将以之诺品牌在国内发布并国产。宝马集团的高层近期还表示将把宝马目前在国内的四款新能源车型（宝马i8，i3,530Le，基于宝马X1开发的之诺纯电动X1）扩充到六款。据推测新增的两款车型很可能分别是如上提到的宝马X1 插电混动版的7座车型和基于i8技术开发的UKL前驱平台首款车型宝马2系AT插电混动225xe。
综上所述，宝马基于“王子”发动机N13/N20系列，使用先进的发动机砂铸技术，打造了强度更高的模块发动机系列。坚强的发动机“芯”，由沙中铸造，顺利完成了“王子”发动机的蜕变。并且重点投资了中国沈阳发动机工厂，使其具备了B38、B48模块发动机生产能力，成为了宝马全球第四个发动机工厂、第二个铝合金铸造工厂以及未来可能的第二个高压电池包工厂。并专注于服务宝马大东、铁西整车工厂的生产。沈阳发动机工厂充分体现了宝马对中国市场的重视，以及技术下放的决心。接下来就是等风来，等待市场的东风来检验宝马这笔巨大的投资可否起到决定性的作用。