BMW公司新型3缸和4缸轎車柴油機

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BMW公司新型3缸和4缸轎車柴油機

【德】N.Ardey【奧】W.StützD.HiemeschM.Kaufmann

摘要：BMW公司為直列式發(fā)動機開發(fā)的新標準部件在汽油機和柴油機上具有很高的通用性。簡單介紹3缸和4缸轎車柴油機的開發(fā)過程，它們已被配裝于Mini和BMW X3車型。

關鍵詞：柴油機燃油耗CO2排放

1標準部件理念的不斷發(fā)展

自1991年起，BMW公司不斷在柴油機上貫徹標準部件理念。為了應對未來越來越高的要求，并將資源集中于開發(fā)高效內(nèi)燃機，BMW公司設計了汽油機和柴油機通用的標準部件[1,2]，并最終將其擴展成包括所有3缸、4缸和6缸汽油機與柴油機在內(nèi)的全新發(fā)動機系列，開發(fā)目標是所有直列式發(fā)動機都建立在相同的基礎發(fā)動機平臺和統(tǒng)一的發(fā)動機外圍設備基礎上。

最初開發(fā)了2種3缸轎車柴油機，分別配裝于功率為70kW和85kW的Mini車型。新型4缸機首先配裝于新型BMW X3車型，功率比老機型提高5kW，達140kW，為中等功率等級。今后將有不同功率等級的機型配裝于更多的車型。

2目標設定

新型汽油機和柴油機的開發(fā)目標如下： 開發(fā)更高效、更緊湊、更輕巧且功率更強勁的發(fā)動機，并能滿足未來更嚴格的法規(guī)要求。汽油機和柴油機的開發(fā)目標僅有細微差異[3]，柴油機的設計任務書規(guī)定： (1)頂級機型的升功率高于80kW；(2)從略微超過怠速轉速起,就具有豐滿的扭矩特性曲線；(3)具有明顯改善的瞬態(tài)響應特性；(4)在用戶實際使用和法定行駛循環(huán)中具有低燃油耗的特點；(5)具有滿足全球最嚴格廢氣排放法規(guī)限值要求的潛力；(6)采用鋁氣缸體曲軸箱的輕型結構型式；(7)優(yōu)化基礎發(fā)動機設計，使摩擦損失最?。?8)采用質(zhì)量平衡機構，使3缸和4缸機型均具有較高的運轉平穩(wěn)性。

此外，通用的汽油機和柴油機系列具有以下特點: (1)可在多個生產(chǎn)基地柔性生產(chǎn)(3缸、4缸和6缸汽油機與柴油機)；(2)在相同的基礎發(fā)動機平臺上迅速推出不同技術方案；(3)快速推出變型機；(4)所有的變型機與整車具有統(tǒng)一的接口。

面臨的其他挑戰(zhàn)是，即使具有最大的通用化程度，各種變型機都要達到最佳的性能設計，以確保在競爭中的頂尖地位。

3設計方案

新型3缸和4缸柴油機結構沿用2007年款柴油機的可靠結構型式，并采用BMW公司多年來傳統(tǒng)的發(fā)動機缸心距，單缸排量為0.5L，由氣缸數(shù)覆蓋所需的排量跨度(表1)。集成平衡軸的氣缸體曲軸箱,以及位于油底殼內(nèi)的組合式機油泵和真空泵是緊湊輕型結構發(fā)動機的基礎，鏈傳動機構被布置在發(fā)動機后端，輔助設備布置在進氣側，因此，可將增壓和近發(fā)動機后處理裝置自由地布置在排氣側。圖1為BMW公司新型轎車柴油機的外觀，圖2為新型3缸柴油機的縱向剖視圖。

表1　3缸和4缸柴油機的主要技術規(guī)格

4基礎發(fā)動機結構型式

鋁氣缸體曲軸箱由目前的柴油機系列演變而來，采用金屬模鑄造并經(jīng)過熱處理，沿用變速器側剛性連接的高壓泵法蘭，以及預澆鑄的冷卻液和機油通道等可靠的結構設計特點(圖3)。在BMW公司的柴油機上首次采用氣缸套工作表面激光直接成型(LDS)噴鍍涂層，LDS涂層厚度僅0.3mm，與傳統(tǒng)的灰鑄鐵氣缸套相比，具有更好的散熱性和耐磨性。這種解決方案是建立在BMW公司汽油機制造工藝和產(chǎn)品開發(fā)經(jīng)驗基礎上的。

為了不斷降低摩擦，采用不同的連桿軸承直徑。最高燃燒壓力超過16MPa的變型機選用50mm的連桿軸承直徑，最高燃燒壓力較低的機型則選用45mm的連桿軸承直徑，均采用較長的連桿來降低活塞摩擦。同時，特別注重優(yōu)化氣缸-活塞摩擦副的設計，因氣缸孔具有剛性的結構型式，因此能進一步降低3道活塞環(huán)的張力。3缸和4缸機的鍛鋼曲軸各有4個平衡塊。噴油泵和凸輪軸由低振動的曲軸后端鏈輪驅動(圖4)。2種機型的滾動軸承平衡軸均由齒輪驅動，4缸機的2根高置平衡軸由熱壓配合在最后一個曲柄臂位置上的齒輪驅動。3缸機的一階自由慣性力矩由支承在氣缸體曲軸箱中的鍛鋼平衡軸來平衡，由曲軸前端的整體式齒輪驅動。為了改善聲學性能，柴油機應用張緊直齒輪，并加裝彈簧，轉動時齒面嚙合轉換平穩(wěn)，消除了怠速運轉時齒輪嚙合的異響。

與BMW公司所有柴油機一樣，鏈傳動機構由3部分組成，在鏈條平面上形成連套的緊湊結構型式。系統(tǒng)中的大多數(shù)部件都是可用于其他標準部件發(fā)動機的通用件。在量產(chǎn)時首次應用具有物理汽相沉積涂層鉚釘?shù)逆湕l，這種涂層可消除鏈條在被積炭污染的發(fā)動機機油中對磨損的敏感性。

油底殼中組合式機油泵和真空泵的設計方案是在現(xiàn)有量產(chǎn)柴油機的基礎上演變而來的。全可變滑片式機油泵則是全新開發(fā)的，帶有1個調(diào)節(jié)閥，其體積流量可在整個特性曲線場范圍內(nèi)進行調(diào)節(jié)。這種調(diào)節(jié)方式允許發(fā)動機在寬廣的特性曲線場范圍內(nèi)以低機油壓力運行，而機油噴嘴能以不同的壓力水平打開或關閉，從而獲得顯著的節(jié)油效果(圖5)。

5增壓和噴油

柴油機的產(chǎn)品性能主要取決于增壓系統(tǒng)和噴油系統(tǒng)，相應的創(chuàng)新技術已被用于量產(chǎn)。BMW公司在新型3缸柴油機上應用型號為“VTG 35”的可變渦輪截面(VTG)增壓器，通過新開發(fā)的壓氣機葉輪，以及與渦輪精確協(xié)調(diào)的渦輪導向葉片流通截面幾何形狀，獲得突出的熱力學性能?？勺儨u輪導向葉片可精確、迅速地進行電動調(diào)節(jié)，從而以極小的滯后實現(xiàn)最佳的增壓壓力調(diào)節(jié)。

BMW公司首次在新型4缸柴油機上裝配由滾動軸承支承的GT 7型VTG增壓器，新開發(fā)的渦輪與壓氣機葉輪相結合，在效率、瞬態(tài)響應和加速性能方面創(chuàng)造了最佳記錄。這種新型的轉子支承方式能降低摩擦，并具有較高的總效率。在開發(fā)這些新技術時，除熱力學目標外，還特別注重提高可靠性和聲學性能。

在3缸和4缸柴油機上都配裝了新一代高壓共軌噴油系統(tǒng)，該噴油系統(tǒng)具有以下特性： (1)最高系統(tǒng)壓力提高到200MPa；(2)更高的系統(tǒng)動態(tài)性能；(3)燃燒室中更好的燃油準備。在系統(tǒng)壓力和動態(tài)性能方面具有競爭性要求的關鍵因素是開關閥技術，以及新一代CRI 2.20型電磁閥式噴油器的壓力補償功能。噴油器的設計能與提高的系統(tǒng)壓力和燃燒方面的特殊要求相匹配，同時，靠近座面的針閥導向明顯改善了燃油噴束品質(zhì)。

6燃燒過程

開發(fā)燃燒過程的重點是改善低轉速和中等轉速時部分負荷區(qū)域的性能，其主要的影響因素包括： (1)關閉渦輪導向葉片時的渦輪效率；(2)應用具有較小流量的噴油嘴(QH 370，7孔)；(3)系統(tǒng)壓力為200MPa的電磁閥式噴油器。

標準部件發(fā)動機燃燒過程的改善主要表現(xiàn)在4缸發(fā)動機轉速1500r/min時的負荷截面上(圖6)。噴油壓力高達200MPa的噴油系統(tǒng)，以及經(jīng)優(yōu)化的噴油器、噴油嘴和增壓使功率提高5kW，噴油嘴流量減小25%，從而降低了燃油耗和碳煙排放，并改善了燃燒噪聲。

BMW公司在4缸柴油機上首次應用的燃燒壓力傳感器有助于改善燃燒過程。最初，這種傳感器被用于調(diào)節(jié)燃燒重心位置，50%已燃質(zhì)量百分數(shù)(MFB-50)點的采集和調(diào)節(jié)能明顯減弱進氣空氣質(zhì)量采集誤差的影響，滿足廢氣排放限值要求，而不會對廢氣排放穩(wěn)定性和駕駛機動性產(chǎn)生不良影響。而且，燃燒壓力傳感器又為對燃燒過程施加影響開啟了其他可能性。

7排氣后處理系統(tǒng)

一直以來，BMW公司都將氧化催化轉化器(DOC)和吸附式氮氧化物催化轉化器(NSC)集成于同一殼體的方案用于柴油車，現(xiàn)在，這種對性能和成本均有利的結構布置型式也被用于橫置式發(fā)動機車型(圖7)，并與布置在汽車地板下的選擇性催化還原(SCR)轉化器相結合，形成1個模塊化裝置，以滿足可預見的全球廢氣排放法規(guī)要求。

柴油機顆粒捕集器(DPF)采用經(jīng)試驗證實有效的具有催化劑涂層的SiC結構型式。為了減少噪聲和熱輻射，其外殼用帶刺不銹鋼薄板包裹的厚度為10mm的硅酸鹽纖維護板遮蓋。

排氣后處理系統(tǒng)的傳感器包括DPF前后的壓差傳感器、催化轉化器前后的溫度傳感器，以及DPF后的過量空氣系數(shù)λ傳感器。這種緊湊的結構型式對系統(tǒng)部件的流動造型及其熱力-機械設計提出很高的要求，例如，由渦輪增壓器渦旋引起的催化轉化器基質(zhì)載體中的不均勻流動必須通過喇叭形進口中的流動整流器加以改善。除了用于歐5或歐6的DOC或NSC結構型式外，圖7還示出了SCR方案，它被用于高功率車型并投放美國市場。AdBlue尿素溶液計量模塊在上述方案中作為被分離部件使用。

8燃油耗

通過在發(fā)動機摩擦、熱力學和暖機運轉性能等方面的不斷開發(fā)，與老機型相比，新機型具有明顯的節(jié)油效果。此外，在3缸機上，通過小型化措施，進一步展示出通用標準部件的優(yōu)越性。下文將詳細探討幾種降低CO2排放的措施[1]。

其中，活塞組的主要設計措施包括： (1)活塞間隙增大40%；(2)活塞中心線偏移量減小20%；(3)活塞裙部采用能降低摩擦功率的涂層；(4)活塞環(huán)高度縮小到1.5mm；(5)活塞環(huán)切向力減小25%。這種活塞組能使新歐洲行駛循環(huán)(NEDC)下的CO2排放量最多降低1%，并且不會影響活塞噪聲和機油消耗量。

通過采用可調(diào)式滑片機油泵，還能進一步降低CO2排放，與可開關的機油噴嘴和可減少機油泄漏的主軸承相結合，能明顯降低部分負荷運行工況的機油壓力水平，機油壓力可低至0.13MPa，從而使NEDC的CO2排放量最多降低2%。

4缸柴油機采用新型滾動軸承廢氣渦輪增壓器，通過改善效率，可使部分負荷工況燃油耗降低1%～2%。此外，與新型噴油系統(tǒng)相結合，還能快速建立增壓壓力，顯著改善瞬態(tài)響應特性。

通過優(yōu)化摩擦和熱力學，為降低3缸柴油機的CO2排放提供了額外的自由空間，除來自縮小排量和改善熱力學性能的優(yōu)勢外，還采取通過縮短暖機運轉時間減少摩擦損失，以及減少軸承數(shù)、縮小機油泵等措施。此外，還取消預熱塞，并減少預熱電流的需求量，最終，與2.0L老機型相比，燃油耗降低9%,與1.6L 4缸柴油機相比，燃油耗降低約5%。

9功率和扭矩

圖8示出了新型3缸和4缸柴油機的全負荷特性曲線。所有采用標準部件的機型均在寬廣的轉速范圍內(nèi)具有豐滿的扭矩特性曲線，從而可在2000r/min的轉速跨度范圍內(nèi)提供90%的最大扭矩。

3缸柴油機以70kW功率、220N·m扭矩或85kW功率、270N·m扭矩覆蓋低功率車型；4缸柴油機的高功率機型目前已投入量產(chǎn)，相比老機型功率增加5kW，達140kW，扭矩增加20N·m，達400N·m。未來，還將通過向下和向上擴展功率變型,充實該柴油機系列。此次開發(fā)的結果是CO2排放量降低9%，同時顯著改善了車輛的行駛性能(表2)。

表2　3缸和4缸柴油機車型的行駛性能和燃油耗

10聲學性能

通常，柴油機具有較高的升功率和升扭矩，以及較豐滿的全負荷特性曲線，因而對聲學性能提出特殊要求。特別是在低轉速區(qū)域,氣缸數(shù)的減少及增大扭矩所需的增壓壓力升高增強了運轉平穩(wěn)性和空氣流動脈沖的持續(xù)性。額定功率與部分負荷之間的跨度增大又提出新挑戰(zhàn)，而且必須采用固定的噴油嘴尺寸來滿足這種要求。驅動齒輪中裝有張緊彈簧的平衡軸、進氣空氣管路中的寬帶諧振器，以及內(nèi)襯吸音泡沫材料的進氣罩殼中的阻尼器，都在力學和空氣導向方面明顯抑制了空氣脈沖的持續(xù)性。

持續(xù)改進燃燒過程也對降低燃燒噪聲產(chǎn)生了非常有利的效果。采用工作能力更強的噴油系統(tǒng)，使其能夠應用液力流量較小的噴油嘴，并優(yōu)化最小噴油量的噴射能力，更好的混合氣準備使著火滯后縮短，從而獲得較小的燃燒壓力升高率。

與舊機型相比，BMW公司新型3缸和4缸柴油機具有較低的噪聲，并大幅降低了空氣流動脈沖的持續(xù)性(圖9)。

11廢氣排放

通過不斷開發(fā)燃燒過程，新機型的原始排放相比老機型明顯降低。此外，結合NSC和DPF等近發(fā)動機排氣后處理裝置，新車型的廢氣排放以較可靠的差距處于歐6限值以下。同時，新型模塊化排氣后處理系統(tǒng)具有進一步滿足美國和歐洲未來排放限值要求的潛力。

12結語

為了應對未來更嚴峻的挑戰(zhàn)，BMW公司為直列

式汽油機和柴油機開發(fā)了具有重要意義的標準部件。這些新型動力總成的結構是建立在當前柴油機的可靠設計方案基礎之上的，并通過最新的系統(tǒng)開發(fā)構建了一個持久的技術平臺。新型3缸柴油機以低燃油耗而倍受青睞。

作為新發(fā)動機系列的首批機型，3缸機的2種功率變型和4缸機的高功率機型已投放市場。與舊機型相比，新機型的動力性能顯著提高，同時大幅降低了燃油耗，所有目標車型的廢氣排放明顯低于未來的歐6限值。此外，配裝新型標準部件柴油機的車型還具有良好的聲學性能。

參考文獻

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范明強譯自MTZ， 2014， 75(7/8)

張慰編輯

收稿日期：( 2014-11-19)