BMW與PSA聯(lián)合開發(fā)的四缸汽油發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)介紹(二)

◆文/浙江 范明強(qiáng)

范明強(qiáng) (本刊編委會(huì)委員)

教授級高級工程師，參加過陜西汽車制造總廠的籌建工作，主管柴油機(jī)的產(chǎn)品開發(fā)；1984年調(diào)往機(jī)械工業(yè)部無錫油泵油嘴研究所，曾任一汽無錫柴油機(jī)廠 、第一汽車集團(tuán)公司無錫研究所高級技術(shù)顧問、湖南奔騰動(dòng)力科技有限公司總工程師。

(接上期)

6.模塊化輔助設(shè)備傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和熱管理

原則上，輔助設(shè)備傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的使用壽命最短設(shè)計(jì)為240 000km，它們被分成兩個(gè)相互獨(dú)立的功能模塊，分別適用于各自的發(fā)動(dòng)機(jī)型及其配套車型。

模塊1由一根長度為905mm的6筋三角皮帶傳動(dòng)，如圖10所示。發(fā)電機(jī)功率在150A以下可以取消附加的導(dǎo)向輪，而在無空調(diào)壓縮機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)上可以取消張緊輪，發(fā)電機(jī)的傳動(dòng)則僅由一根長度為648mm的實(shí)心皮帶來實(shí)現(xiàn)。因首次應(yīng)用了單臂扭簧張緊器，所以它使所有型號(hào)的發(fā)電機(jī)都能夠直接固定在汽缸體曲軸箱上，縮短了發(fā)動(dòng)機(jī)長度。

圖10 輔助設(shè)備傳動(dòng)機(jī)構(gòu)模塊

模塊2通過一個(gè)由曲軸傳動(dòng)皮帶背面的中間摩擦輪來實(shí)現(xiàn)冷卻水泵的傳動(dòng)。在增壓機(jī)型上，該中間摩擦輪始終處于嚙合狀態(tài)，而在自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)上，該摩擦輪固定在一個(gè)懸臂上。通過一個(gè)電控偏心輪機(jī)構(gòu)可改變這個(gè)摩擦輪的位置，另外可以用純機(jī)械方法確保中間摩擦輪與曲軸傳動(dòng)皮帶背面之間必要的壓緊力或者脫開傳動(dòng)。在暖機(jī)階段可使中間摩擦輪脫開傳動(dòng)，因而能夠主動(dòng)參與發(fā)動(dòng)機(jī)的熱管理，冷卻水泵脫開傳動(dòng)可以使得發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油熱得更快些，并能夠降低摩擦功率。應(yīng)用可接合/分離的冷卻水泵并按特性曲線場脈譜圖控制冷卻可實(shí)現(xiàn)連續(xù)的熱管理，這在此種類型發(fā)動(dòng)機(jī)上絕對是新穎的，且對降低燃油耗和CO2排放作出了重大的貢獻(xiàn)。冷卻水泵的這種傳動(dòng)方式使得作用在水泵上的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)力要比通常的三角筋條皮帶傳動(dòng)低許多倍，因此水泵殼能夠用塑料制成，水泵軸的支承也能夠簡化。

7.摩擦功率

該汽油機(jī)對于每個(gè)子系統(tǒng)都預(yù)先確定了專門的摩擦功率目標(biāo)。在所有部件的開發(fā)中都仔細(xì)地進(jìn)行了摩擦功率試驗(yàn)，對出現(xiàn)的目標(biāo)偏差進(jìn)行分析，并采取了改進(jìn)措施。雖然發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)比較復(fù)雜，但是從總體上來說，該機(jī)的摩擦功率較低，優(yōu)于平均水準(zhǔn)，對達(dá)到燃油耗目標(biāo)作出了重要貢獻(xiàn)。

曲柄連桿機(jī)構(gòu)是發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦功率的最大消耗者，因此改善這些部件的摩擦對整臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦性能的影響是最大的。曲軸的設(shè)計(jì)總是在較小的軸承直徑、足夠的曲軸剛度和無懈可擊的性能之間尋找最佳的折中。因此，已將所有功率等級機(jī)型的主軸承直徑從50mm減小到45mm。活塞環(huán)組也經(jīng)過不斷地優(yōu)化，整套活塞環(huán)組的最大切向力降低到40N就表現(xiàn)出非常有利的效果。所有這些措施使得曲柄連桿機(jī)構(gòu)機(jī)構(gòu)的摩擦功率處于分布帶的下端，如圖11所示。而飛輪的不平衡會(huì)對摩擦功率產(chǎn)生另一種影響，因此已通過減小飛輪不平衡度的最大容許公差來限制這種影響。

圖11 自然吸氣機(jī)型曲柄連桿機(jī)構(gòu)摩擦功率的改善效果

兩種氣門機(jī)構(gòu)功率消耗的比較表明：

(1)由于自然吸氣機(jī)型所用的全可變氣門機(jī)構(gòu)全部采用了滾針軸承，因此即使其運(yùn)動(dòng)件的數(shù)目明顯較多，但是在最大氣門升程時(shí)其摩擦功率消耗還是處于較好的水平；

(2)在最小氣門升程時(shí)其消耗的摩擦功率還能再減小多達(dá)25%。用戶行駛運(yùn)行工況時(shí)間最多的負(fù)荷區(qū)間處于怠速與部分負(fù)荷之間的范圍內(nèi)，因此較大的節(jié)油效果也是在該負(fù)荷工況范圍內(nèi)獲得的。

通過零件持續(xù)不斷地優(yōu)化，已將全可變氣門機(jī)構(gòu)因工作原理所決定的較大的摩擦功率降低到了可接受的水平，如圖12所示。

圖12 兩種機(jī)型包括鏈傳動(dòng)在內(nèi)的氣門機(jī)構(gòu)摩擦力矩

為了使自然吸氣機(jī)型所采用的進(jìn)排氣雙凸輪軸相位調(diào)節(jié)器能快速地響應(yīng)，必須在最高容許機(jī)油溫度下即使在怠速運(yùn)行時(shí)也能提供足夠高的機(jī)油壓力。在初期設(shè)計(jì)階段，曾應(yīng)用過一種壓力可調(diào)節(jié)的機(jī)油泵方案，它能在泵油量與功率消耗之間獲得可接受的折中，但是為了在接近怠速的運(yùn)行范圍內(nèi)能達(dá)到泵油量的目標(biāo)值，則必須應(yīng)用尺寸明顯較大的機(jī)油泵，如圖13所示，因此決定選用體積流量可調(diào)式機(jī)油泵。從圖13中可清楚地看出，從2 000r/min轉(zhuǎn)速起其消耗的功率大大降低，通過諸如精細(xì)地調(diào)整齒輪組等其他一些措施還能將2 000r/min轉(zhuǎn)速基準(zhǔn)點(diǎn)的功率消耗降低大約30%。暖機(jī)運(yùn)行時(shí)，在發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油粘度較高的情況下，即使在低轉(zhuǎn)速時(shí)，通常體積流量可調(diào)式機(jī)油泵也明顯占優(yōu)勢，因此不僅在用戶實(shí)際運(yùn)行中，而且在歐盟燃油耗試驗(yàn)循環(huán)中燃油耗也降低了。

圖13 兩種機(jī)型體積流量可調(diào)式機(jī)油泵的節(jié)油潛力

一個(gè)由發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)控制的摩擦輪能按需要來操縱冷卻水泵是否運(yùn)轉(zhuǎn)使用，這在此種等級發(fā)動(dòng)機(jī)中是獨(dú)一無二的創(chuàng)新，因此在明顯縮短的暖機(jī)期間，冷卻水泵的機(jī)械和液壓功率都不消耗了。冷卻水泵傳動(dòng)輪橡膠涂層的改進(jìn)以及使用一個(gè)封閉的傳動(dòng)摩擦輪進(jìn)一步降低了高轉(zhuǎn)速下輔助設(shè)備傳動(dòng)的摩擦力矩約20%，如圖14所示。

圖14 兩種機(jī)型皮帶傳動(dòng)及其輔助設(shè)備無載荷時(shí)的功率消耗

將泵吸損失降低到最低程度是另一個(gè)重要的開發(fā)目標(biāo)。泵吸損失可被理解為氣動(dòng)功，這是跟隨活塞移動(dòng)的空氣體積所必需消耗的功。因?yàn)樵谵D(zhuǎn)速較高時(shí)泵吸損失才有明顯的改善，如圖15所示，因此只有在功率需求較高時(shí)所減少的泵吸損失才顯示出明顯的優(yōu)勢。雖然汽缸體曲軸箱和汽缸蓋上的空間位置情況非常緊湊，但還是獲得了較大的開放式的曲軸箱通風(fēng)截面以及汽缸體曲軸箱與汽缸蓋之間的連接(參見圖4、圖5)。采取措施所得的綜合效果使得高轉(zhuǎn)速時(shí)的泵吸損失降低了11Nm或者90%以上。

圖15 兩種機(jī)型在最高機(jī)油液面時(shí)的泵吸損失

整機(jī)無換氣時(shí)的摩擦力矩圖線可以清楚地看到，廣泛的機(jī)械改進(jìn)取得了良好的效果，如圖16所示。在2 000r/min轉(zhuǎn)速基準(zhǔn)點(diǎn)上摩擦力矩降低了15%，而在較高的轉(zhuǎn)速時(shí)摩擦力矩的降低甚至達(dá)到了30%。若將降低的泵吸損失一起考慮在內(nèi)的話，所有改進(jìn)措施使摩擦平均壓力降低了足有50%。

圖16 自然吸氣機(jī)型無換氣時(shí)的摩擦力矩

三、試驗(yàn)結(jié)果

以下介紹所達(dá)到的有關(guān)動(dòng)態(tài)性能、效率和排放方面的試驗(yàn)結(jié)果。1.70kW和88kW標(biāo)定功率機(jī)型

(1)動(dòng)態(tài)性能

BMW公司Mini轎車從來就是以其靈活性給人留下深刻的印象，特別是良好的加速性和發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)性相結(jié)合，其靈活性發(fā)揮得更加淋漓盡致。在兩種自然吸氣機(jī)型上，通過采取一系列的技術(shù)措施達(dá)到了相應(yīng)的要求。

整個(gè)進(jìn)氣系統(tǒng)在更大范圍內(nèi)減少節(jié)流損失應(yīng)從汽車前端的設(shè)計(jì)著手，包括減少進(jìn)氣口的氣流損失，優(yōu)化初始進(jìn)氣管、空氣濾清器和清潔空氣管中的流動(dòng)。進(jìn)氣裝置滿足了苛刻的結(jié)構(gòu)空間要求，并配備了一個(gè)諧振箱，其容積及其在整機(jī)總布置上的連接通過一維和三維相結(jié)合的換氣計(jì)算進(jìn)行了仔細(xì)的優(yōu)化，因此在低轉(zhuǎn)速時(shí)獲得了連續(xù)豐滿的扭矩特性曲線。用消失模鑄造的汽缸蓋具有較高的表面質(zhì)量，再加上充氣效率優(yōu)化的進(jìn)氣道設(shè)計(jì)，為實(shí)現(xiàn)高的功率目標(biāo)提供了另一個(gè)重要的前提條件。昂貴的進(jìn)氣道造型不僅確保其獲得了出眾的充氣效果，而且在冷啟動(dòng)和暖機(jī)階段獲得了較低的原始排放。

分缸配置的鋼排氣歧管的每根分管長度為300mm，對提高低速扭矩起到了明顯的作用。廢氣裝置帶有中間消聲器，其容積、結(jié)構(gòu)和位置都針對換氣進(jìn)行了精細(xì)的優(yōu)化，具有較低的排氣背壓，同樣對低速扭矩的提升和達(dá)到功率目標(biāo)做出了重要的貢獻(xiàn)，同時(shí)形成了Mini轎車特有的聲音，有助于改善駕駛的動(dòng)態(tài)感受。

所有改進(jìn)措施組合起來為實(shí)現(xiàn)全負(fù)荷目標(biāo)奠定了基礎(chǔ)。1.4L機(jī)型的最大扭矩達(dá)到140Nm/4 000r/min，最大功率達(dá)到70kW/6 000r/min，而1.6L機(jī)型的最大扭矩達(dá)到160Nm/4 250r/min，最大功率達(dá)到88kW/6 000r/min，并且在2 000r/min時(shí)扭矩就已能達(dá)到140Nm。這兩種機(jī)型的比扭矩都已達(dá)到了100Nm/L，為該等級的轎車樹立了新標(biāo)桿，如圖17所示。

(2)效率

新動(dòng)力總成低的燃油耗不僅為用戶提供了較高的使用經(jīng)濟(jì)性，而且盡到了環(huán)保和社會(huì)責(zé)任。11.0∶1的壓縮比為獲得良好的效率奠定了基礎(chǔ)?？勺冞M(jìn)氣門升程在部分氣門升程時(shí)升程曲線前沿沒有緩慢的斜坡段，使其換氣的泵吸功比用節(jié)氣門調(diào)節(jié)負(fù)荷的發(fā)動(dòng)機(jī)明顯降低。雙氣門導(dǎo)氣屏和配氣相位調(diào)節(jié)獲得了非常良好的廢氣兼容性和燃燒穩(wěn)定性，從而在寬廣的部分負(fù)荷范圍內(nèi)能夠以較大的氣門重疊角和較高的廢氣再循環(huán)率運(yùn)轉(zhuǎn)。由于進(jìn)氣門座圈上的導(dǎo)氣屏的導(dǎo)向作用，在燃燒室中產(chǎn)生滾流運(yùn)動(dòng)，而在中等氣門升程時(shí)，同一個(gè)汽缸中的兩個(gè)進(jìn)氣門開啟的相位差產(chǎn)生了附加的渦流成分，其組合效果使得在點(diǎn)火時(shí)刻的渦流水平足以保證混合汽獲得很短的著火滯后期和高的燃燒速度?；鸹ㄈ陔姌O幾何形狀和耐久性等方面也針對燃燒過程的要求進(jìn)行了專門的匹配調(diào)整。摩擦優(yōu)化的基礎(chǔ)發(fā)動(dòng)機(jī)和流量可調(diào)式機(jī)油泵、按特性曲線場脈譜圖控制的節(jié)溫器以及可接合/分離的冷卻水泵配備成了高效的公共平臺(tái)。

圖17 88kW機(jī)型全負(fù)荷性能與同類競爭機(jī)型的比較

新的自然吸氣機(jī)型在熱態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的燃油耗特性曲線場在同類競爭機(jī)型中是最佳的，如圖18所示。在FEV公司統(tǒng)計(jì)的燃油耗分布帶中示出了88kW機(jī)型的最低有效燃油消耗率和在n=2 000r/min，We=0.2kJ/L負(fù)荷工況點(diǎn)的有效燃油消耗率，這樣低的燃油耗已達(dá)到了噴束引導(dǎo)缸內(nèi)直接噴射稀薄燃燒過程才能達(dá)到的水平。

MiniOne轎車的歐洲試驗(yàn)循環(huán)燃油耗為5.3L/100km，而MiniCooper轎車則為5.4L/100km，這相當(dāng)于比老車型降低了22%。同時(shí)，所應(yīng)用的技術(shù)確保了在全球范圍內(nèi)，在整個(gè)特性曲線場較高的負(fù)荷工況時(shí)具有相似的節(jié)油效果，并幾乎與當(dāng)?shù)氐娜加推焚|(zhì)無關(guān)。所有汽車的燃油耗數(shù)據(jù)都是指從2007年8月起的車型，它們都具有自動(dòng)啟動(dòng)、停車功能，制動(dòng)能量回收和換擋點(diǎn)指示等功能。

(3)排放

新動(dòng)力總成的設(shè)計(jì)能夠滿足全球所有重要的廢排放法規(guī)(EU4、JLEV2005、ULEVⅡ)。降低原始排放、提高啟動(dòng)與暖機(jī)時(shí)的廢氣溫度、提高廢氣后處理裝置的起燃速度以及提高疲勞強(qiáng)度等各種改善發(fā)動(dòng)機(jī)方面的措施對于有效地達(dá)到目標(biāo)要求是具有決定性作用的。

圖18 88kW機(jī)型有效比燃油耗與同類競爭機(jī)型的比較

其中自然吸氣機(jī)型的全可變氣門機(jī)構(gòu)，由于改善了部分氣門升程時(shí)的充氣效果和小氣門流通截面時(shí)的混合汽形成效果，因此給降低試驗(yàn)循環(huán)中的原始排放提供了最佳的前提條件。另外噴油器已針對霧化質(zhì)量和油束噴射方向進(jìn)行了精細(xì)的優(yōu)化，且由于采用了雙氣門導(dǎo)氣屏和配氣相位調(diào)節(jié)的措施，所以獲得了高的燃燒穩(wěn)定性，且這能確?；旌掀軌?qū)崿F(xiàn)稀薄燃燒及獲得高的廢氣溫度、質(zhì)量流量，而原始排放優(yōu)化的燃燒室?guī)缀涡螤钍沟萌紵矫娴拇胧└油陚洹?/p>

在排氣方面采取的措施是采用了熱容量較小的鋼管排氣歧管，在全負(fù)荷熱應(yīng)力場和催化器快速起燃之間獲得了最佳的折中。在設(shè)計(jì)這種排氣歧管時(shí)特別重視使催化器后的連續(xù)變化型λ傳感器能夠迅速起作用，而排氣歧管及其進(jìn)入催化器的喇叭口的造型設(shè)計(jì)為λ傳感器恰當(dāng)?shù)男盘?hào)特性和催化器的穩(wěn)定效果奠定了基礎(chǔ)。近發(fā)動(dòng)機(jī)催化器配備了一個(gè)總?cè)莘e為1.34L的目數(shù)較多的蜂窩狀載體及其抗老化的涂層，并具有較小的壓力損失。總的來說，為滿足歐洲和日本的排放法規(guī)提供了一個(gè)有效且成本非常有利的廢氣后處理系統(tǒng)，其貴金屬的用量極少。

為了滿足美國加州法規(guī)對排放限值和診斷的苛刻要求，ULEV-Ⅱ機(jī)型(88kW)還必須在汽車底板下附加一個(gè)容積為0.95L的催化器。