BMW公司320d型轎車用雙功率渦輪增壓柴油機(jī)

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1 轎車用柴油機(jī)

現(xiàn)代汽車面對的最重要課題是減少CO2排放，為此正在進(jìn)行各種開發(fā)研究。柴油機(jī)由于燃燒循環(huán)特性，熱效率比汽油機(jī)高，作為減少CO2排放的有效技術(shù)，再次引起人們的關(guān)注。

近25年間，由于多種原因，配裝柴油機(jī)的轎車銷售比例正快速上升。尤其是歐洲汽車工業(yè)協(xié)會(ACEA)為實(shí)現(xiàn)流動性社會的可持續(xù)發(fā)展，規(guī)定了每家汽車制造商的CO2平均排放量的最大目標(biāo)值。

由于廢氣排放及CO2等法規(guī)限值的收緊，汽油機(jī)除了采用直噴技術(shù)、增壓技術(shù)外，也要采用各種可變機(jī)構(gòu)，相比于柴油機(jī)，汽油機(jī)正在失去結(jié)構(gòu)零件簡單、成本低的優(yōu)越性。

另一方面，隨著燃油噴射技術(shù)及增壓技術(shù)的提高，柴油機(jī)曾經(jīng)的缺點(diǎn)，如比功率低、噪聲大，以及冒黑煙的問題已得到改善，達(dá)到可與汽油機(jī)相匹敵的水平。

目前，柴油機(jī)與汽油機(jī)應(yīng)用的涵蓋范圍有較大的重疊，從其目標(biāo)性能來看，排放達(dá)到法規(guī)限值之后，設(shè)定更高的扭矩與輸出功率目標(biāo)，從而要求超過目前水平的優(yōu)異的燃油經(jīng)濟(jì)性能，并進(jìn)一步降低CO2排放。

1.1 BMW公司轎車用柴油機(jī)

BMW公司1983年以M20型6缸汽油機(jī)為基礎(chǔ)，開發(fā)轎車專用M21型柴油機(jī)，并配裝到BMW公司524td型轎車上。該發(fā)動機(jī)采用了當(dāng)時的小型柴油機(jī)上使用較多的過流室式直接噴射(IDI)的燃燒方式，該車型以接近汽油車的動力性能與良好的燃油經(jīng)濟(jì)性，受到長途駕駛用戶的歡迎。

隨著6缸汽油機(jī)逐漸被更新為M51型柴油機(jī)，為了持續(xù)對燃燒室進(jìn)行改進(jìn)，中間冷卻器的采用等目標(biāo)，在1991年實(shí)現(xiàn)了轎車用柴油機(jī)的高性能化與輕量化。

1998年，第三代M47型柴油機(jī)面市(圖1)。這款4缸柴油機(jī)采用BMW公司的首例缸內(nèi)直噴技術(shù)，隨后開發(fā)了6缸(M57)及8缸(M67)柴油機(jī)，并配裝到740d型轎車(排量3.9 L，功率175 kW，扭矩560 N·m)和745d型轎車(2006年款，排量4.4 L，功率242 kW，扭矩750 N·m)上。

圖1 M47型發(fā)動機(jī)外觀

1.2 發(fā)動機(jī)性能的變遷

圖2示出了1983—2012年的BMW柴油機(jī)(以6缸發(fā)動機(jī)為例)的性能變遷。從配裝于524td型轎車的2.4 L發(fā)動機(jī)，到配裝于M550d型轎車上裝有3個渦輪增壓器的3.0 L發(fā)動機(jī)，扭矩增加了352%，功率提高了329%，燃油耗改善了11%。其排放性能滿足歐6排放法規(guī)限值要求。

圖2 1983—2012年發(fā)動機(jī)性能變遷

1.3 面向高性能化的途徑

自從轎車用柴油機(jī)上引入直噴系統(tǒng)以來，其發(fā)動機(jī)性能的提高出現(xiàn)顯著的變化。

隨著直噴化技術(shù)的應(yīng)用，噴油器在氣缸中央進(jìn)行布置，使得4個進(jìn)、排氣門的布置成為可能，推進(jìn)了兼顧高填充效率與適合于燃燒的進(jìn)氣流動的進(jìn)排氣系統(tǒng)的設(shè)計。

燃油噴射系統(tǒng)利用共軌噴油系統(tǒng)，以及壓電式/電磁閥式噴油器，在發(fā)動機(jī)寬廣的轉(zhuǎn)速范圍與負(fù)荷工況下實(shí)現(xiàn)高的效率，使清潔燃燒成為可能。

對實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)作出較大的貢獻(xiàn)的是高壓燃油噴射，噴油器動作控制的精確化和多樣化。為了實(shí)現(xiàn)燃油穩(wěn)定地霧化和噴射，開發(fā)具備更高噴油壓力及更高噴油響應(yīng)性的燃油噴射系統(tǒng)。

為了產(chǎn)生更高比功率和比扭矩，需要將更多的空氣供給發(fā)動機(jī)。目前正在引進(jìn)的技術(shù)有：渦輪增壓器的高效化、提高中冷器的冷卻性能和應(yīng)用可變噴嘴渦輪增壓器，并采用了多級增壓等增壓技術(shù)。尤其在轎車方面，利用對負(fù)荷變化的高響應(yīng)性，在同樣寬廣的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，能獲得較高的增壓壓力。

為提高車輛性能，發(fā)動機(jī)的輕量化也較為重要。為了滿足發(fā)動機(jī)排放法規(guī)要求，以及實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)高性能化，應(yīng)用了各類機(jī)構(gòu)和零件，性能增多，質(zhì)量增加，這對發(fā)動機(jī)輕量化帶來了更大困難。首先，將發(fā)動機(jī)單件質(zhì)量最高的機(jī)體材質(zhì)由鑄鐵轉(zhuǎn)換為鋁合金鑄件。為確保機(jī)體剛度，從結(jié)構(gòu)上進(jìn)行重新評價，以及加強(qiáng)軸承部件的結(jié)合剛度，氣缸部采用鑄鐵缸套，而且同時引進(jìn)缸套噴鍍處理等技術(shù)。

圖3表示機(jī)體的材料與質(zhì)量的變遷(以6缸發(fā)動機(jī)為實(shí)例)。

圖3 發(fā)動機(jī)機(jī)體材料和質(zhì)量的演變

①為了符合原著本意，本文仍沿用原著中的非法定單位——編注。

1.4 排放法規(guī)

發(fā)動機(jī)的廢氣排放法規(guī)限值逐年在收緊(圖4)。由于CO2排放量相對較少，而在引起人們關(guān)注的柴油機(jī)排放氣體中，尤其要把削減氮氧化物(NOx)與顆粒物(PM)的排放作為重要課題進(jìn)行研究。

圖4 柴油機(jī)排放法規(guī)

圖5表示BMW公司削減柴油機(jī)有害氣體排放的路線圖。

圖5 BMW公司的柴油機(jī)排氣后處理技術(shù)

2 新型320d轎車用發(fā)動機(jī)

最新的BMW 3系(F30型)轎車自2012年開始投放市場，在日本銷售的初期，成為320d型轎車系列的柴油車型成員。配裝到320d型轎車上的發(fā)動機(jī)機(jī)型，是型號為N47D2001的4缸柴油機(jī)。

在BMW公司，采用了以下所述發(fā)動機(jī)開發(fā)理念。使用渦輪增壓時，與可變機(jī)構(gòu)組合，使渦輪增壓器發(fā)揮更好效果。汽油機(jī)采用了全可變氣門機(jī)構(gòu)與渦輪增壓技術(shù)，平行雙渦輪及雙入口渦輪等；柴油機(jī)則采用兩級渦輪增壓及電子控制電動可變噴嘴渦輪與新一代共軌噴油系統(tǒng)的組合，將這些組合總稱為“雙功率渦輪”汽油機(jī)/柴油機(jī)。

以往，配裝柴油機(jī)的轎車在日本市場普及率不高，由于引入了320d型轎車，裝用柴油機(jī)的車型(320d型轎車)占了系列車型銷量的30%左右。而且，在日本來自其他公司的替代車輛不多，高性能的柴油車的需求量較大。

表1列出了發(fā)動機(jī)的技術(shù)規(guī)格，并且與汽油機(jī)的對比情況。2種發(fā)動機(jī)都采用BMW公司缸心距91 mm的基本型發(fā)動機(jī)，并采用鑄造鋁合金機(jī)體。

320d型轎車JC08工況下的燃油耗為19.4 kW/L，汽油車320i型轎車為16.6 km/L，柴油車燃油耗相對降低了17%。

2.1 基本結(jié)構(gòu)

N47型發(fā)動機(jī)采用了與N20型4缸汽油機(jī)通用的鋁合金鑄造機(jī)體，利用1對平衡軸以抵消二次旋轉(zhuǎn)振動。該平衡軸的軸承采用滾針軸承以降低摩擦損失。另外，該平衡軸驅(qū)動中還使用了零齒隙齒輪。

表1 320d和320i發(fā)動機(jī)技術(shù)規(guī)格

在鋁合金機(jī)體的設(shè)計中使用了仿生工程學(xué)。圖6表示在機(jī)體的設(shè)計中，仿生學(xué)應(yīng)用的實(shí)例。在合理的機(jī)體結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)輕量化的同時，也改善了發(fā)動機(jī)的噪聲和振動。

圖6 鋁合金機(jī)體仿生學(xué)設(shè)計

運(yùn)用最新的流體力學(xué)的解析與設(shè)計技術(shù)，從新鮮空氣引進(jìn)口到排氣管出口進(jìn)行了重新評價。要求合理應(yīng)對多樣化的發(fā)動機(jī)規(guī)格進(jìn)行改進(jìn)。由于進(jìn)、排氣設(shè)置空間的制約條件較多，在有限的空間中進(jìn)行了最佳的通道設(shè)計。圖7為渦輪增壓器壓氣機(jī)入口部的設(shè)計實(shí)例。相比于傳統(tǒng)的壓氣機(jī)入口存在流動偏差，導(dǎo)致壓氣機(jī)實(shí)際效率降低，新型壓氣機(jī)入口設(shè)計要求形成均勻的流動。隨著壓氣機(jī)入口的壓力損失減少，提高了效率。

圖7 壓氣機(jī)入口的流動

關(guān)于機(jī)構(gòu)部分，由于分別進(jìn)行詳細(xì)的分析，推進(jìn)了發(fā)動機(jī)輕量化的實(shí)施。圖8示出了連桿大、小頭部的設(shè)計。連桿桿身部變更為減輕質(zhì)量后的形狀，在實(shí)現(xiàn)輕量化的同時，使軸承承載負(fù)荷均勻化。并使其最大值分別削減30%左右，降低了摩擦損失。

圖8 發(fā)動機(jī)連桿小頭部

2.2 燃油噴射系統(tǒng)

該機(jī)型燃油噴射系統(tǒng)采用第三代共軌燃油系統(tǒng)，使用180 MPa噴油壓力的電磁閥式噴油器進(jìn)行噴油。

為噴油泵供給燃油的供油泵變更動態(tài)控制噴油泵所需要的燃油量及壓力。由于這種控制的變更，燃油經(jīng)濟(jì)性提高了約1%(圖9)。

在高功率版本發(fā)動機(jī)中(功率160 kW，扭矩450 N·m)，采用200 MPa燃油壓力的壓電式噴油器。

圖9 燃油壓力控制

2.3 增壓系統(tǒng)

BMW公司以帶可變噴嘴的渦輪增壓器(VNG)為核心，嘗試運(yùn)用機(jī)械式增壓器、電動式增壓器、兩級渦輪增壓器，平行雙渦輪增壓器、組合了平行雙渦輪與兩級增壓器的裝備3個渦輪的增壓器等各種增壓方式。根據(jù)必要的扭矩特性及發(fā)動機(jī)尺寸，采用了最佳的增壓系統(tǒng)。在320d型轎車上，采用了常見的VNG。高性能規(guī)格車輛上，采用著兩級增壓系統(tǒng)，即低壓級使用大型渦輪，高壓級使用小型VNG。

正如前文所述，進(jìn)、排氣系統(tǒng)的通道設(shè)計對填充效率及渦輪增壓器效率有較大的影響，所以，不是按單件渦輪進(jìn)行設(shè)計，而是將渦輪與前后的通道進(jìn)行整體設(shè)計。

設(shè)定以可變噴嘴為首的渦輪控制因素，采用電子控制，利用前饋控制方式使過渡性能、燃油耗及排放性能實(shí)現(xiàn)較高水平的平衡。

2.4 發(fā)動機(jī)性能

圖10表示發(fā)動機(jī)性能曲線，在1 500～3 700 r/min的寬廣轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)可以產(chǎn)生90%左右的最大扭矩。

圖10 N47D2001發(fā)動機(jī)功率特性

最高輸出功率與汽油機(jī)相同，最大扭矩高達(dá)140%，高速行駛時，無需換檔減速，即可實(shí)現(xiàn)強(qiáng)勁的加速。

2.5 排氣后處理

按照圖5所示的BMW公司削減廢氣排放路線圖，在320d型轎車上用DPF進(jìn)行PM的處理，用氧化催化器處理CO與HC，用PM NSC進(jìn)行NOx的后處理，其排放性能滿足歐6標(biāo)準(zhǔn)要求。

為了滿足歐6標(biāo)準(zhǔn)要求，首要目的是控制基本的發(fā)動機(jī)本體的排放，利用燃油噴射定時、噴油量、噴霧(燃油霧化)特性與燃燒室結(jié)構(gòu)，確?；救紵匦?。使CO、HC及PM達(dá)到最小限度之后，利用充分冷卻的大流量EGR，降低NOx排放。

用DPF捕集PM，用氧化催化器使HC、CO氧化，進(jìn)行無害化處理。在較輕整備質(zhì)量的BMW 3系列車型上，采用NSC。在發(fā)動機(jī)排氣部—渦輪后方設(shè)置NSC與DPF，正常運(yùn)轉(zhuǎn)時吸附NOx與PM，使吸附到一定數(shù)量排放物的發(fā)動機(jī)按短時間再生模式進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)，還原無害化處理后進(jìn)行排放(圖11)。

圖11 NSC系統(tǒng)

2.6 削減CO2排放

按照行駛(試驗(yàn))工況的燃油耗進(jìn)行比較，在很寬的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，320d型轎車相比于320i汽油機(jī)轎車的燃油耗改善了20%～25%(圖12)。因此320d型轎車在歐洲的銷售業(yè)績良好。以此為據(jù)，企業(yè)為達(dá)到削減CO2排放量的目標(biāo)也作出了貢獻(xiàn)。

3 今后的展望

今后的CO2排放法規(guī)限值將會進(jìn)一步收緊，有必要為進(jìn)一步改善燃油耗進(jìn)行開發(fā)。因此，期待以下各種新技術(shù)的引進(jìn)與應(yīng)用：先進(jìn)燃燒技術(shù)、增壓技術(shù)，降低燃油耗，以及利用比功率增加，置換為小排量及氣缸數(shù)少的發(fā)動機(jī)，實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)小型化。同時，引進(jìn)與電動驅(qū)動組合的混合動力系統(tǒng)，熱量回收技術(shù)等。

為了發(fā)動機(jī)小型化，使氣缸數(shù)減少，發(fā)動機(jī)的振動情況會惡化，所以必須采用平衡裝置。通過零部件的精制、裝配等技術(shù)改進(jìn)，以降低振動，也是一項(xiàng)重要的課題。另外，利用消聲、隔噪、音質(zhì)的調(diào)諧等技術(shù)，避免降低整車舒適性，致力于進(jìn)一步提高舒適性的研究也是迫在眉睫。

進(jìn)行新技術(shù)開發(fā)需要巨大的開發(fā)經(jīng)費(fèi)，所以，BMW公司設(shè)定1個氣缸的基本排量為500 mL，并以此為基礎(chǔ)研發(fā)了各種排量、氣缸數(shù)的發(fā)動機(jī)，并采用通用的燃油噴射技術(shù)。另外，模塊化也是進(jìn)行柴油機(jī)與汽油機(jī)的通用化手段之一，目前，研發(fā)人員正在致力于發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)更詳細(xì)的合理化設(shè)計。