寶馬公司新型2.0L增壓直噴式汽油機技術(shù)簡介(下)

◆文/浙江 范明強

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

(接上期)

七、機油泵和質(zhì)量平衡機構(gòu)

發(fā)動機潤滑機油由1個體積流量可調(diào)的擺動滑閥式機油泵供應(yīng)，該機油泵與質(zhì)量平衡機構(gòu)模塊一起作為整體單元布置在發(fā)動機油底殼中，并由曲軸前端通過1條噪聲極低的齒形鏈條傳動。發(fā)動機的機油壓力由1個電磁閥根據(jù)每個運行工況點的需求來進行調(diào)節(jié)，因此明顯減少了驅(qū)動功率。

八、汽缸蓋罩、曲軸箱通風(fēng)和機油分離

由塑料制成的汽缸蓋罩既承擔密封功能，而且還集成了曲軸箱通風(fēng)和機油分離裝置。正如在渦輪增壓汽油機上的情況一樣，曲軸箱通風(fēng)通常經(jīng)過兩條途徑返回到汽缸中，部分負荷時在節(jié)氣門后直接進入汽缸蓋進氣道，而在較高負荷即較高增壓壓力時則返回到廢氣渦輪增壓器壓氣機葉輪前的進氣空氣管中。

為了適應(yīng)臨界品質(zhì)燃油市場或者極端氣候，并在機油更換周期中確保良好的機油品質(zhì)，發(fā)動機應(yīng)配備曲軸箱通風(fēng)裝置，保證讓新鮮空氣流過曲軸箱，不會有凝結(jié)物積聚在發(fā)動機機油中，有效地預(yù)防機油品質(zhì)惡化。

九、發(fā)動機機油循環(huán)回路

發(fā)動機機油循環(huán)回路如圖4所示。布置在油底殼后部的擺動滑閥式機油泵供應(yīng)壓力機油，機油首先通過1個板式機油冷卻器，然后再經(jīng)過主油道前的機油濾清器輸送給發(fā)動機潤滑，有針對性地為發(fā)動機活塞冷卻噴嘴、鏈傳動機構(gòu)以及包括伺服電機齒輪在內(nèi)的Valvetronic(全可變氣門機構(gòu))的運動件和排氣凸輪軸提供潤滑機油。

圖4 發(fā)動機機油循環(huán)回路

在主油道上配備了1個組合式的機油壓力-溫度傳感器，其壓力信號用于按發(fā)動機特性曲線場調(diào)節(jié)的機油泵，而機油溫度則輸入發(fā)動機電控系統(tǒng)中的發(fā)動機熱管理協(xié)調(diào)器中。為了能始終監(jiān)測機油狀況，油底殼中設(shè)置了1個熱機油液面?zhèn)鞲衅?，駕駛員能夠隨時通過儀表盤得知當前的機油狀況，或者在機油太少時收到相應(yīng)的報警指示。

十、冷卻液循環(huán)回路

冷卻液循環(huán)回路(圖5)由電控單元中的發(fā)動機熱管理協(xié)調(diào)器根據(jù)需要進行調(diào)節(jié)。冷卻系統(tǒng)中的電動冷卻液泵、按特性曲線場調(diào)節(jié)的節(jié)溫器和電動風(fēng)扇作為調(diào)節(jié)裝置，能夠按預(yù)先規(guī)定的要求在每個運行工況點將發(fā)動機調(diào)節(jié)到最佳的運行溫度。為了能對突發(fā)的負荷變化作出快速的反應(yīng)，按特性曲線場調(diào)節(jié)的節(jié)溫器設(shè)置在發(fā)動機冷卻液進口處。電動冷卻液泵一方面能夠在發(fā)動機暖機期間完全停止工作，另一方面也可以在發(fā)動機從全負荷運行狀態(tài)停機后繼續(xù)承擔例如廢氣渦輪增壓器空運轉(zhuǎn)時其軸承部位的冷卻任務(wù)。

圖5 冷卻液循環(huán)回路

十一、增壓和廢氣后處理

為了獲得好的類似自然吸氣式發(fā)動機的瞬態(tài)性能，廢氣渦輪增壓器和排氣管的設(shè)置十分重要，寶馬公司通常是將換氣相互干擾的汽缸之間的排氣流分開。為了在渦輪中也能將排氣分流，增壓器渦輪殼直到渦輪葉輪的廢氣渦道也相應(yīng)分開，做成雙渦道渦輪增壓器。同時，將排氣管設(shè)計成具有中空隔熱層的雙層薄鋼板結(jié)構(gòu)型式，確保從排氣門直到增壓器渦輪的管路上盡可能少損失廢氣能量。

廢氣放氣閥旁通道非常短，這使得催化轉(zhuǎn)化器加熱運行時廢氣中所存在的熱量能夠高效地抵達近發(fā)動機布置的整體式催化轉(zhuǎn)化器。廢氣放氣閥由尺寸較大的真空膜盒氣動操縱。為了避免在自發(fā)卸載時造成泵吸效應(yīng)，壓氣機側(cè)集成了1個空氣循環(huán)滑閥。催化轉(zhuǎn)化器靠近發(fā)動機布置，并具有兩級串聯(lián)式結(jié)構(gòu)型式：第一級是600目(cpsi=每平方英寸的孔數(shù))的高密度整體式蜂窩載體，而第二級則采用400目的整體式蜂窩載體。為了進行調(diào)節(jié)和OBD車載診斷監(jiān)測，在催化轉(zhuǎn)化器進口喇叭口處設(shè)置了第一個氧傳感器，而在兩個整體式載體之間的催化轉(zhuǎn)化器筒體上設(shè)置了第二個氧傳感器。廢氣端的總體布置如圖6所示。

圖6 廢氣端的結(jié)構(gòu)布置

十二、發(fā)動機功率

新型4缸2.0L增壓直噴式汽油機覆蓋了135～180kW之間較多的功率等級，因此替代了寶馬公司原有非常成功的6缸自然吸氣汽油機，顯然寶馬公司以這種新型發(fā)動機繼續(xù)不斷地實施發(fā)動機小型化策略。為了能獲得快速響應(yīng)的加速性能，必須在4缸發(fā)動機上采用上排氣分流，因此6缸汽油機也應(yīng)用了單個雙渦道廢氣渦輪增壓器，權(quán)衡諸如低速扭矩、加速性能、最大功率、排放和成本等各方面的因素，此種設(shè)計方案是最佳的。

通過采用雙渦輪增壓技術(shù)達到了極其豐滿的扭矩特性曲線，如圖7所示，在非常低的轉(zhuǎn)速1 250r/min時就已可提供最大扭矩350Nm。與老的排量3.0L的6缸自然吸氣汽油機相比，特別是在低轉(zhuǎn)速下可供使用的扭矩優(yōu)勢十分明顯。

圖7 功率和扭矩特性與老機型的比較

由于采用了雙渦輪增壓技術(shù)，幾乎完全避免了人們以往早已熟悉的“渦輪穴”(Turboloch，指渦輪增壓器響應(yīng)遲緩的區(qū)域)的弊??；由于采用了Valvetronic(全可變氣門機構(gòu))，從而消除了通常為使進氣空氣充滿進氣總管所產(chǎn)生的停頓時間；由于通過調(diào)節(jié)進氣門開啟來控制負荷，因此實現(xiàn)了無時間滯后地提高汽缸的充氣程度，從而直接提高了發(fā)動機的輸出扭矩。

此外，采用Valvetronic(全可變氣門機構(gòu))可能減小自然吸氣發(fā)動機全負荷范圍內(nèi)的進氣門升程，使得汽缸中的殘余廢氣份額最少而同時充氣效率(換氣結(jié)束后在汽缸中保留的新鮮充量的量度)最高。在增壓范圍內(nèi)，在低轉(zhuǎn)速時通過凸輪軸相位調(diào)節(jié)器的相應(yīng)調(diào)節(jié)，可利用有利的掃氣壓力差(進氣壓力高于排氣背壓)將殘余廢氣從汽缸中掃除出去，而加大的廢氣質(zhì)量流量又為廢氣渦輪提供了相應(yīng)較高的能量供應(yīng)，從而為壓氣機產(chǎn)生較大的驅(qū)動功率。

與無Valvetronic(全可變氣門機構(gòu))并采用單渦道渦輪增壓器的常規(guī)發(fā)動機相比，當負荷突變時采用雙渦輪增壓技術(shù)在扭矩提升方面具有明顯的優(yōu)勢，如圖8所示。在負荷突變后，雙渦輪增壓器發(fā)動機達到最大扭矩要比常規(guī)發(fā)動機快40%以上。新型4缸2.0L增壓直噴式汽油機通過將低轉(zhuǎn)速時突出的扭矩供應(yīng)與響應(yīng)快的加速性能相結(jié)合，使得在非常低的轉(zhuǎn)速下就具備非常好的加速性。

圖8 雙渦道增壓技術(shù)發(fā)動機扭矩提升閥優(yōu)勢

十三、燃油耗

雖然這種新機型的比功率(90kW/L)和比扭矩(75Nm/L)都較高，但是仍實現(xiàn)了非常高的壓縮比10:1，這是達到低燃油耗的基礎(chǔ)，而在降低功率的機型上壓縮比甚至達到了11:1。另一方面，借助于Valvetronic(全可變氣門機構(gòu))實現(xiàn)了進氣門的無級調(diào)節(jié)，可消除換氣節(jié)流，并且因部分負荷時的進氣門升程較小可減少摩擦功。這些有關(guān)燃燒過程方面的改進措施與諸如按特性曲線場調(diào)節(jié)的機油泵和電動冷卻液泵以及其他降低摩擦措施等發(fā)動機方面重要的改進相結(jié)合，使得在整個特性曲線場內(nèi)獲得了非常低的燃油耗。

此外，采用雙渦道增壓技術(shù)的組合方案，在低轉(zhuǎn)速時具有高扭矩的潛力以及響應(yīng)較快的加速性能，使得車輛能夠在低轉(zhuǎn)速下行駛，特別是與8擋自動變速器和大的后橋傳動比相結(jié)合，使得用戶能夠在燃油耗非常低的特性曲線場工況點行駛。通過特性曲線場中燃油耗的專門改善與運行負荷工況點的移動，根據(jù)車型和變速器類型的不同，與老車型相比燃油耗可降低約15%。采用雙渦道增壓技術(shù)的新型4缸2.0L增壓直噴式汽油機，無論是在經(jīng)濟性還是加速性方面都明顯優(yōu)于老的6缸自然吸氣發(fā)動機，如圖9所示。

圖9 燃油耗和加速性能

十四、振動和噪聲

因為這種新型4缸2.0L增壓直噴式汽油機要替代絕大部分以運轉(zhuǎn)平穩(wěn)性著稱的6缸汽油機，因此其振動和聲學(xué)性能需特別注意。除了采用加強剛度的床板式主軸承座框架底座、分隔式燃油共軌和噴油器密封閥元件等許多解決方案之外，還首次采用了高度有偏差且平衡質(zhì)量不對稱配置的雙平衡軸。直列4缸發(fā)動機因存在二級自由慣性力和慣性力矩而帶來了特別的挑戰(zhàn)。借助于雙平衡軸能夠完全平衡自由慣性力(圖10)，而兩根平衡軸位置的高度偏差同樣也能夠影響到慣性力矩的平衡，因為它們能夠產(chǎn)生1個力矩來抵消曲柄連桿機構(gòu)的自由慣性力矩。

圖10 雙平衡軸機構(gòu)的作用原理

在新型4缸2.0L增壓直噴式汽油機上已采用了一種創(chuàng)新的方法來優(yōu)化慣性力矩的平衡效果。因兩根平衡軸位置的高度偏差在結(jié)構(gòu)上受到限制，所以將兩根平衡軸的平衡塊不對稱布置，這樣就提高了平衡軸對慣性力矩的平衡效果。因平衡塊重量的不同所產(chǎn)生的另一個平衡力矩(圖10中的紅色箭頭)附加到由高度偏差所產(chǎn)生的平衡力矩(圖10中的藍色箭頭)上，于是就形成了較大的力矩，這就相當于采用了平衡效果較大的高度偏差，而慣性力的平衡則仍完全保持不變。高階慣性力矩的平衡使得振動水平明顯降低，特別是在低負荷運行范圍內(nèi)。因此，用戶在汽車上直到最高轉(zhuǎn)速范圍感覺到發(fā)動機的高速運轉(zhuǎn)非常輕松柔和。

綜上所述，寶馬公司新型2.0L四缸渦輪增壓直噴式汽油機將非常優(yōu)異的扭矩特性和高的升功率與非常低的燃油耗和出色的振動和噪聲性能完美地結(jié)合起來，而非常緊湊的高剛度基礎(chǔ)發(fā)動機結(jié)構(gòu)以及采用全可變氣門機構(gòu)、缸內(nèi)直接噴射和雙渦道增壓器技術(shù)為此奠定了良好的基礎(chǔ)。寶馬公司用這種新型汽油機進一步降低了其轎車的公司平均燃油耗，并且即使全球排放法規(guī)進一步加嚴也能確保滿足廢氣排放標準的要求。