BMW公司采用新一代標準部件的柴油機系列

1 回顧

由當前已推出的發(fā)動機系列可知，自2013年起，BMW公司一直致力于推出用于3缸、4缸和6缸柴油機與汽油機的標準部件[1]。在柴油機方面，BMW公司于2016年推出了6缸高端機型，并配裝于BMW 750d xDrive車型上[2]。該技術已衍生出許多創(chuàng)新方案，這些方案目前已在新研發(fā)過程中用于改進當前的柴油機標準部件。

2 目標設定

該技術改進涵蓋了功率范圍為70～140 kW的所有3缸與4缸的橫置及縱置機型，并于2017年底正式推出，其中3缸橫置發(fā)動機配裝于Mini車型，而高功率版的4缸橫置發(fā)動機則配裝于BMW X1車型。下一步開發(fā)目標是在保有成熟的標準部件理念的同時進一步降低燃油耗和提高產品質量，并改善發(fā)動機動力性能和聲學性能。此外，第二代標準部件將為滿足未來排放法律和法規(guī)要求打下基礎。

3 理念

通過圖1所示解決方案實現該技術開發(fā)目標：(1)氣缸體曲軸箱采用了減小摩擦的電弧金屬線噴涂(LDS)工作表面和成型珩磨；(2)提高機油分離系統的效率；(3)通過退耦皮帶輪優(yōu)化摩擦的皮帶傳動；(4)公差減小的平衡軸系統；(5)對壓力提升的共軌噴油系統進行進一步開發(fā)，噴油器采用創(chuàng)新的針閥關閉控制(NCC)技術；(6)4缸發(fā)動機均采用兩級渦輪增壓系統；(7)進一步開發(fā)高壓廢氣再循環(huán)系統(HP-EGR)；(8)通過NOx存儲催化器、柴油機顆粒捕集器(DPF)和選擇性催化還原(SCR)系統進行排氣后處理；(9)持續(xù)開發(fā)燃燒技術、熱力學和熱管理技術(如可切換式活塞冷卻)。

圖1 以4缸橫置發(fā)動機為例的技術解決方案

改進型3缸和4缸發(fā)動機的結構仍然以成熟的BMW發(fā)動機標準部件模型為基礎。沿用多年來常用的缸心距參數，其單缸排量約為0.5 L(表1)[3]，因此可以基于相同的基礎發(fā)動機衍生出不同功率級的改型機，各種機型可無縫集成到BMW公司的全球生產網絡中。下文以4缸橫置發(fā)動機為例介紹發(fā)動機結構設計。

4 氣缸體曲軸箱

根據原機型所應用的成熟理念進一步開發(fā)氣缸體曲軸箱：(1)經過熱處理的全鋁氣缸體曲軸箱，材料為AlSi8Cu3；(2)對壓齒嚙合式燒結主軸承蓋進行質量優(yōu)化；(3)即使在最高功率情況下，組合式水套仍具有一定的穩(wěn)定性；(4)頂面封閉的深裙型結構型式具有更高的負荷承載能力；(5)用于機油泵(特性曲線控制)的鑄造壓力油管；(6)直接將平衡軸安裝在氣缸體曲軸箱的預鑄通道中。

表1 3缸和4缸柴油機主要技術規(guī)格

此外還采用了以下新技術：(1)采用LDS涂層的工作表面，包括可改進缸套表面活化的機械粗加工工藝；(2)首次批量采用成型珩磨的氣缸工作表面(圖1)；(3)為可切換式活塞冷卻而設計的機油循環(huán)(圖1)；(4)通過兩個獨立運行的節(jié)溫器優(yōu)化冷卻通道。

氣缸體曲軸箱采用“型芯填充”工藝進行冷硬鑄造而成，因此可將大量功能集成到殼體中，同時采用冷硬鑄造，可在高負荷區(qū)域實現較高的靜態(tài)和動態(tài)強度。BMW公司將新設計的部件用于縱向和橫向安裝的殼體，可大幅降低部件質量。

5 平衡軸系統

4缸發(fā)動機的平衡軸(圖1)集成在氣缸體曲軸箱中，并從前部進行安裝。傳動部件的直齒嚙合設計可使齒輪變窄，從而減少慣性矩。平衡軸由最后一個曲柄臂上的齒圈驅動，其特征是夾緊系統僅通過中間齒輪來反轉2個平衡軸之一的旋轉方向。這有利于減小排氣側的扭轉側隙，具有顯著的聲學優(yōu)勢。

6 皮帶傳動

4缸發(fā)動機沿用6缸發(fā)動機的L形摩擦優(yōu)化皮帶傳動。皮帶傳動的核心部件是由減少曲軸扭轉振動的扭振減振器(TVD)和減少輔助設備旋轉不規(guī)則性的退耦皮帶輪組成的整體部件(圖1)。

皮帶輪通過橡膠元件與輪轂分離。在發(fā)動機起動時，按序連接的自由輪和退耦皮帶輪緩解發(fā)動機起動過程中高度不規(guī)則旋轉減速階段產生的帶傳動嘯叫現象。在加速階段，皮帶傳動裝置得以重新耦合，使得皮帶傳動更穩(wěn)定，并顯著減少退耦皮帶輪的負荷。配備了該退耦功能后，即使采用摩擦系數較高的皮帶也不會導致皮帶異響。此外，還可使皮帶張力降低40%，從而大幅減少摩擦損失。為了降低燃油耗并提高動力性能，集成設計包括皮帶傳動裝置在內的發(fā)動機結構和皮帶傳動的48 V起動電機。

7 潤滑系統

新型柴油機采用了經進一步開發(fā)的全可變滑片式機油泵[3]。集成的可切換式活塞冷卻是一項新技術。結合使用電動開關閥與液壓閥，可精確地打開和關閉活塞冷卻(圖1)，從而在整個發(fā)動機特性曲線范圍內實現按需冷卻，并降低燃油耗。此外，與當前量產發(fā)動機相比，新型發(fā)動機的機油泵結構更為緊湊。

8 氣缸蓋罩

集成油氣分離系統的氣缸蓋罩采用塑料結構設計實現質量與成本優(yōu)化。兩級被動油分離系統由具有預分離功能的沉積室和精細分離器組成，可通過精細分離器中的球形沖擊器(在壓力損失相同的情況下)提高油分離效率。隨著竄氣體積流量增加，釋放出更多的通道口(圖1)，從而形成不受竄氣流量影響的最佳油氣分離狀態(tài)，并控制壓力損失。

9 兩級渦輪增壓系統

4缸發(fā)動機均采用兩級渦輪增壓器，由包括集成式歧管的高壓級和包括可變渦輪導向葉片的低壓級組成(圖2)。低壓級執(zhí)行機構確?？勺儗蛉~片實現精確、快速的調節(jié)過程，從而以極小的滯后代價實現最佳的增壓壓力調節(jié)。通過氣動控制的排氣調節(jié)閥分配2個廢氣渦輪增壓器的排氣流量。排氣流量根據發(fā)動機工況流經高壓級和低壓級，這有利于形成增壓壓力。高轉速范圍內只有低壓級在運行。在該情況下，氣動控制的壓氣機旁通閥使進入的氣體從高壓壓氣機旁流過。

圖2 兩級渦輪增壓系統剖面圖

10 噴油系統

噴油系統采用了帶電磁閥式噴油器的共軌噴油系統，噴油壓力為220 MPa(低功率級)和250 MPa(高功率級)。高壓泵為一個單柱塞泵，有利于改變凸輪軸行程和凸輪輪廓，以增加供油量。特殊的非對稱凸輪輪廓可在噴油壓力水平提升的情況下大幅減少發(fā)動機正時驅動的負荷。該噴油器是在技術成熟的200 MPa噴油器基礎上進行的深入開發(fā)。采用NCC系統控制噴射持續(xù)時間，進而顯著提高計量精度。

11 廢氣再循環(huán)

進一步開發(fā)了HP-EGR模塊，通過閥門調節(jié)直接從排氣歧管流入的廢氣，并在調節(jié)后(冷卻或非冷卻)將其引入進氣歧管。通過真空控制的旁通閥實現冷卻與非冷卻切換(圖1)。新型BMW柴油機的冷卻器直接安裝在閥門后面，由多個板式熱交換器組成，從而在相對較小的安裝空間里實現較高的傳熱率。通過采用特殊元件在換熱板中形成湍流，不僅增加了散熱量，還減少了由冷凝物沉積引起的炭煙堆積。

12 排氣后處理

新型發(fā)動機采用組合式的排氣后處理方案(圖3)。1個由吸附式氮氧化物(NOx)催化轉化器和具有涂層的顆粒物捕集器組成的組合單元靠近發(fā)動機布置。并添加了1個安裝在汽車地板下的SCR轉化器，其借助于計量閥通過1個專門開發(fā)的混合器注入尿素水溶液，從而達到在SCR催化轉化器中盡可能均勻分布的狀態(tài)。

圖3 排氣系統——吸附式NOx催化轉化器與SCR系統相互作用

13 功能優(yōu)化

為了優(yōu)化發(fā)動機摩擦，BMW公司和格拉茨技術大學的內燃機與熱力學研究所(IVT)合作開發(fā)了一種全新的測量方法，尤其注重對著火工作狀態(tài)下曲柄連桿機構摩擦現象進行單獨記錄[4]。與原機型相比，采用這種新方法可使發(fā)動機基本摩擦得到顯著改善。除了上述潤滑系統和皮帶傳動所用措施外，還重點采用了以下方法：(1)成型珩磨，在較低行程范圍內以較大直徑制造氣缸工作表面，除了在摩擦和燃油耗方面有明顯優(yōu)勢外，還可略微減小活塞間隙(影響上止點區(qū)域的聲學)；(2)低摩擦機油，采用進一步開發(fā)的低摩擦機油，以降低發(fā)動機總摩擦。

14 燃燒過程

由于柴油機內部形成混合氣，所以燃燒過程是影響發(fā)動機性能的關鍵因素。新型發(fā)動機特別注重以增壓主元件、噴油技術和EGR系統為基礎而進行結構改進。燃燒過程的開發(fā)重點包括：更高效EGR系統帶來的更低未凈化廢氣排放量；更高的扭矩與功率輸出，即使在實際駕駛條件下也有更低的燃油耗和無脈沖燃燒噪聲。在大量概念評估中，選擇了“較高增壓壓力結合較小噴油嘴橫截面”方法。新型4缸發(fā)動機具有以下特點：(1)涵蓋所有功率級的兩級渦輪增壓系統；(2)最大噴油壓力為220～250 MPa的共軌噴油系統；(3)采用效率提高的高壓EGR，無低壓EGR。

15 兩級渦輪增壓系統功能優(yōu)化

目前，大多數4缸發(fā)動機采用了2個可變渦輪截面增壓器的組合。新型4缸發(fā)動機針對較低和較高功率輸出范圍配備了非可調高壓級和VGT低壓級，其具有以下優(yōu)勢：可快速建立增壓壓力；即使轉速較低時也有較高的增壓壓力；進氣效率提高使得在較寬廣運行范圍內的燃油耗大幅降低(圖4)。采用兩級設計并針對整個運行范圍優(yōu)化低壓級(擴大喘振極限并提高渦輪效率)，使其效率得到顯著提升，并且在部分負荷范圍內具有明顯的燃油耗優(yōu)勢，在全負荷范圍內具有更大的扭矩并以此改善行駛動力性能。機內未凈化的廢氣排放量有所降低，可通過省去低壓EGR來抵消兩級渦輪增壓器在成本上的劣勢。

圖4 兩級渦輪增壓系統的運行范圍及CO2優(yōu)勢

16 噴油系統功能優(yōu)化

為了在不影響額定功率的前提下采用改善燃油準備狀態(tài)的“小型噴嘴孔”，將電磁閥式噴油器的共軌噴油系統的最大壓力提高到250 MPa。為了實現未來目標，BMW公司與供應商合作開發(fā)了創(chuàng)新的NCC技術。集成到電磁閥噴油器中的壓電傳感器有助于系統精確控制單次噴射時間，是NCC技術的核心。NCC技術的第二項創(chuàng)新是軟件，在實際行駛中根據傳感器測量和物理軟件模型持續(xù)計算其真實的噴油器特性，在閉環(huán)控制中校正噴油正時和噴油量偏差。該技術開辟了許多全新的技術可能性：(1)以最小的體積和非常短的時間間隔實施穩(wěn)定噴油模式，即數字速率成形(DRS)；(2)無需適應傳動系統，快速控制最小噴油量；(3)檢測和調整噴孔積炭可為實施“小型噴嘴孔”提供保障；(4)噴油正時和噴油量在實際行駛中保持長久穩(wěn)定。

圖5示出了NCC參數檢測的功能原理。噴油器電磁閥的新設計為中心銜鐵螺釘對典型的噴油器參數變化(如噴油嘴針閥閉合)作出靈敏響應。壓電傳感器直接集成在該銜鐵螺釘上方，盡管傳感器集成的復雜度相對較低，仍可以非常穩(wěn)定地檢測噴油嘴針閥閉合狀態(tài)。

圖5 特性曲線場內的針閥閉合傳感器和噴油模式功能原理示意圖

17 排氣后處理功能優(yōu)化

新型發(fā)動機必須具備滿足從2017年起分階段實施RDE法規(guī)的潛力。為此，除了采用高效EGR系統等機內排放措施外，還需要非常有效的排氣后處理。DeNOx系統對于滿足RDE法規(guī)NOx的限制性要求至關重要。新型發(fā)動機采用上述組合系統，從而在較高的轉換度下覆蓋更廣的溫度和負荷頻譜(圖3)。

18 整車性能與動力特性

與原機型相比，新型發(fā)動機的穩(wěn)態(tài)全負荷性能并未提高(圖6)。2種4缸機型的功率和扭矩范圍分別為110～140 kW和350～400 N·m。新型發(fā)動機已衍生出3缸機型(70～85 kW，220～270 N·m)，未來將推出4缸頂級機型。盡管全負荷性能未有變化，新機型(特別是采用兩級渦輪增壓系統的4缸發(fā)動機)的動態(tài)響應相比原機型大有提升。

圖6 全負荷曲線

19 整車燃油耗

采取上述措施，可使不同機型在NEDC工況下的燃油耗降低達4%～5%(圖7)。新機型所用技術(如成型珩磨、多級渦輪增壓等)在寬廣的特性曲線場范圍內發(fā)揮作用(圖4)，因而即使在較高負荷的行駛工況下也具備相應優(yōu)勢。就整車而言，新傳動裝置的CO2排放量和燃油耗都比原傳動裝置更低(表2)。

圖7 通過熱力學方法和減摩措施減少CO2排放量示意圖(以4缸發(fā)動機為例)

項目參數發(fā)動機類型原機型新機型發(fā)動機最高功率/kW140140發(fā)動機最大扭矩/(N·m)400400NEDC工況下的燃油耗,市區(qū)工況(每百公里)/L5.75.2NEDC工況下的燃油耗,遠郊工況(每百公里)/L4.54.4NEDC工況下的燃油耗,組合工況(每百公里)/L4.94.7CO2排放,組合工況/(g·km-1)129123廢氣排放水平歐6b歐6cRDE法規(guī)排放/由于RDE法規(guī)發(fā)布較晚,只根據全球統一車型車排放測試規(guī)程(WLTP)法規(guī)進行測試,其結果滿足法規(guī)要求

20 整車排放

配備新傳動裝置的汽車目前已通過新WLTP法規(guī)認證，其采用的技術和應用程序早已滿足從2017年9月開始實施的RDE1法規(guī)。此外，其NOx排放量在非常廣的行駛和環(huán)境條件下也遠遠低于RDE2法規(guī)限值，但是否能滿足未來RDE2法規(guī)限值則具有一定的挑戰(zhàn)性。

21 整車聲學性能

圖8 新型4缸柴油機與原機型相比在空氣噪聲方面的聲學改進

新型發(fā)動機的重要開發(fā)目標之一是進一步改善聲學性能，重點是減少空氣脈沖的持續(xù)性。主要通過以下方法取得重大進展：(1)通過成型珩磨優(yōu)化氣缸和活塞接觸表面的設計；(2)公差減小的平衡軸；(3)采用小型噴嘴孔和NCC噴油器的燃燒過程。圖8示出了新機型與原機型相比在空氣噪聲方面的改進。柴油機典型的空氣脈沖持續(xù)性得到抑制。

22 結語

BMW公司對柴油機進行進一步開發(fā)，不僅實現了上述功能的優(yōu)化成果，還在機型數量和靈活性方面對生產網絡(內部制造和供應行業(yè))產生積極影響，同時為滿足未來排放要求創(chuàng)造了先決條件。在新一代橫置發(fā)動機問世之后，將陸續(xù)推出不同功率級的縱置機型。