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BMW公司新型3缸和4缸轎車柴油機(jī)

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

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

關(guān)鍵詞：柴油機(jī)燃油耗CO2排放

1標(biāo)準(zhǔn)部件理念的不斷發(fā)展

自1991年起，BMW公司不斷在柴油機(jī)上貫徹標(biāo)準(zhǔn)部件理念。為了應(yīng)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(jī)，BMW公司設(shè)計(jì)了汽油機(jī)和柴油機(jī)通用的標(biāo)準(zhǔn)部件[1,2]，并最終將其擴(kuò)展成包括所有3缸、4缸和6缸汽油機(jī)與柴油機(jī)在內(nèi)的全新發(fā)動機(jī)系列，開發(fā)目標(biāo)是所有直列式發(fā)動機(jī)都建立在相同的基礎(chǔ)發(fā)動機(jī)平臺和統(tǒng)一的發(fā)動機(jī)外圍設(shè)備基礎(chǔ)上。

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

2目標(biāo)設(shè)定

新型汽油機(jī)和柴油機(jī)的開發(fā)目標(biāo)如下： 開發(fā)更高效、更緊湊、更輕巧且功率更強(qiáng)勁的發(fā)動機(jī)，并能滿足未來更嚴(yán)格的法規(guī)要求。汽油機(jī)和柴油機(jī)的開發(fā)目標(biāo)僅有細(xì)微差異[3]，柴油機(jī)的設(shè)計(jì)任務(wù)書規(guī)定： (1)頂級機(jī)型的升功率高于80kW；(2)從略微超過怠速轉(zhuǎn)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(yīng)特性；(4)在用戶實(shí)際使用和法定行駛循環(huán)中具有低燃油耗的特點(diǎn)；(5)具有滿足全球最嚴(yán)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(jié)構(gòu)型式；(7)優(yōu)化基礎(chǔ)發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)，使摩擦損失最?。?8)采用質(zhì)量平衡機(jī)構(gòu)，使3缸和4缸機(jī)型均具有較高的運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)性。

此外，通用的汽油機(jī)和柴油機(jī)系列具有以下特點(diǎn): (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(jī)與柴油機(jī))；(2)在相同的基礎(chǔ)發(fā)動機(jī)平臺上迅速推出不同技術(shù)方案；(3)快速推出變型機(jī)；(4)所有的變型機(jī)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(jī)都要達(dá)到最佳的性能設(shè)計(jì)，以確保在競爭中的頂尖地位。

3設(shè)計(jì)方案

新型3缸和4缸柴油機(jī)結(jié)構(gòu)沿用2007年款柴油機(jī)的可靠結(jié)構(gòu)型式，并采用BMW公司多年來傳統(tǒng)的發(fā)動機(jī)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(jī)油泵和真空泵是緊湊輕型結(jié)構(gòu)發(fā)動機(jī)的基礎(chǔ)，鏈傳動機(jī)構(gòu)被布置在發(fā)動機(jī)后端，輔助設(shè)備布置在進(jìn)氣側(cè)，因此，可將增壓和近發(fā)動機(jī)后處理裝置自由地布置在排氣側(cè)。圖1為BMW公司新型轎車柴油機(jī)的外觀，圖2為新型3缸柴油機(jī)的縱向剖視圖。

表1　3缸和4缸柴油機(jī)的主要技術(shù)規(guī)格

4基礎(chǔ)發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)型式

鋁氣缸體曲軸箱由目前的柴油機(jī)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(cè)剛性連接的高壓泵法蘭，以及預(yù)澆鑄的冷卻液和機(jī)油通道等可靠的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)(圖3)。在BMW公司的柴油機(jī)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(jī)制造工藝和產(chǎn)品開發(fā)經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)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(jī)選用50mm的連桿軸承直徑，最高燃燒壓力較低的機(jī)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(shè)計(jì)，因氣缸孔具有剛性的結(jié)構(gòu)型式，因此能進(jìn)一步降低3道活塞環(huán)的張力。3缸和4缸機(jī)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(qū)動(圖4)。2種機(jī)型的滾動軸承平衡軸均由齒輪驅(qū)動，4缸機(jī)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(qū)動。3缸機(jī)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(qū)動。為了改善聲學(xué)性能，柴油機(jī)應(yīng)用張緊直齒輪，并加裝彈簧，轉(zhuǎn)動時齒面嚙合轉(zhuǎn)換平穩(wěn)，消除了怠速運(yùn)轉(zhuǎn)時齒輪嚙合的異響。

與BMW公司所有柴油機(jī)一樣，鏈傳動機(jī)構(gòu)由3部分組成，在鏈條平面上形成連套的緊湊結(jié)構(gòu)型式。系統(tǒng)中的大多數(shù)部件都是可用于其他標(biāo)準(zhǔn)部件發(fā)動機(jī)的通用件。在量產(chǎn)時首次應(yīng)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(jī)機(jī)油中對磨損的敏感性。

油底殼中組合式機(jī)油泵和真空泵的設(shè)計(jì)方案是在現(xiàn)有量產(chǎn)柴油機(jī)的基礎(chǔ)上演變而來的。全可變滑片式機(jī)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(jìn)行調(diào)節(jié)。這種調(diào)節(jié)方式允許發(fā)動機(jī)在寬廣的特性曲線場范圍內(nèi)以低機(jī)油壓力運(yùn)行，而機(jī)油噴嘴能以不同的壓力水平打開或關(guān)閉，從而獲得顯著的節(jié)油效果(圖5)。

5增壓和噴油

柴油機(jī)的產(chǎn)品性能主要取決于增壓系統(tǒng)和噴油系統(tǒng)，相應(yīng)的創(chuàng)新技術(shù)已被用于量產(chǎn)。BMW公司在新型3缸柴油機(jī)上應(yīng)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(jī)葉輪，以及與渦輪精確協(xié)調(diào)的渦輪導(dǎo)向葉片流通截面幾何形狀，獲得突出的熱力學(xué)性能?？勺儨u輪導(dǎo)向葉片可精確、迅速地進(jìn)行電動調(diào)節(jié)，從而以極小的滯后實(shí)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(jī)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(jī)葉輪相結(jié)合，在效率、瞬態(tài)響應(yīng)和加速性能方面創(chuàng)造了最佳記錄。這種新型的轉(zhuǎn)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(shù)時，除熱力學(xué)目標(biāo)外，還特別注重提高可靠性和聲學(xué)性能。

在3缸和4缸柴油機(jī)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(zhǔn)備。在系統(tǒng)壓力和動態(tài)性能方面具有競爭性要求的關(guān)鍵因素是開關(guān)閥技術(shù)，以及新一代CRI 2.20型電磁閥式噴油器的壓力補(bǔ)償功能。噴油器的設(shè)計(jì)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(dǎo)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(diǎn)是改善低轉(zhuǎn)速和中等轉(zhuǎn)速時部分負(fù)荷區(qū)域的性能，其主要的影響因素包括： (1)關(guān)閉渦輪導(dǎo)向葉片時的渦輪效率；(2)應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)部件發(fā)動機(jī)燃燒過程的改善主要表現(xiàn)在4缸發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速1500r/min時的負(fù)荷截面上(圖6)。噴油壓力高達(dá)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(jī)上首次應(yīng)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?jǐn)?shù)(MFB-50)點(diǎn)的采集和調(diào)節(jié)能明顯減弱進(jìn)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(jī)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(zhuǎn)化器(DOC)和吸附式氮氧化物催化轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)布置型式也被用于橫置式發(fā)動機(jī)車型(圖7)，并與布置在汽車地板下的選擇性催化還原(SCR)轉(zhuǎn)化器相結(jié)合，形成1個模塊化裝置，以滿足可預(yù)見的全球廢氣排放法規(guī)要求。

柴油機(jī)顆粒捕集器(DPF)采用經(jīng)試驗(yàn)證實(shí)有效的具有催化劑涂層的SiC結(jié)構(gòu)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(hù)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(zhuǎn)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(jié)構(gòu)型式對系統(tǒng)部件的流動造型及其熱力-機(jī)械設(shè)計(jì)提出很高的要求，例如，由渦輪增壓器渦旋引起的催化轉(zhuǎn)化器基質(zhì)載體中的不均勻流動必須通過喇叭形進(jìn)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(jié)構(gòu)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(jì)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(jī)摩擦、熱力學(xué)和暖機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)性能等方面的不斷開發(fā)，與老機(jī)型相比，新機(jī)型具有明顯的節(jié)油效果。此外，在3缸機(jī)上，通過小型化措施，進(jìn)一步展示出通用標(biāo)準(zhǔn)部件的優(yōu)越性。下文將詳細(xì)探討幾種降低CO2排放的措施[1]。

其中，活塞組的主要設(shè)計(jì)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(jī)油消耗量。

通過采用可調(diào)式滑片機(jī)油泵，還能進(jìn)一步降低CO2排放，與可開關(guān)的機(jī)油噴嘴和可減少機(jī)油泄漏的主軸承相結(jié)合，能明顯降低部分負(fù)荷運(yùn)行工況的機(jī)油壓力水平，機(jī)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(jī)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(fù)荷工況燃油耗降低1%～2%。此外，與新型噴油系統(tǒng)相結(jié)合，還能快速建立增壓壓力，顯著改善瞬態(tài)響應(yīng)特性。

通過優(yōu)化摩擦和熱力學(xué)，為降低3缸柴油機(jī)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(xué)性能的優(yōu)勢外，還采取通過縮短暖機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時間減少摩擦損失，以及減少軸承數(shù)、縮小機(jī)油泵等措施。此外，還取消預(yù)熱塞，并減少預(yù)熱電流的需求量，最終，與2.0L老機(jī)型相比，燃油耗降低9%,與1.6L 4缸柴油機(jī)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(jī)的全負(fù)荷特性曲線。所有采用標(biāo)準(zhǔn)部件的機(jī)型均在寬廣的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)具有豐滿的扭矩特性曲線，從而可在2000r/min的轉(zhuǎn)速跨度范圍內(nèi)提供90%的最大扭矩。

3缸柴油機(jī)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(jī)的高功率機(jī)型目前已投入量產(chǎn)，相比老機(jī)型功率增加5kW，達(dá)140kW，扭矩增加20N·m，達(dá)400N·m。未來，還將通過向下和向上擴(kuò)展功率變型,充實(shí)該柴油機(jī)系列。此次開發(fā)的結(jié)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(jī)車型的行駛性能和燃油耗

10聲學(xué)性能

通常，柴油機(jī)具有較高的升功率和升扭矩，以及較豐滿的全負(fù)荷特性曲線，因而對聲學(xué)性能提出特殊要求。特別是在低轉(zhuǎn)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(qiáng)了運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)性和空氣流動脈沖的持續(xù)性。額定功率與部分負(fù)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(qū)動齒輪中裝有張緊彈簧的平衡軸、進(jìn)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(jìn)氣罩殼中的阻尼器，都在力學(xué)和空氣導(dǎo)向方面明顯抑制了空氣脈沖的持續(xù)性。

持續(xù)改進(jìn)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(qiáng)的噴油系統(tǒng)，使其能夠應(yīng)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(zhǔn)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(jī)型相比，BMW公司新型3缸和4缸柴油機(jī)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(jī)型的原始排放相比老機(jī)型明顯降低。此外，結(jié)合NSC和DPF等近發(fā)動機(jī)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(jìn)一步滿足美國和歐洲未來排放限值要求的潛力。

12結(jié)語

為了應(yīng)對未來更嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，BMW公司為直列

式汽油機(jī)和柴油機(jī)開發(fā)了具有重要意義的標(biāo)準(zhǔn)部件。這些新型動力總成的結(jié)構(gòu)是建立在當(dāng)前柴油機(jī)的可靠設(shè)計(jì)方案基礎(chǔ)之上的，并通過最新的系統(tǒng)開發(fā)構(gòu)建了一個持久的技術(shù)平臺。新型3缸柴油機(jī)以低燃油耗而倍受青睞。

作為新發(fā)動機(jī)系列的首批機(jī)型，3缸機(jī)的2種功率變型和4缸機(jī)的高功率機(jī)型已投放市場。與舊機(jī)型相比，新機(jī)型的動力性能顯著提高，同時大幅降低了燃油耗，所有目標(biāo)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(biāo)準(zhǔn)部件柴油機(jī)的車型還具有良好的聲學(xué)性能。

參考文獻(xiàn)

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范明強(qiáng)譯自MTZ， 2014， 75(7/8)

張慰編輯

收稿日期：( 2014-11-19)