【德】 F.Steinparzer P.Nefischer D.Hiemesch E.Rechberger

產(chǎn)品介紹

BMW公司采用創(chuàng)新增壓方案的6缸轎車柴油機

【德】 F.Steinparzer P.Nefischer D.Hiemesch E.Rechberger

BMW公司在2015年推出的采用新型發(fā)動機組合部件的6缸柴油機基礎(chǔ)上，又開發(fā)了1款高端機型。在這款發(fā)動機上采取的一系列措施，使其可以承受更高的機械負荷和熱負荷，而創(chuàng)新的增壓系統(tǒng)的應(yīng)用則使這款新型發(fā)動機達到了動力性能的巔峰。同時，燃燒過程、噴油技術(shù)和廢氣后處理也進行了進一步開發(fā)。

柴油機高效動力學(xué)低燃油耗共軌噴油系統(tǒng)

1 BMW公司柴油機的頂級動力性

BMW公司高效動力學(xué)策略的核心是更高的動力性、更低的燃油耗和更少的廢氣排放,因而持續(xù)不斷改進的動力總成為用戶帶來了極大的駕駛樂趣。這些特性對于擁有頂級動力性能的車輛具有特別重要的意義。

2 歷史回顧

長期以來，BMW公司在高功率柴油機方面積累了豐富的經(jīng)驗，2004年就已推出了全球首款兩級增壓6缸轎車柴油機。這種機型已經(jīng)過多次開發(fā)[1-2]，2012年開發(fā)出的具有1個低壓級和2個高壓級的恒定多級增壓6缸機[3-4]，以280 kW額定功率成為該等級機型迄今為止最高的巔峰。而本文所介紹的最新款發(fā)動機又使額定功率比該值提高了14 kW，成為動力性能的新標(biāo)桿(圖1)。

圖1 BMW公司6缸柴油機

3 開發(fā)目標(biāo)

自從2009年以來，6缸機就占據(jù)了BMW公司柴油機的頂級位置。BMW公司將6缸機的燃油耗優(yōu)勢與大排量的8缸機的動態(tài)性能和舒適性結(jié)合起來。為了確保BMW柴油機將來也能在高端柴油機機型中占據(jù)頂級位置，因而為3.0 L柴油機確定了非常高的開發(fā)目標(biāo)，其重點不僅在于提高額定功率，而且特別注重改善其動態(tài)性能。圖2詳盡地示出了開發(fā)目標(biāo)，功率從280 kW提高到294 kW，能更好地改善其動態(tài)性能；與其他機型相比，進一步降低了燃油耗；并具有滿足未來全球統(tǒng)一的輕型車試驗程序(WLTP)和實際行駛排放(RDE)法規(guī)要求的潛力。同時，超強的扭矩性能，可以在BMW新型汽油機-柴油機標(biāo)準(zhǔn)組合部件框架范圍內(nèi)實現(xiàn)開發(fā)目標(biāo)，并具備V8機型的動態(tài)特性。

圖2 新款6缸柴油機的開發(fā)目標(biāo)

4 開發(fā)方案

為了實現(xiàn)這種高要求的開發(fā)目標(biāo)，與原機型相比，新機型的設(shè)計方案必須具備廣泛的適應(yīng)性。除此之外，采用發(fā)動機標(biāo)準(zhǔn)組合部件來實現(xiàn)諸多技術(shù)要素。新的特定設(shè)計方案包括：輕型結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)發(fā)動機足以承受210 MPa的峰值壓力、采用兩級低壓和兩級高壓廢氣渦輪增壓器的恒定多級增壓、最高系統(tǒng)壓力大于2 500 MPa的壓電共軌噴油系統(tǒng)、良好的增壓空氣冷卻和消除空氣管路的節(jié)流。同時又繼承了標(biāo)準(zhǔn)組合部件的要素，如：電弧金屬線材噴涂(LDS)氣缸工作表面、可調(diào)節(jié)式機油泵、冷卻的高低壓廢氣再循環(huán)，以及摩擦優(yōu)化的皮帶傳動。

為了達到高的動態(tài)性能，將低壓級大的廢氣渦輪增壓器分成2個較小的增壓器，從而使葉輪慣性矩降低50%，增大效率優(yōu)勢。

5 氣缸體曲軸箱

BMW公司新型6缸頂級柴油機的氣缸體曲軸箱是根據(jù)BMW標(biāo)準(zhǔn)組合部件原理從6缸基本型柴油機派生而來的，其中從標(biāo)準(zhǔn)組合部件中繼承的主要特點是：采用頂面封閉的深裙型結(jié)構(gòu)型式全鋁氣缸體曲軸箱；材料為AlSi7MgCu0.5；氣缸直徑84 mm，缸心距91 mm；氣缸工作表面采用LDS；主軸承蓋采用軸承剖分面上的壓齒定位；預(yù)鑄機油回油道；采用主軸承蓋框架底座；靠近燃燒室的大尺寸氣缸“鼻梁”冷卻水通道。

與基本型柴油機190 MPa爆發(fā)壓力相比，新款發(fā)動機的爆發(fā)壓力高達210 MPa，為了可靠地滿足更高的爆發(fā)壓力要求，采用了提高強度的措施，包括：用于氣缸蓋與主軸承緊固的拉桿緊固方案和熱等壓(HIP)方法附加T6熱處理。

通過采用LDS氣缸工作表面(替代熱壓配合灰鑄鐵氣缸套)和預(yù)鑄機油回油道，即使具有更高的承載能力，但是其質(zhì)量僅為38.3 kg，比原機型減輕了3.7 kg。

6 氣缸蓋

為了提高結(jié)構(gòu)強度,氣缸蓋同樣采用HIP方法，這樣就能獲得非常均勻的金相組織，并且在鑄造過程中不會形成微孔。

除此之外，因進氣質(zhì)量流量較大，進氣門流通橫截面比基本型發(fā)動機加大了2 mm。

7 氣缸蓋密封墊

氣缸蓋密封墊采用具有4層功能層的多層密封墊，除了具有非常高的回彈和密封潛力，總密封間隙容許較大的幅度，同時因為具有好幾個滑移面從而減小摩擦損失。剛性焊接的燃燒室密封圈使其支承面壓力分布非常均勻。

8 增壓機組

新型BMW 6缸柴油機頂級機動性的核心要素是1種新設(shè)計的由4個廢氣渦輪增壓器組成的兩級增壓系統(tǒng)，其部件分布如圖3所示。

圖3 增壓機組示意圖

為了能以盡可能高效率的利用廢氣熱焓，可以借助于數(shù)值流動模擬(CFD)優(yōu)化臨界區(qū)域的流動狀況。

排氣歧管的結(jié)構(gòu)設(shè)計是1項特別富有挑戰(zhàn)性的工作，必須綜合考慮用于4個廢氣渦輪增壓器的廢氣流動導(dǎo)向，以及最大熱機械負荷所產(chǎn)生的應(yīng)力場。借助于熱機械疲勞(TMF)失效計算開發(fā)出了1種瞬態(tài)試驗循環(huán)，據(jù)此通過將排氣歧管幾何形狀和尺寸優(yōu)化到最大容許值，進一步降低其局部應(yīng)力。為了獲得較高的增壓壓力，已在低壓級中集成了壓氣機殼體冷卻器和增壓空氣中冷器。

廢氣調(diào)節(jié)閥的密封性對發(fā)動機動態(tài)性能具有非常重要的意義，為此已相應(yīng)優(yōu)化了其幾何形狀、尺寸及其材料配對。

另一個挑戰(zhàn)是第二高壓級廢氣渦輪增壓器在某些運行范圍處于“備用”狀態(tài)。為了防止機油從停止運轉(zhuǎn)的廢氣渦輪增壓器軸承殼體中滲入空氣系統(tǒng)，避免原機型出現(xiàn)的問題，因而采用了端面密封裝置。

9 噴油系統(tǒng)

噴油系統(tǒng)采用Bosch公司最新一代的共軌噴油系統(tǒng)。與原機型所使用的噴油系統(tǒng)相比，其性能已顯著改善，并且最高噴油壓力已提高到250 MPa以上。

噴油器應(yīng)用了第三代液壓伺服壓電系統(tǒng)。為了能勝任在工作能力和零件負荷方面的高要求，已對噴油器體、噴油嘴和轉(zhuǎn)換閥進行了優(yōu)化，從而將整個運行期間的磨損程度調(diào)整到最低，并有效地防止了可能出現(xiàn)的噴油量偏差。

噴油嘴被設(shè)計成具有7個圓錐形噴孔的小壓力室噴嘴，其設(shè)計目標(biāo)是在抗噴孔積炭耐久性的同時，獲得貫穿深度和錐形噴束液力優(yōu)化的噴嘴。與原機型噴油系統(tǒng)相比，針閥導(dǎo)向更靠近針閥座面，因而特別是在冷機運行時噴束的對稱性明顯提高。由于針閥開啟和關(guān)閉非常迅速，在大噴油量和高噴油壓力情況下噴油嘴的節(jié)流也得到了進一步優(yōu)化。

10 廢氣再循環(huán)(EGR)系統(tǒng)

為了降低發(fā)動機原始排放，組合應(yīng)用了高低壓廢氣再循環(huán)系統(tǒng)(圖4)。其中，高壓EGR系統(tǒng)冷卻器附加了1個可開關(guān)的旁通通道。

圖4 高壓和低壓EGR系統(tǒng)

11 增壓空氣冷卻

為了達到盡可能高的冷卻效率，并使空氣管路中的每個零部件不超過容許的最高溫度，增壓空氣進行多級冷卻后，從低壓級中的壓氣機殼體冷卻開始，經(jīng)過低壓級與高壓級之間的中冷器，直至空氣總管之前的大尺寸主增壓空氣冷卻器，在整個壓縮空氣管路中經(jīng)歷了多次冷卻。

12 隔熱降噪罩蓋

BMW公司除了通常在汽車方面采取的屏蔽措施之外，還采用了許多貼近發(fā)動機的噪聲屏蔽和隔熱罩蓋(圖5)。這些措施一方面保護了相鄰的部件免受發(fā)動機放熱部件的熱輻射，同時也降低了發(fā)動機產(chǎn)生的噪聲。另一個有利影響是在汽車停車后長時間的吸熱，可以減少冷起動次數(shù)或總的暖機時間，從而在用戶實際行駛中獲得節(jié)油效果。

圖5 貼近發(fā)動機的熱和噪聲屏蔽

13 廢氣后處理

為了在整個行駛期間達到盡可能低的廢氣排放水平，采用了組合式的廢氣后處理方案。一個由吸附式氮氧化物(NOx)催化轉(zhuǎn)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選擇性催化還原(SCR)轉(zhuǎn)化器，它借助于計量閥通過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(zhuǎn)化器中盡可能均勻分布效果，從而與機內(nèi)措施相結(jié)合，在整個運行范圍內(nèi)達到了極低的廢氣排放水平。

14 功能優(yōu)化

為了達到具有實際意義的高性能目標(biāo)，進行了廣泛的部件功能優(yōu)化。除了傳統(tǒng)的熱力學(xué)優(yōu)化之外，有效減少所有空氣和廢氣引導(dǎo)部件的流動損失。

除了由此降低換氣損失之外，還優(yōu)化了每個廢氣渦輪增壓器的設(shè)計。通過降低壓氣機和渦輪側(cè)的壓比，大大減小兩個低壓級的慣性力矩，這樣就能在瞬態(tài)加速過程中獲得可感的動態(tài)特性優(yōu)化。

15 增壓運行模式

圖6示出了由4個廢氣渦輪增壓器組成的兩級增壓系統(tǒng)的工作原理和各種運行模式。

圖6 動態(tài)運行性能(ND：低壓級，HD：高壓級)

在第一種運行范圍內(nèi)，空氣側(cè)的旁通閥使進氣空氣從低壓級壓氣機旁邊流過，因為在低轉(zhuǎn)速低負荷范圍內(nèi)增壓空氣無需進行預(yù)壓縮，以防止節(jié)流。在剩余的所有其他特性曲線場范圍內(nèi)，都經(jīng)過低壓級壓氣機預(yù)壓縮進氣。為了降低增壓空氣溫度和減小體積流量，進氣直接經(jīng)過用法蘭連接在低壓級壓氣機殼體上的中冷器，并根據(jù)運行范圍的不同，在1～2個高壓級壓氣機中進一步壓縮，在主增壓空氣冷卻器中冷卻后，增壓空氣經(jīng)過緊湊的進氣管道進入發(fā)動機燃燒室。

在廢氣側(cè)低轉(zhuǎn)速和低負荷時，為了自發(fā)地建立起增壓壓力和動態(tài)加速性能，廢氣僅流過1個高壓渦輪，而在廢氣流量較大的情況下，由廢氣調(diào)節(jié)閥開通1條通過第二個高壓渦輪的平行通路，從而加速一直未運轉(zhuǎn)的第二級高壓渦輪。緊接著，廢氣在進入靠近發(fā)動機布置的廢氣后處理裝置之前，在低壓級中進一步降壓。為了優(yōu)化增壓壓力調(diào)節(jié)，在從3個廢氣渦輪增壓器轉(zhuǎn)換到4個廢氣渦輪增壓器范圍內(nèi)，以及在低壓渦輪額定功率范圍內(nèi)，通過利用廢氣放氣閥進行優(yōu)化。

采用包括兩次增壓空氣冷卻在內(nèi)的兩級增壓系統(tǒng)，增壓壓力高達0.4 MPa(絕對壓力)，空氣質(zhì)量流量高達1 500 kg/h。

16 功率和扭矩

該柴油機在轉(zhuǎn)速4 400 r/min時額定功率達到294 kW，而在轉(zhuǎn)速2 000～3 000 r/min之間可輸出最大扭矩760 N·m，以升功率98.3 kW和升扭矩254 N·m占據(jù)了量產(chǎn)柴油機的頂級位置。除了達到動力性能最大值之外，還能在盡可能寬廣的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)被利用，因而一方面在發(fā)動機轉(zhuǎn)速1 600～4 100 r/min的范圍內(nèi)至少具有90%的最大扭矩，另一方面在發(fā)動機3 000～5 000 r/min的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)至少可發(fā)揮出80%的發(fā)動機最大功率。圖7示出了其全負荷特性曲線與原機型的比較。

圖7 新機型與原機型的功率和扭矩示意圖

17 燃油耗

通過持續(xù)不斷的開發(fā)，所有的重要部件和功能模塊能使燃油耗降低多達6%，在對用戶實際使用具有重要意義的特性曲線場范圍內(nèi)(轉(zhuǎn)速2 500 r/min和平均有效壓力1 MPa)平均節(jié)油效果約為4%。

18 廢氣排放和聲學(xué)性能

增壓機組各個部件的優(yōu)化，與高壓和低壓EGR組成的組合廢氣再循環(huán)系統(tǒng)相結(jié)合，明顯降低了原始廢氣排放，除了能滿足當(dāng)前廢氣排放法規(guī)的要求之外，也為滿足未來全球所有的廢氣排放法規(guī)要求奠定了基礎(chǔ)。此外，這些優(yōu)化也對降低臨界低負荷范圍的燃燒噪聲產(chǎn)生有利的效果。圖8示出這些措施在2種部分負荷運行工況的改善效果。

圖8 功能性能優(yōu)化

19 汽車試驗結(jié)果—行駛功率和燃油耗

BMW公司以新型6缸柴油機的頂級機動性確保了在高端轎車領(lǐng)域的頂級位置，持續(xù)不斷的開發(fā)也證實了其高效的動力學(xué)策略。非常低的CO2排放或燃油耗值與出眾的行駛動力性相結(jié)合顯示出了750xd型轎車獨有的特點(圖9)。

圖9 行駛動力性和燃油耗與競爭機型的比較

這種新型柴油機達到了與大排量汽油機相似的加速度值，而且燃油耗降低了25%，同樣，成功地實現(xiàn)了改善動態(tài)性能的目標(biāo)。圖10以接近用戶實際使用情況的從汽車停車開始進行全負荷加速工況為例，示出了瞬態(tài)加速過程的性能。這種新型柴油轎車在加速大約3 s多后就比原車型領(lǐng)先了1個車位的長度，而不到6 s后領(lǐng)先的行駛距離就增大到3個車位的長度。

20 結(jié)語

BMW公司推出的新型高檔6缸機重新證實了柴油機的潛力。除了出眾的動力特性之外，新型柴油機眾多創(chuàng)新的技術(shù)解決方案都非常具有吸引力。BMW公司的“高效動力學(xué)”概念特別強調(diào)高功率、大扭矩與低燃油耗及低廢氣排放相結(jié)合。

圖10 瞬態(tài)加速性能的比較

這種新型柴油機首先用于新款7系列轎車上，隨后將應(yīng)用于BMW公司其他縱置發(fā)動機車型上。

[1] Ardey N， Wichtl R， Steinmayr T， u.a.Die neuen BMW drei- und vierzylinder dieselmotoren mit twinpower turbo technologie[C]. 35. Internationales Wiener Motorensymposium, 2014.

[2] Steinparzer F, Nefischer P, Hiemesch D, u.a. Die neuen sechszylinder-dieselmotoren aus dem BMW reihenmotorenbaukasten[C]. 24. Aachener Kolloquium Fahrzeug- und Motorentechnik, 2015.

[3] Kaufmann M, Ardey N, Stütz W, u.a. Die neuen eckpfeiler des BMW dieselmotoren portfolios[C]. 21. Aachener Kolloquium Fahrzeug- und Motorentechnik, 2012.

[4] Ardey N, Wichtl R, Steinmayr T, u.a. Die neuen diesel spitzenmotorisierungen von BMW[C]. 33. Internationales Wiener Motorensymposium, 2012.

范明強 譯自 MTZ，2016,77(10)

何丹妮 編輯

(收稿時期：2016-10-21)