◆文/江蘇 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，主管柴油機的產品開發(fā)；1984年調往機械工業(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顧問、湖南奔騰動力科技有限公司總工程師。

寶馬公司新款V8增壓直噴式汽油機采用了汽油缸內直接噴射、Valvetronic全可變氣門機構和雙渦輪增壓器等先進技術，其開發(fā)的主要目標是明顯降低油耗、適度提高功率和推出4.0L排量的變型機，它首次同時搭載于寶馬公司的新型6系列Gran Coupé轎車和5系列Gran Turismo轎車以及6系列和改進版7系列轎車。

一、主要特點

直至2008年，寶馬公司的V8直噴式汽油機都被設計成傳統(tǒng)的自然吸氣機型，并已充分挖掘了其排量的功率潛力。從2008年起，這種等級所有改進的后續(xù)機型都采用了雙渦輪增壓器技術，以使用戶在低轉速時就能使用到高的發(fā)動機功率和扭矩。

圖1所示為寶馬公司這種新款V8直噴式汽油機。它通過將發(fā)動機進排氣側互換位置，已將廢氣渦輪增壓器和近發(fā)動機催化轉化器都布置在發(fā)動機V形夾角空間內，采取了獨特的絕熱設計和中間冷卻的增壓空氣，這種結構布置型式具有決定性意義的總體外形尺寸方面的優(yōu)勢，以至于這種機型能夠無需特別的適應性匹配就能搭載于所有的車型系列，而且這種結構布置型式還提供了特別短而緊湊的空氣供應管路，使得壓力損失較小，再與最佳的廢氣渦輪增壓器設計和直接噴射相結合，發(fā)動機能夠獲得幾乎無滯后的加速響應性能。

圖1 寶馬公司新款V8雙渦輪增壓器直噴式汽油機

二、設計方案

這種機型將高溫部件布置在V形夾角空間內，同時仍保證了與老機型盡可能高的零部件通用化率的優(yōu)點，并通過匹配新一代Valvetronic全可變氣門機構、應用可調式機械冷卻水泵、采取各種不同的降低摩擦措施和改進噴油系統(tǒng)實現(xiàn)了動力性能的優(yōu)化。該機型搭載于改進版BMW 750i轎車上，除了在發(fā)動機方面采取的措施之外，還引入了發(fā)動機啟動-停機功能和改進型8擋自動變速器，從而使新歐洲行駛循環(huán)(NEFZ)的油耗降低了25%。

三、基礎發(fā)動機

汽缸體曲軸箱和曲柄連桿機構在很大程度上繼承了老機型的結構，其中全鋁(鋁硅合金)汽缸體曲軸箱采用了頂面封閉式結構型式，汽缸工作表面采用時效珩磨工藝，并具有主軸承蓋框架底座。鋼曲軸采用模鍛扭轉成形工藝制成，其軸頸表面經感應淬火硬化。模鍛鋼連桿大頭采用漲裂工藝分離。鋁活塞采用噴涂鐵涂層，第1道活塞環(huán)槽經陽極化硬化處理。隨著氣門機構的改進，在保持位于燃燒室頂面中央的噴油器和火花塞安裝孔不變的情況下，重新調整氣門夾角。汽缸蓋冷卻水套中冷卻水的橫向流動也重新進行了優(yōu)化。在保持汽缸直徑不變的情況下，用于中國市場的4.0L變型機僅通過采用合適的曲柄連桿機構就能實現(xiàn)。

四、機內冷卻調節(jié)

為了避免熱損失，基礎發(fā)動機中的冷卻液通道全部集成在汽缸蓋和汽缸體中，它們都被調整到使曲柄連桿機構和汽缸蓋上配氣機構零件均處于最佳的溫度狀態(tài)。在V形夾角機油最初通道(圖2左圖中黃色箭頭)兩側反向流動的冷卻液初始段(圖2中紅色箭頭)流程中，通過冷卻液加熱機油，將熱量傳導到曲軸軸承結構和兩排汽缸列的配氣機構中(圖2右圖)。

按照以節(jié)油為目標的熱管理的需要，應用了新開發(fā)的按溫度機械調節(jié)的冷卻液泵，其功能是在發(fā)動機暖機運行階段減少90%的冷卻液流量，以達到汽缸體冷卻水套中最佳的保溫效果。這種調節(jié)裝置由一個常規(guī)的冷卻液泵葉輪以及位于其圓周外圍的自行反作用式調節(jié)單元(圖3中用橙色表示)組成，其中一個始終有冷卻液環(huán)流過的傳統(tǒng)蠟式感溫元件被作為溫控執(zhí)行器(80℃開啟)，它借助于其線性活塞行程使葉輪圓周外圍的轉動滑移節(jié)流環(huán)產生轉動和軸向位移調節(jié)(圖3中箭頭所示)。為了實現(xiàn)自動調節(jié)和進行溫度監(jiān)測，節(jié)流環(huán)打開10%的泵水能力已顧及到可靠的發(fā)動機出水溫度，并由位置靠近出水口的冷卻液溫度傳感器進行監(jiān)測。為了在冷卻液溫度低于80℃情況下，確保在動態(tài)功率發(fā)揮時能克服調節(jié)慣性，從3 500r/min轉速起這種調節(jié)裝置依靠泵水壓力就能使系統(tǒng)無滯后地轉換到全泵水量。

圖2 在暖機階段機油循環(huán)回路被加速加熱

圖3 根據(jù)溫度調節(jié)的冷卻液泵及其溫控執(zhí)行器和節(jié)流環(huán)

五、氣門機構和鏈傳動機構

借助于第3代Valvetronic全可變氣門機構進行進氣門升程調節(jié)來降低換氣損失，明顯降低了油耗。帶有驅動裝置和中間杠桿的偏心軸可以集成在現(xiàn)有可利用的結構空間內(圖4)。為了精確地控制發(fā)動機負荷，精確的氣門升程調節(jié)是必需的，為此要求組裝配氣機構的零件彼此相對僅百分之幾毫米的尺寸偏差，這是通過將零件分成兩個尺寸等級，并在裝配過程中對汽缸蓋氣門升程進行專門的測量來達到的。在鏈傳動機構中應用了全塑料張緊導軌和聲學性能在老機型上已經考驗的套筒齒形鏈。為了減輕重量，進排氣雙凸輪軸相位調節(jié)器的外殼材料由鋼改為鋁。

圖4 發(fā)動機上的Valvetronic氣門機構和發(fā)動機艙內的布置狀況

六、機油循環(huán)回路

為了在全輪驅動車型上避開前橋差速器，發(fā)動機應留有必需的結構空間，為此將容積調節(jié)的6腔非對稱擺動滑閥式機油泵被布置在發(fā)動機后端，并通過套筒鏈由曲軸傳動，與老機型相比鏈條被明顯縮短了，有利于減輕重量和減小摩擦功率損失。機油濾清器和溫度調節(jié)器被集成在油底殼上，并由一個新型機油液面?zhèn)鞲衅?PULS，封裝式超聲波液面?zhèn)鞲衅?測量機油狀態(tài)，這種液面?zhèn)鞲衅骰诔暡ㄔ?，并能將液面在汽車組合儀表上顯示出來。鋁油底殼中的機油集濾器用薄鋼板制成，被分成兩節(jié)式，機油很少起泡乳化。

七、曲軸箱通風系統(tǒng)

由于采用了強制式曲軸箱通風，減少了發(fā)動機機油中的冷凝物以及燃油和燃燒殘留物。機油分離器的結構布置與較大的通風體積流量相結合明顯提高了部分負荷時的機油分離效率。被凈化的曲軸箱通風氣體的反饋無需外部管道，在部分負荷時在汽缸蓋罩內被直接引入進氣道的，而在增壓運行情況下，與老機型一樣它們被引入到節(jié)氣門前。

八、燃油系統(tǒng)

高精度噴射是一種采用布置在燃燒室中央的電磁閥式噴油器的第2代汽油缸內直接噴射系統(tǒng)，其最高系統(tǒng)壓力為20MPa，高壓燃油泵由每列汽缸排氣凸輪軸上一個具有3個凸起的凸輪片驅動。其連接管道被焊接在共軌上，所有的焊接部位都緊挨著螺釘擰緊部位，確保其不會因振動而裂開。這種噴油系統(tǒng)與中央布置的火花塞相結合是達到性能目標的重要基礎。

九、皮帶傳動機構

采用帶有張緊輪張緊的7筋主皮帶機構傳動V形夾角空間中的發(fā)電機、冷卻液泵和主動車輪穩(wěn)定性系統(tǒng)(ARS)用泵。在傳動各種不同空調壓縮機變型的4筋輔助皮帶傳動中，因采用了彈性皮帶和BMW回轉式張緊裝置而可取消張緊輪或其它的安裝輔助工具。

十、啟動機

在這種新款V8增壓直噴式汽油機引入發(fā)動機-啟動-停機功能的同時，也采用了一種帶有增強型軸承的啟動機，此外還重新匹配了整流裝置和嚙合機構，因此特別是在回復啟動時在70r/min時就已能嚙合了，因而明顯縮短了起步時間。這種設計可使啟動過程次數(shù)增加10倍。

十一、排氣側布置

圖5 盡可能消除節(jié)流的緊湊的進排氣管路布置

兩個專門為這種機型開發(fā)的廢氣渦輪增壓器由真空膜盒操縱的廢氣放氣閥控制調節(jié)，并可取消倒拖循環(huán)空氣閥。這種廢氣渦輪增壓器的特點是具有非常緊湊的結構型式以及高的壓氣機和渦輪效率。流動優(yōu)化的排氣歧管按點火次序優(yōu)化原則將4個汽缸排氣合并成2個排氣歧管。靠近渦輪布置在V形夾角中的催化轉化器能確保其快速達到起燃溫度發(fā)揮凈化作用，并滿足歐5和ULEV-Ⅱ廢氣排放法規(guī)要求，而無需二次空氣系統(tǒng)。排氣歧管、廢氣渦輪增壓器、催化轉化器和大大消除節(jié)流的后廢氣管路是一個高效的系統(tǒng)，其中部分包裹著三層絕熱材料，它們一方面避免了在發(fā)動機艙的內過于強烈的熱輻射，另一方面確保空氣有針對性地流過發(fā)動機艙，從而確保了熱量從V形夾角空間散發(fā)到汽車地板下面去。

十二、進氣管路和進氣裝置

帶有進氣消聲器和增壓空氣冷卻器的雙進氣空氣管路(圖5)仍固定在發(fā)動機上，再加上廢氣渦輪增壓器集成在V形夾角空間內，進氣路徑很短，使得進氣和增壓空氣管路中的壓力損失最小。水冷式增壓空氣冷卻器同樣用螺釘固定在發(fā)動機汽缸蓋前端，并通過節(jié)流閥體接管與V形夾角外側的進氣總管相連。

十三、冷卻系統(tǒng)

平衡水箱被安裝在左面的車身側壁上。在熱帶地區(qū)使用的車型上，帶有850W電動風扇的冷卻液散熱器通過一個輔助熱交換器被支撐在左車輪罩上，而發(fā)動機機油冷卻器則被安裝在右車輪罩前面。一個20W功率的電動水泵在發(fā)動機停機后仍供應冷卻液冷卻廢氣渦輪增壓器中間軸承座。低溫循環(huán)回路中的冷卻模塊位于自動空調裝置冷凝器前面，而低溫循環(huán)回路則通過一個50W的水泵為發(fā)動機電控單元冷卻和間接增壓空氣冷卻器供應冷卻液。

十四、廢氣裝置

用于BMW 7系列轎車的廢氣裝置被分成兩支管路，其較大的橫截面確保排氣背壓較低。消聲器的設計適應于對轎車提出的高的聲學舒適性要求。在后消聲器范圍內有兩個真空操縱的廢氣閥，它們由數(shù)字發(fā)動機電控單元(DME)按特性曲線場控制，并能獲得一種帶有高的負荷反響的聲學性能，勝任對車輛的綜合要求：一方面在加速時能發(fā)出V8發(fā)動機強有力的響聲，另一方面又具有出色的恒速行駛和怠速運轉的舒適性。這些措施滿足了對獲得一種既節(jié)油同時又具備運動型性能的渦輪增壓發(fā)動機的期望。四根尾管被套入集成在后擋泥板上的兩塊有棱角的鍍鉻護板中。

十五、發(fā)動機控制

為了對發(fā)動機進行電子控制，每列汽缸排都應用了一個經修改的四缸電控單元(DME)，其插座結構和水冷卻允許安裝在發(fā)動機艙中消聲器罩前面，并取消了一個單獨的電控單元盒。此外，這兩個電控單元通過柔性光纜與整車通訊聯(lián)系。