BMW公司新型高效動力學發動機系列

【奧】 F.Steinparzer D.Hiemesch 【德】 N.Ardey W.Mattes

1 標準組合部件的拓展

BMW公司動力總成的標準組合部件歷經以往幾代發動機的持續開發。就直列式發動機而言，其通用化率已遠超60%，并且，水平標準組合部件在燃燒過程（汽油機或柴油機）中處于重要地位。因此，根據進一步開發的邊界條件，向在汽油機和柴油機領域占明顯較大范圍的垂直標準組合部件拓展是新一代發動機的主要開發目標。

制造、開發和采購是推動這方面工作進展的主要因素，當然，首先要確保的是品質，其中包括：（1）通過汽油機和柴油機通用的基礎發動機平臺，進行協同開發與制造；（2）在多個生產基地實現生產靈活性（3缸、4缸和6缸汽油機或柴油機）；（3）獲得越來越多的變型機方案；（4）統 一汽車接口；（5）縮短推出新變型機的周期；（6）通過減少方案和零件多樣化提高品質，并提供更多的保障；（7）提高采購集約化和工業化程度；（8）為滿足目前和未來的燃油耗和廢氣排放要求奠定基礎。

即使汽油機與柴油機達到最大的通用化程度，BMW公司的研究人員確定，開發新型標準組合驅動部件的前提和挑戰是按照汽油機和柴油機各自的燃燒原理，達到最佳性能設計，以確保在同類機型競爭中處于頂尖地位。

2 標準組合部件的構建

新型柴油機和汽油機標準組合部件定位于單缸排量為0.5L的3缸、4缸和6缸機型，可獲得1.5L、2.0L和3.0L3種排量。2014年春季，新一代3缸和4缸發動機配裝于新型Mini轎車。作為發動機統一結構的基礎，柴油機和汽油機均采用布置在燃燒室中央的噴油器和廢氣渦輪增壓。按照“更多共性、按需差異”的原則，BMW公司持續貫徹柴油機和汽油機普遍適用的標準組合部件策略。除了缸心距、氣缸體曲軸箱結構高度、氣缸蓋和主軸承螺栓間距、平衡軸，以及汽車接口等基本尺寸外，全鋁結構型式也屬于共性配置，而且所有發動機都在相同的生產線上進行加工和裝配。

標準組合部件的核心是單缸排量為0.5L的最佳氣缸單元（圖1），具有統一的91mm缸心距，缸徑和行程可毫無折中地用于柴油機或汽油機的燃燒過程（汽油機：缸徑82.0mm，行程94.6mm；柴油機：缸徑84mm，行程90mm）（圖2）。新型發動機系列的3缸和4缸機型能在不同汽車結構中橫向或縱向布置，6缸機型只能縱向布置。對于BMW公司的車型而言，從各方面而言，0.5L都是最佳的單缸排量。通常，單缸排量越小，振動就越小，并且聲學性能更好，摩擦更小，熱力學效率更高。因此，在考慮必要的轉速范圍、循環燃油耗和實際使用燃油耗，以及廢氣排放的情況下，選擇0.5L作為柴油機和汽油機的最佳單缸排量。

在不需要燃燒過程特有結構型式的系統中，必須實現柴油機與汽油機之間的部件通用化。例如，將發動機傳動端的正時傳動機構設計成兩部分的鏈傳動，用于機油和真空回路的串聯泵用單根鏈條傳動，并布置在油底殼中。

柴油機與汽油機之間的零件通用化率為30%～40%，結構設計相同的零件數量也較多，而柴油機或汽油機本身的零件通用化率則達到60%（圖3）。在柴油機或汽油機內部，氣門傳動機構的零件是相同的，鏈傳動機構則可作為結構設計相同的系統實例，它在發動機接口方面是統一的，但在汽油機和柴油機上，已對其承載能力進行仔細匹配。

須特別注意柴油機或汽油機與汽車接口的統一設計（圖4），并且在2種發動機上的安裝位置和角度必須是相同的。包括用于原始空氣、冷卻、汽車電纜束、發動機支架、變速器及空調管路等連接點在內，安裝在汽車上的發動機共有10個接口，均由標準組合部件連接，可減少汽車裝配車間中的變型數量，從而使裝配具有很大的靈活性。

要實現內容豐富的標準組合部件，在開發初期，產品開發、采購和生產之間就必須緊密配合，并且詳細列出對部件和系統的要求，并在整個工藝鏈中嚴格地實施轉化，以實現構建標準組合部件的有利效果。除了相應的標準組合部件之外，同時還確定了生產中所使用的汽油機及柴油機標準組合部件工藝，并首次在生產中普遍實施。

3 發動機標準組合部件概要

除通用件之外，BMW公司新型高效動力學發動機系列的標準組合部件還包括許多結構設計相同的構件。下面將分別介紹汽油機與柴油機的系統和部件實例，例如氣缸體曲軸箱、機油濾清器模塊、油底殼和齒輪傳動室罩蓋等通用件（圖5），而結構設計相同的構件有機油-真空泵、皮帶傳動、冷卻液泵和平衡軸等（圖6）。

4 氣缸體曲軸箱

作為BMW公司新型柴油機和汽油機系列的重要基礎，按照開發目標對氣缸體曲軸箱確定統一的結構特點，使目前應用的結構達到整體優化。具體來講，就是利用目前汽油機的保留技術（涂層氣缸工作表面），以及目前只用于柴油機的技術（高強度軸承和熱處理、深裙和頂面封閉式氣缸體曲軸箱結構，以及整體式平衡軸）。

開發氣缸體曲軸箱的挑戰在于，能夠利用所有發動機變型（縱置式和橫置式汽油機或柴油機）的相同接口發揮更多的協同作用，同時又在具備性能優勢的部位有所差別。在3缸汽油機和柴油機上，采用復式金屬模制造的整體式鑄鋁毛坯來應對這種挑戰。首先在制造加工方面有所區別，此外，須設計相同的基礎發動機介質流動通路，與機油濾清器模塊、機油泵、冷卻液泵、變速器、發動機支架、起動馬達的接口，以及用于加工和裝配的緊固方案，這樣就能在相同的生產線上實現汽油機和柴油機變型的柔性生產，而在缸徑、主軸承座孔直徑和軸承蓋方面則又有所區別。

5 機油濾清器模塊

整體式氣缸體曲軸箱的特點是能夠應用統一的機油濾清器模塊，這是縱置式和橫置式3缸、4缸汽油機或柴油機的通用件。這種塑料結構的機油模塊將機油濾清器與機油冷卻器組合成緊湊的整體型式，由發動機機油-冷卻液熱交換器的模塊化結構尺寸來滿足不同的冷卻要求。

6 油底殼

對于標準組合部件發動機而言，其在汽車上的安裝位置是統一的。對于汽油機和柴油機的安裝要求而言，因與氣缸體曲軸箱、發動機支架和變速器的接口是相同的，因此，這兩種發動機的油底殼毛坯在各自車型和驅動方式（前驅、后驅或全驅）下都是統一的，通過制造加工，就能滿足不同要求（例如傳感器的安裝）。標準組合部件發動機的油底殼均由鋁壓鑄而成，因變速器連接在油底殼上，這種工藝方法具有對發動機-變速器聯結的加固作用，針對在發動機橫向布置時（3缸、4缸發動機）擺動支承的連接，以及全驅時前橋變速器的連接，則提出了進一步的強度要求。

7 齒輪傳動室罩蓋

用于3缸、4缸汽油機和柴油機的齒輪傳動室罩蓋也是通用件。這種塑料結構的罩蓋被安裝在發動機前端，蓋住平衡軸-齒輪傳動機構，其中既包括曲軸徑向密封圈，也包含與氣缸體曲軸箱和油底殼的靜態密封。這種方案的優點是質量輕，并具備整體式密封和預裝配連接構件，從而能簡化裝配工作。

8 機油-真空泵

BMW公司新型標準組合部件發動機的機油泵與真空泵被組合成1個整體式單元結構，它與發動機的接口在汽油機或柴油機中是相同的，這樣就能統一機油-真空泵方案，而汽油機和柴油機對機油壓力及體積流量的不同需求則通過調整機油泵內的齒輪組尺寸予以滿足。因機油泵的設計方案相同，機油進油管、特性曲線場調節閥和緊固螺栓等都可使用統一的零件。若將機油泵設計成全可變滑片泵，那么，其體積流量則能借助于特性曲線場調節閥進行按需調節。安裝在同一根驅動軸上的真空泵位于機油泵后，也是結構設計相同的部件。

9 皮帶傳動

結構設計統一的氣缸體曲軸箱還能使3缸、4缸和6缸汽油機與柴油機上的皮帶傳動也成為標準組合部件。根據特定的組裝要求，只有專門用于橫置式和縱置式發動機的2種不同皮帶傳動布置型式，可根據配套車型的要求分別應用。發動機輔助設備統一布置在進氣側，以便使燃燒過程專用的增壓和排氣后處理在排氣側獲得盡可能大的自由空間。皮帶傳動與發電機、冷卻液泵、空調壓縮機和曲軸皮帶盤具有統一的接口，為各輔助設備留出足夠寬度，因而降低了連接的復雜程度，使開發、采購和制造的整個過程鏈更為協調。通過預緊力和皮帶曲線，使所有發動機都獲得摩擦優化的單皮帶傳動。汽油機和柴油機上的皮帶傳動所有皮帶盤尺寸都是統一的，而皮帶張緊輪、轉向輪、發電機和空調壓縮機也都是通用件。此外，在皮帶傳動設計中，由發電機（起動機-發電機系統）來承擔發動機的起動功能。

10 冷卻液泵

標準組合部件發動機的機械式冷卻液泵是由發動機傳動的部件。與用于縱置式和橫置式發動機變型的2種不同皮帶傳動類似，冷卻液泵也有2種不同集成方案。在基本結構設計中，即使汽油機和柴油機對冷卻液的需求量不同，但仍達到了很高的通用化程度。在相同的殼體零件、皮帶盤、軸承，以及統一的輔助設備支架條件下，通過葉輪變化和動態壓縮設計來滿足柴油機和汽油機的特殊要求，并且，在冷卻液泵的基本設計方案中，已考慮了冷卻液需求量可變和可開關的可能性。在橫置式發動機上，冷卻液循環回路中的節溫器調節被設置在冷卻液泵單元中，可根據使用情況，應用傳統的或由特性曲線場調節的節溫器。

11 平衡軸

汽油機和柴油機平衡軸單元的布置和傳動在結構設計上是相同的。在3缸和4缸發動機上，平衡軸被集成在氣缸體曲軸箱中，并通過齒輪機構由曲軸驅動。在發動機設計方面，2種機型的差別在于，平衡自由慣性力和慣性力矩所需的質量比，以及在傳動齒輪細節設計時有關隔離或夾緊的方式。因此，要考慮燃燒基本條件不同的轉換瞬間，確保齒輪傳動最佳的聲學性能。

12 降低CO2排放的措施

按照BMW公司高效動力學的理念，新一代的柴油機和汽油機應具有盡可能小的摩擦損失和最好的熱力學效率。BMW公司的汽油機采用高效的雙動力渦輪增壓技術運行，并與缸內汽油直噴、全可變進氣門控制和雙渦道廢氣渦輪增壓相結合；柴油機則應用雙動力渦輪增壓技術與共軌高壓直噴和新型可變截面渦輪增壓器相結合的技術方案（圖7）。

首次推出的3缸1.5L柴油機和汽油機具有明顯降低CO2排放的潛力，這應歸功于較為有利的暖機運轉性能、較小的摩擦功率、較小的排量，以及運行工況點向高效率特性曲線場范圍的移動。發動機燃油耗在其功率范圍內處于頂尖位置，因此，與傳統1.6L4缸汽油機相比，3缸汽油機的CO2排放量降低6.2%。在動力性能方面，高升功率的3缸發動機也具有相應潛力，該發動機系列覆蓋了55～100kW的功率型譜，而在新型BMW i8轎車上則配裝170kW的汽油機機型。

通過應用不斷優化的基礎發動機、昂貴的熱管理系統、按需調節的輔助設備、按特性曲線場調節體積流量的機油泵、低黏度機油，以及起動-停機自動控制系統等一系列節油技術，新型柴油機和汽油機達到最低的CO2排放值，并能滿足已生效的歐6排放法規要求，采用相應的排氣后處理系統后，還能達到特超低排放車標準的限值要求。

13 結語

BMW公司在直列式發動機上采用新型緊湊的標準組合部件，重新調整了發動機開發策略。3缸、4缸和6缸汽油機與柴油機之間具有較高的通用化程度，在產品開發、汽車集成和生產中達到了高度協調。沿用了BMW公司久經考驗的發動機核心技術，又進行進一步優化，使其性能更佳。所有發動機均采用噴油器中置的直接噴射方式和廢氣渦輪增壓。這是BMW公司高效動力學策略的重要成果，既顯著提高了動力性能，又對進一步降低公司平均燃油耗作出了重要貢獻。