BMW公司的新型3缸和4缸直噴汽油機

【奧】 F.Steinparzer 【德】 T.Brüner C.Schwarz M.Rülicke

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產(chǎn)品介紹

BMW公司的新型3缸和4缸直噴汽油機

【奧】 F.Steinparzer 【德】 T.Brüner C.Schwarz M.Rülicke

BMW公司為直列式發(fā)動機開發(fā)了全新的標(biāo)準(zhǔn)部件，可用于汽油機和柴油機，并具有很大的通用范圍。介紹配裝于Mini和BMW i8轎車的3缸和4缸汽油機的開發(fā)過程。

汽油機 發(fā)動機標(biāo)準(zhǔn)部件 雙動力渦輪增壓 功率

1 直列式發(fā)動機的基本方案

BMW公司將全新開發(fā)的發(fā)動機系列配裝于新型Mini轎車并投放市場，最終擴展了包括所有3缸、4缸和6缸汽油機及柴油機在內(nèi)的發(fā)動機系列，并且，所有直列式發(fā)動機都采用相同的基礎(chǔ)發(fā)動機方案和統(tǒng)一的外圍輔助設(shè)備。

BMW公司的新型汽油機具有3種3缸機型和1種4缸機型，3缸機的排量包括1.2L和1.5L 。1.2L機型的額定功率從75kW起覆蓋Mini One轎車的功率定位；1.5L汽油機以100kW額定功率配裝于Mini Cooper轎車；特殊的高功率變型機則以170kW額定功率用于新型BMW i8混合動力運動型轎車。新型4缸汽油機首次以140kW的額定功率用于Mini Cooper S型轎車，并且會以更高的功率配裝于BMW和Mini轎車[1]。

2 目標(biāo)設(shè)定

新型發(fā)動機系列的主要開發(fā)目標(biāo)是高效、緊湊、功率強勁，并滿足未來全球日益收緊的排放法規(guī)要求。與此同時，設(shè)計任務(wù)書規(guī)定了下列性能目標(biāo)： (1)在頂級應(yīng)用場合，升功率最高可達115kW；(2)略微超過怠速轉(zhuǎn)速就能發(fā)揮高扭矩(低速扭矩性能)；(3)動態(tài)響應(yīng)性可與功率相同的自然吸氣發(fā)動機相媲美；(4)標(biāo)準(zhǔn)測試循環(huán)和用戶實際使用燃油耗低；(5)具有滿足全球最嚴(yán)格廢氣排放法規(guī)限值的潛力；(6)輕型結(jié)構(gòu)的鋁氣缸體曲軸箱；(7)通過優(yōu)化基礎(chǔ)發(fā)動機結(jié)構(gòu)，將摩擦降至最低程度；(8)通過應(yīng)用質(zhì)量平衡系統(tǒng)，使3缸和4缸機型都能獲得較高的運轉(zhuǎn)平穩(wěn)性。

此外，汽油機與柴油機系列的通用性要達到以下效果： (1)在多個生產(chǎn)基地靈活地組織生產(chǎn)(3缸、4缸和6缸汽油機與柴油機)；(2)在相同的基礎(chǔ)發(fā)動機平臺上迅速推出不同的技術(shù)方案；(3)迅速推出變型機；(4)所有變型機與汽車具有統(tǒng)一的接口。

其他方面的挑戰(zhàn)是，即使達到最大的通用化程度，各種變型機都能具有最佳的性能設(shè)計，以確保在競爭機型中的頂尖地位。

3 設(shè)計方案

新型3缸和4缸汽油機仍沿用BMW公司直列式發(fā)動機的設(shè)計尺寸，缸心距為91mm，單缸排量為0.5L(圖1)。用于Mini One轎車的3缸機方案是個特例，其單缸排量為0.4L，總排量為1.2L(表1)。在結(jié)構(gòu)設(shè)計和外圍輔助設(shè)備方面，這些發(fā)動機基本都采用增壓。為了給最佳性能和汽車集成創(chuàng)造前提條件，將充量更換設(shè)計成橫流式，而且從發(fā)動機左側(cè)進氣，右側(cè)排氣。鏈傳動機構(gòu)被布置在發(fā)動機后端，使所有輔助設(shè)備都集中在進氣側(cè)，右側(cè)用于布置廢氣渦輪增壓器和近發(fā)動機的排氣后處理裝置。圖2為4缸直噴汽油機的縱橫剖視圖。

圖1 BMW公司新型3缸直噴汽油機

項目參數(shù)發(fā)動機類型低功率3缸機高功率3缸機4缸機最大功率/kW100(4500r/min)170(5800r/min)141(4700r/min)最大扭矩/(N·m)220(1250r/min)320(3500r/min)280(1250r/min)斷油轉(zhuǎn)速/(r·min-1)650065006500升功率/(kW·L-1)66.7113.370.5升扭矩/((N·m)·L-1)146.6213.3140.0最大比功/(kJ·L-1)1.822.351.7排量/mL1498.81998.3缸徑/mm82.082.0行程/mm94.694.6行程缸徑比1.151.15單缸排量/mL499.6499.6連桿長度/mm148.2148.2連桿曲柄比0.3190.319缸心距/mm9191活塞壓縮高度/mm33.233.2活塞火力岸高度/mm77活塞銷直徑/mm2222活塞銷長度/mm5555進/排氣門直徑/mm30.0/28.530.0/28.5進/排氣門升程/mm9.9/9.79.9/9.7進/排氣門桿部直徑/mm5.0/5.05.0/5.0壓縮比11.011.0

4 基礎(chǔ)發(fā)動機的結(jié)構(gòu)設(shè)計

為所有機型設(shè)計了全鋁結(jié)構(gòu)的氣缸體曲軸箱(圖3)。凸輪軸鏈傳動機構(gòu)被布置在飛輪側(cè)。氣缸套工作表面采用創(chuàng)新的電弧金屬絲噴鍍涂層，厚度僅0.3mm，極其耐磨，與傳統(tǒng)的灰鑄鐵氣缸套相比，具有良好的散熱性能。所有機型都采用鍛鋼曲軸，并且在軸承部位感應(yīng)淬火。平衡軸集成在氣缸體曲軸箱中，在3缸機上由曲軸前端驅(qū)動，而在4缸機上,2根平衡軸的驅(qū)動齒輪集成在曲軸后端曲柄臂上。主軸承采用雙金屬鋁軸承，連桿軸承采用涂覆聚合物涂層的三金屬軸承。鍛鋼連桿被設(shè)計成階梯式結(jié)構(gòu)型式，連桿小頭中鑲鑄卷制而成的堅固青銅套。

圖2 BMW公司新型4缸直噴汽油機的縱橫剖視圖

圖3 3缸和4缸直噴汽油機的氣缸體曲軸箱

為了平衡一階自由慣性力矩，所有3缸機都采用支承在氣缸體曲軸箱中的鍛鋼平衡軸，并具有2個反向布置的平衡塊，其中1個平衡塊被直接鍛造在平衡軸上。集成在曲軸上的齒輪與平衡軸前端的傳動齒輪相嚙合，直接驅(qū)動平衡軸。這種傳動齒輪經(jīng)燒結(jié)而成，輪轂中具有隔離噪聲的彈性阻尼，并集成了二階平衡質(zhì)量。為了減少傳動功率，平衡軸采用滾動軸承支承。

為減小曲軸振動，所有3缸汽油機和柴油機都采用相同的結(jié)構(gòu)布置型式，但考慮到燃燒過程和曲柄連桿機構(gòu)的運動質(zhì)量各不相同，汽油機和柴油機上的不平衡質(zhì)量及其傳動機構(gòu)都經(jīng)過專門匹配。

為了平衡引起振動的二階慣性力，4缸汽油機采用2根支承在氣缸體曲軸箱中的鍛鋼平衡軸，并以2倍的曲軸轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。為了減少傳動功率，4缸機的2根平衡軸也采用滾動軸承支承。

通過2根結(jié)構(gòu)相同的平衡軸之間的高度差，附加平衡二階慣性力矩。因其高度差比4缸老機型的略小，故所產(chǎn)生的交變力矩向低轉(zhuǎn)速方向移動，這對于靠近低速扭矩范圍內(nèi)的運轉(zhuǎn)舒適性來說是有利的。

3缸和4缸汽油機采用相同的擺動滑閥式機油泵供應(yīng)機油，可按特性曲線場調(diào)節(jié)體積流量。機油泵與集成在同一殼體中的真空泵組合成串聯(lián)泵，布置在油底殼油池中，并由1根鏈條驅(qū)動。發(fā)動機機油壓力則由1個比例電磁閥根據(jù)電控單元中儲存的特性曲線場進行調(diào)節(jié)。在主油道上裝有1個組合式機油壓力和溫度傳感器，其信號為機油泵及熱管理系統(tǒng)所用。油底殼中的油位傳感器持續(xù)監(jiān)測機油液面狀況。由塑料制成的機油濾清器模塊帶有整體式機油冷卻器。

在老機型的基礎(chǔ)上，對Valvetronic可變氣門機構(gòu)進行進一步開發(fā)。為了移動偏心輪的位置，在氣缸蓋進氣側(cè)的前方尋找位置，并將其集成在進氣裝置罩殼中。通過深入開發(fā)進氣門傳動機構(gòu)，使結(jié)構(gòu)空間明顯減小，而將進氣凸輪軸與偏心輪互換位置后，又明顯降低了結(jié)構(gòu)高度(圖4)。

圖4 新機型與老機型Valvetronic可變氣門機構(gòu)的布局比較

新的中間桿和滑道位置減小了傳遞到氣缸蓋上的力，而滑道僅由1個螺釘固定在軸承座上，并通過氣缸蓋上2個精密的定位面定位。中間桿回位彈簧支撐在氣缸蓋與軸承座之間，所以不需要固定點。偏心軸的尺寸與進氣凸輪軸的相同，排氣凸輪軸則通過1個三面凸輪驅(qū)動噴油系統(tǒng)的燃油高壓泵。

鏈傳動的驅(qū)動力通過2個凸輪軸相位調(diào)節(jié)器傳遞。凸輪軸相位調(diào)節(jié)器中的三翼式轉(zhuǎn)子執(zhí)行器使進氣凸輪軸具有70°CA的相位調(diào)節(jié)范圍，而排氣凸輪軸則具有60°CA的相位調(diào)節(jié)范圍。將BMW公司為汽油機全新開發(fā)的鏈傳動機構(gòu)布置在動力輸出端，曲軸向下通過后面的短鏈條驅(qū)動串聯(lián)泵(由機油泵與真空泵組合而成)，向上驅(qū)動中間鏈輪。該中間鏈輪具有2道鏈軌(齒數(shù)為24/32)，確保從曲軸(24齒)到凸輪軸相位調(diào)節(jié)器(36齒)的傳動比為2，從而可減小相位調(diào)節(jié)器的直徑，并降低發(fā)動機的結(jié)構(gòu)高度。中間鏈輪上方的正時傳動機構(gòu)驅(qū)動凸輪軸，在2個相位調(diào)節(jié)器之間用螺釘固定氣缸蓋上的鏈條導(dǎo)軌，可防止鏈條跳動。中間傳動鏈和正時傳動鏈各有1條鏈軌。機油泵的鏈傳動機構(gòu)中沒有導(dǎo)向或張緊裝置。

5 增壓

BMW公司的新型發(fā)動機在增壓技術(shù)方面也具有創(chuàng)新之處，4缸機具有與排氣歧管連成整體的雙渦道渦輪模塊，這種結(jié)構(gòu)型式能確保2股廢氣流在渦輪前可靠分開，這樣，經(jīng)怠速轉(zhuǎn)速后就能獲得更高的扭矩，同時又能進一步挖掘瞬態(tài)響應(yīng)性能的潛力。為使排氣歧管具有足夠的膨脹余地，并能安裝在緊湊的空間中，采用可滑移的壓板法蘭，將排氣歧管緊固在氣缸蓋上。這種整體式雙渦道廢氣渦輪增壓器不再采用水冷卻。

總而言之，我國國庫集中支付制度推廣了十幾年，這項制度對高校財務(wù)管理造成了較大影響，有利于高校財務(wù)管理體系的構(gòu)建。從當(dāng)前情況來看，很多高校在財務(wù)管理系統(tǒng)方面仍不夠完善，在未來的發(fā)展中，高校領(lǐng)導(dǎo)要轉(zhuǎn)變觀念，充分認(rèn)識到國庫集中支付制度的優(yōu)點、注重高校內(nèi)部預(yù)算管理的科學(xué)化、優(yōu)化財務(wù)管理組織機構(gòu)、建立完善的財務(wù)信息管理系統(tǒng)、拓寬辦學(xué)資金來源，以高校國庫集中支付給財務(wù)管理制度帶來的變化為出發(fā)點，強化自身財務(wù)管理體系的構(gòu)建，實現(xiàn)高校的正常運行和教育目的。

新型3缸汽油機的結(jié)構(gòu)設(shè)計則完全不同，在量產(chǎn)轎車上首次采用了由熔模(泡沫材料)鑄造技術(shù)制成的水冷式全鋁廢氣渦輪增壓器。另外，用可滑移的壓板法蘭將排氣歧管緊固在氣缸蓋上的結(jié)構(gòu)型式在設(shè)計上具有較大的自由度。通過昂貴的計算流體動力學(xué)模擬，并與零件強度計算相結(jié)合，減少壁面熱流。雖然為冷卻花費了額外費用，但既減輕了質(zhì)量，又能獲得顯著降低CO2排放的潛力。與非冷卻的鋼制廢氣渦輪增壓器相比，催化轉(zhuǎn)化器前的廢氣溫度明顯低于850℃，這使催化轉(zhuǎn)化器就像未經(jīng)老化的一樣。

將渦輪模塊與氣缸蓋之間的分界面布置在靠近氣缸蓋法蘭面的部位，以便在BMW i8頂級車型上使用常規(guī)的鋼制廢氣渦輪增壓器，并用法蘭安裝在相同的氣缸蓋上。為了統(tǒng)一廢氣裝置在汽車上的裝配，3缸和4缸機的催化轉(zhuǎn)化器采用相同的法蘭位置(圖5)。

圖5 3缸和4缸直噴汽油機的廢氣渦輪增壓器模塊布置

6 熱力學(xué)、燃燒和噴油

在老機型的基礎(chǔ)上，對新型標(biāo)準(zhǔn)部件汽油機的雙動力渦輪增壓燃燒過程進行開發(fā)，以滿足更為嚴(yán)格的廢氣排放法規(guī)要求，并進一步提高效率。新機型的缸徑為82mm，比老機型縮小2mm，并具有明顯較大的行程缸徑比1.15，這對于熱力學(xué)和摩擦而言都是最佳值。

圖6的燃燒室垂直剖面圖表明，與老機型的燃燒過程相比，新機型雖然縮小了缸徑，但活塞頂凹坑明顯較寬，與流量減小的多孔噴油器形成的寬廣噴霧設(shè)計相匹配后，在提高充量運動的共同作用下，能獲得明顯改善的混合氣均質(zhì)化，實現(xiàn)更為快速的燃燒。其中，因多孔噴油器的額定流量減小，噴霧貫穿度已大幅縮短。

圖6 新機型與老機型的燃燒室形狀

此外，通過分配噴孔噴油量和噴射方向，優(yōu)化噴霧形成，在催化轉(zhuǎn)化器加熱性能(涂層能力)與熱機運行要求之間尋找最佳折中，同時也將活塞與氣缸套壁面及進氣門的潤濕減少到最低程度。第2代可變氣門機構(gòu)在噴油方面具有更大的自由度，能在更寬廣的噴油器特性曲線范圍內(nèi)應(yīng)用最小噴油量。這兩種措施能對顆粒數(shù)排放產(chǎn)生極其有利的影響，再次明顯降低整個特性曲線場范圍內(nèi)的顆粒數(shù)排放。

從圖7可以看出，在氣缸蓋密封平面的截面上，點火時刻過量空氣系數(shù)λ的分布狀況與老機型相比獲得明顯改善，同樣，火花塞的火花位置也從燃燒室移出約2mm，明顯降低了火花塞的熱負荷。

圖7 過量空氣系數(shù)λ的分布概率

圖8示出了發(fā)動機轉(zhuǎn)速2000r/min時指示負荷下的指示比油耗曲線。經(jīng)過進一步開發(fā)，寬廣范圍內(nèi)的燃油耗最多可降低5%。在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境的邊界條件下，標(biāo)準(zhǔn)部件汽油機能在額定功率范圍內(nèi)的化學(xué)計量比λ條件下運行。

圖8 發(fā)動機轉(zhuǎn)速2000r/min時的指示比油耗

7 熱管理

采用皮帶傳動的機械式水泵作為冷卻液泵。因采用永久傳動方式，在與柴油機通用的同時，充分利用了冷卻“熱端”的優(yōu)點。在冷卻液泵殼體中還集成了可按特性曲線場調(diào)節(jié)的電加熱節(jié)溫器，用于調(diào)節(jié)發(fā)動機進水溫度。冷卻液首先沿氣缸體曲軸箱排氣側(cè)流動，流入氣缸蓋后，被分配到氣缸蓋中的高熱負荷部位和“熱端”，其中流入氣缸蓋的部分冷卻液直接拐向排氣區(qū)域和排氣門之間的鼻梁部位，而冷卻液的主要體積流量則經(jīng)由氣缸蓋流入“熱端”區(qū)域，冷卻排氣歧管和廢氣渦輪增壓器的渦輪，然后返回氣缸蓋。冷卻液橫向流經(jīng)氣缸蓋和“熱端”，并在進氣側(cè)返回氣缸體曲軸箱，再流入通往散熱器的管道。圖9示出了具有水冷式“熱端”的3缸汽油機機內(nèi)冷卻液的走向。

圖9 采用水冷卻“熱端”的3缸汽油機的冷卻液走向

8 汽車集成

新型發(fā)動機標(biāo)準(zhǔn)部件的另一個設(shè)計重點是要將其集成到同樣新開發(fā)的橫置式前驅(qū)汽車平臺的接口上。若進行模塊化設(shè)計，則其組成部分是新發(fā)動機標(biāo)準(zhǔn)部件，具有連接到冷卻標(biāo)準(zhǔn)部件、進氣空氣管路和廢氣裝置的統(tǒng)一接口，從而減輕汽車裝配的復(fù)雜性，而且，這種模塊化設(shè)計方案也是確定外圍設(shè)備尺寸的基礎(chǔ)。此外，在設(shè)計中，還要考慮到新車型在行人保護方面的要求，以及優(yōu)化發(fā)動機艙內(nèi)熱管理的要求。

9 燃油耗

通過不斷地開發(fā)燃燒過程和增壓技術(shù)，改善了暖機性能，并應(yīng)用水冷式排氣歧管減少摩擦，優(yōu)化進氣空氣管路、增壓空氣冷卻和廢氣裝置等，使匹配手動變速器的3缸汽油機CO2排放降低16%，匹配自動變速器的3缸汽油機CO2排放最多降低28%，最高車速能提高7km/h或13km/h。即使是用戶實際使用燃油耗，新型3缸汽油機也顯示出明顯優(yōu)勢，因為應(yīng)用水冷式廢氣渦輪增壓器后，能在整個特性曲線場范圍內(nèi)以化學(xué)計量比運行。新型4缸汽油機因具有較高的進氣動量而明顯改善了瞬態(tài)響應(yīng)性能，在匹配手動變速器的情況下，其CO2排放能達到與老機型相同的水平，若匹配新型自動變速器，則最多能降低18%。

10 功率和扭矩

圖10示出了新型3缸和4缸直噴汽油機的全負荷特性曲線。1.5L 3缸汽油機的功率型譜覆蓋從Mini轎車的100kW到BMW i8運動型轎車的170kW，升功率范圍為67～113kW。

圖10 新型3缸和4缸直噴汽油機的全負荷特性曲線

3缸汽油機動力總成的扭矩具有相應(yīng)跨度，從Mini轎車的220N·m到BMW i8運動型轎車的320N·m。新型Mini轎車的低速扭矩點位于1250r/min，與新設(shè)計的變速器相組合后，進一步降低了燃油耗，并提高了行駛舒適性。

首次將4缸汽油機的功率設(shè)置為141kW，作為Mini轎車的橫置式發(fā)動機，扭矩為280N·m，與3缸機相似，也是從發(fā)動機轉(zhuǎn)速1250r/min起就能達到大扭矩。

與配裝老機型的Mini轎車相比，配裝新自動變速器系列，以及功率和扭矩均提高的新機型后，Mini Cooper S型轎車達到了明顯更佳的行駛性能。配裝手動變速器后，0～100km/h的車輛加速時間減少0.2s，配裝自動變速器后則減少0.5s。配裝手動變速器的車型80～120km/h的加速時間縮短0.6s，最高車速提高8km/h或10km/h。通過改進燃燒過程，不斷優(yōu)化進氣管路、增壓空氣冷卻和廢氣裝置范圍內(nèi)的充量更換，將發(fā)動機的加濃需求限制在最小值(λ=0.94)。此外，新型4缸汽油機也盡可能采用化學(xué)計量比的λ運行。

在Mini Cooper轎車上，所有性能均獲得明顯改善，通過換裝新型3缸汽油機，配裝手動變速器的車型0～100km/h的加速時間減少1.2s，而配裝自動變速器的車型則減少2.6s。其中，配裝手動變速器的車型80～120km/h的加速時間減少2.8s。

11 降低廢氣排放

與老機型相比，進一步開發(fā)燃燒過程的新機型原始排放顯著降低。并且，優(yōu)化了近發(fā)動機催化轉(zhuǎn)化器中的流動及位置，增壓器廢氣放氣閥采用電動調(diào)節(jié)器，同時改進了暖機策略，在不改變發(fā)動機零件的前提下能可靠滿足全球最嚴(yán)格的廢氣排放法規(guī)要求(歐6、超低排放車和特超低排放車)。此外，新型3缸汽油機使用水冷式排氣歧管，明顯降低了近發(fā)動機催化轉(zhuǎn)化器的熱負荷，并減緩了催化轉(zhuǎn)化器的老化。

12 結(jié)語

BMW公司已將應(yīng)用全新發(fā)動機標(biāo)準(zhǔn)部件的新型3缸和4缸直噴汽油機投放市場。除了可靠的雙動力渦輪增壓技術(shù)、缸內(nèi)汽油直噴、全可變氣門機構(gòu)和廢氣渦輪增壓器之外，還在3缸機上應(yīng)用水冷式全鋁“熱端”等全新技術(shù)。新型汽油機首次配裝于Mini轎車，額定功率為170kW的3缸汽油機配裝于BMW i8運動型轎車。今后還將開發(fā)結(jié)構(gòu)相同的6缸汽油機，以完善新發(fā)動機系列，并應(yīng)用于BMW公司所有車型。

[1] Steinparzer F, Schwarz C, Brüner T, u.a. Die neuen BMW3- und 4-zylinder ottomotoren mit twinpower turbo technology[C]. 35. Internationales Wiener Motorensymposium, 2014.

2014-11-16)