BMW與PSA聯合開發的四缸汽油發動機技術介紹(一)

◆文/浙江 范明強

BMW與PSA聯合開發的四缸汽油發動機技術介紹(一)

◆文/浙江 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；1984年調往機械工業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。

BMW和PSA公司為降低CO2排放合作開發了一種小型汽油機系列(圖1)，并首次在該等級排量的汽油機上應用了全可變氣門機構(配氣相位和氣門升程調節)以及采用雙渦道增壓器增壓與缸內直接噴射相結合，同時應用了體積流量可調的機油泵和可脫開的機械傳動冷卻水泵，并不斷地降低摩擦功率，使得所有機型的扭矩特性曲線明顯豐滿，燃油耗顯著降低。

這種汽油機系列是以統一的1.4～1.6L排量段的基礎發動機平臺為基礎的，從中衍生出70～128kW之間許多不同的功率等級，該系列汽油機每年總共大約有一百萬臺裝用在PSA集團的各種轎車和BMW公司的Mini轎車上。

為了滿足雙方共同的開發目標，BMW和PSA公司采用了全可變氣門機構(VVT)進氣道噴射自然吸氣和缸內直接噴射增壓(TGDI)兩種技術方案(表1、表2)。70kW和88kW兩種低功率等級機型采用進排氣雙凸輪軸相位調節器(雙葉輪式)和全可變進氣門升程調節，而110kW和128kW兩種高功率等級機型則采用進氣凸輪軸相位調節器、噴油器側置的缸內直接噴射(λ=1均質混合汽運行)和渦輪增壓(雙渦道)，其中110kW功率等級機型只裝用于PSA轎車上。

該汽油機系列的目標是：無論在燃油耗、扭矩特性曲線和制造成本等方面都應該成為同類競爭機型中的佼佼者，同時每種機型都必須被設計得非常緊湊，從而能夠不作改動就可配裝于出自不同汽車平臺的60種以上不同車型上。

該汽油機系列將在全球推廣應用，部分機型只要添加一些附加措施就能滿足當前所有國家實施的排放法規要求。

一、技術特點

這種汽油機系列具有現代先進發動機結構的所有重要特點，就其總體而言在當今類型汽車中是獨一無二的(圖2)。

即使該系列汽油機采用了不同的技術，且具有寬廣的功率范圍，但是還是具有許多共同點和通用件(圖3)。在不損害性能的前提下允許作一些必要的折中，以便在零件層面或在整機上盡量減少差異，這對降低制造成本作出了重要的貢獻。

二、結構特點

1.汽缸體曲軸箱和梯子形主軸承框架底座

汽缸體曲軸箱和梯子形主軸承框架底座總成被設計得使其帶有整體式鑄造鏈條盒也能夠在PSA公司現有的1.6L柴油機生產流水線上共線生產。

汽缸體曲軸箱由AlSi9Cu3壓鑄而成，并帶有一直延伸到其頂面鑄成一體的開放式灰鑄鐵汽缸套(圖4)。這種汽缸套通過在其外圓周表面加工出特殊溝槽使其能與鋁汽缸體曲軸箱緊密結合，從而能夠獲得良好的熱傳導，并確保在發動機運轉時產生的變形非常小，同時對冷卻液在其整個縱向長度上的流動進行了優化。這樣的設計滿足了有關制造(最薄的壁厚，無材料的堆積，良好的加工性和100%的天然密度)、耐久運轉的零件承載能力(同樣能適應未來功率的提升)、聲學特性(曲軸箱結構具有極高的剛度)和摩擦功率(非常低的泵吸損失)等方面的所有要求。其質量為17kg。

梯子形主軸承框架底座同樣采用AlSi9Cu3制成，與汽缸體曲軸箱一起形成了一個高剛度的基礎，以獲得良好的聲學特性。增壓機型的框架底座上還帶有采用F60-U2-70粉末冶金的主軸承鑲圈。為了對全可變氣門機構(VVT)自然吸氣機型無主軸承鑲套情況下的機油用量和聲學性能產生有利的影響，所有機型的主軸瓦都分成5組。在裝配時，框架底座用2個定位套定位，與汽缸體曲軸箱之間用液態密封膠密封。

圖2 4缸進氣道噴射式(左)和缸內直噴式汽油機(右)的技術特點

圖3 1.4～1.6L汽油機的通用件

2.曲柄連桿機構

基于梯子形主軸承框架底座結構具有高的剛度，自然吸氣VVT機型采用GSB2鑄鐵曲軸，而增壓機型則采用38MSV5鍛鋼曲軸。為了使設計的曲軸結構能適合于所承受的負荷，這兩種材料曲軸對飛輪側曲拐的連桿軸頸與曲柄臂連接部位都予以加強，并對每缸的平衡質量進行專門的設計計算，因此獲得了非常輕的質量，所有機型的主軸頸直徑僅45mm。連桿軸頸直徑，70kW機型為40mm，而其余所有機型為45mm。

圖4 機體和曲柄連桿機構零件

這種汽油機系列開發了3種連桿方案，它們的長度、連桿軸頸直徑和活塞銷直徑各不相同。帶有梯形小頭和漲裂分離大頭的連桿材料采用XC70。經濟型活塞被設計得質量最輕。活塞銷直徑根據單位面積承受的負荷進行調整，分別為18mm(VVT機型)和20mm(缸內直噴增壓機型)。活塞環組在低的摩擦功率和機油耗/曲軸箱通風之間獲得了良好的折中，而且所有機型的活塞環組是相同的，每套活塞環組的總切向力共計為40N。

3.汽缸蓋、配氣機構、鏈傳動和汽缸蓋罩

汽缸蓋結構設計的制造工藝性的優化具有重要的意義，其中包括平面的加工、氣門傳動機構零件預裝配的可接近性、所有汽缸蓋螺栓都能順利通過以及均勻的壁厚等。該發動機系列全可變氣門機構(VVT)進氣道噴射自然吸氣和缸內直接噴射增壓(TGDI)兩種技術方案形成了兩種不同的汽缸蓋結構設計(圖5)，但通過這兩種方案的平行設計，在鏈傳動和氣門傳動機構方面實現了很高的零件通用性，當然不包括一些各自的特殊要求(氣門夾角、氣道形狀等)。由于鑄造品質較高，氣道和燃燒室都無須進行機加工。

圖5 全可變氣門機構進氣道噴射自然吸氣(上)和缸內直接噴射增壓(下)機型的汽缸蓋

VVT機型的汽缸蓋采用消失模(Lost-foam)鑄造工藝制造，同時在進氣門座圈上靠燃燒室一側設置了導氣屏，以改善混合汽形成。應用這種鑄造方法就能夠在冷卻水套中添加冷卻水導流筋，以使得燃燒室頂面冷卻均勻，并能夠鑄出分叉的雙聯排氣道。

TGDI機型的汽缸蓋則用AlSi5Cu3Mg鋁合金材料采用雙聯硬模低壓鑄造，并經過一種特殊的熱處理。汽缸蓋的冷卻問題，首先最關鍵的是氣門鼻梁區的冷卻，應設計得即使是在增壓情況下仍能應用鋁合金。作為在燃燒室內產生滾流運動的唯一措施，進氣道進行了針對性的優化。雖然兩種發動機方案的配氣機構不同，但是配氣機構的大部分零件是相同的。為了減輕質量，所有的氣門桿的直徑都是5mm，而缸內直噴增壓機型的排氣門是充鈉中空桿氣門。與裝配式空心凸輪軸和偏心軸一樣，氣門搖臂和中間桿都用鋼板成型，以進一步減輕質量。為了降低摩擦，配氣機構中的所有活動接觸部位都裝有滾針軸承。

自然吸氣VVT機型進氣側采用改進型的全可變氣門機構(ValvetronicⅡ)(圖6)，其配氣相位調節范圍為70°KW(曲軸轉角)，氣門升程則可在0.2～9.0mm范圍內調節，而進排氣側采用了雙凸輪軸相位調節器，其相位可調節60°KW，氣門升程不可調節為9.0mm。進氣門升程與直徑之比為0.32。為了獲得一個緊湊的裝置，全可變氣門機構調節偏心軸的調節電機直接集成在汽缸蓋上。增壓機型采用單個進氣凸輪軸相位調節器。所有機型的Vanos凸輪軸相位調節器和Vanos控制電磁閥都是相同的。

圖6 ValvetronicⅡ全可變氣門機構

鏈傳動機構采用8mm的單滾柱鏈條，為了便于安裝被設計成模塊型式，它包括預裝配的導向軌、曲軸鏈輪、張緊軌和正時鏈條等。為了減少變型，將機油標尺的導向功能集成在鏈條導向軌上。

所有機型的汽缸蓋罩都用塑料PA6(35%玻纖加強)，并集成有機油分離器。同時，在VVT機型上應用了一個帶后置式擴壓器的迷宮式機油分離器和通往進氣系統的壓力調節式曲軸箱通風裝置。而缸內直噴增壓機型則采用一個離心式機油分離器，它同樣能夠精細地分離機油。在部分負荷范圍內曲軸箱通風被引入進氣裝置，而在全負荷時則引至廢氣渦輪增壓器壓氣機前。這兩種輸出方式都配備了壓力調節閥和止回閥。

4.機油泵和機油管路

在這種等級的轎車上首次裝用了體積流量可調式機油泵(圖7)，這對節油具有相當可觀的效果。其調節作用是通過調節外齒輪的嚙合(長度)來實現的。隨著發動機內機油需求量的不斷減少，機油泵的泵油量能夠被減小，這樣降低燃油耗可獲得附加的效果。

圖7 體積流量可調式機油泵(為看清起見泵油齒輪被拉出)

用鋼板沖壓成形的單體油底殼具有優化的結構空間，可容納4.5L機油(0W3)，換油周期設計為400 000km。機油濾清器模塊的殼體為壓鑄鋁，而濾清器蓋用塑料制成。用于增壓機型的機油冷卻器集成在機油濾清器模塊上。

5.發動機外圍設備

(1)進氣系統

分別要將這兩種機型設計成一個非常堅固的動力總成而又無須變型設計就能夠裝到許多汽車平臺上，這是富有挑戰性的，但通過將帶有進氣消聲器的整個進氣模塊布置得緊靠發動機的方法已經實現了這個目標(圖8)。

圖8 兩種機型的進氣側

VVT機型的進氣裝置必須根據碰撞要求設計得非常堅固，但通過對進氣系統許多細部的優化和由四部分組成并帶有諧振箱的結構設計使其獲得了優良的扭矩特性曲線。出于聲學的原因，由三部分組成的進氣消聲器還帶有一個“λ-1/4管”(Lambda-Viertel-Rohr)。

為了使缸內直噴增壓(TGDI)機型獲得最佳的響應特性，其進氣集氣室的容積設計得很小。節氣門裝有兩個非接觸式傳感器，殼體由兩部分組成，而且閥板用塑料制成。所選用的閥板材料(BMC)確保其具有良好的尺寸穩定性，在溫度波動變化時公差非常小。

(2)燃油系統(VVT機型)

電磁噴油器(DK7)用塑料油軌直接壓緊在汽缸蓋上，而汽缸蓋設計必須確保油軌安全不發生故障。燃油系統以無回油方式工作，噴油壓力為0.35MPa。

(3)燃油系統(缸內直噴增壓機型)

鋁制軸向柱塞式高壓燃油泵產生的系統壓力最高可達12MPa。為了兼容使用乙醇燃料，燃油泵輸送燃油的零件均有涂層。集成的油量控制閥由發動機電控單元控制，組合式的壓力和油量調節使得高壓部分無須回油管和燃油冷卻器。7孔噴油器安裝在汽缸蓋的側面，并通過一根不銹鋼油軌供油、固定和壓緊，以確保發動機可靠運轉。

(4)排氣裝置(VVT機型)

扇形管狀不銹鋼排氣歧管的管長和管徑都經精確確定，非常有助于獲得良好的扭矩特性曲線。它們直接與近發動機催化器焊接成一體。

(5)排氣系統(缸內直噴增壓機型)

為了使得增壓機型的加速響應性能與自然吸氣發動機相近，采用了雙渦道增壓器(圖9)。高鎳合金(D5S)鑄鐵排氣歧管內被分隔成兩個流道：第1～4缸和第2～3缸排氣通道被分別合成一個流道，直到增壓器渦輪前不遠處這兩股廢氣流是一直保持分開流動的。為了確保雙渦道范圍內的疲勞強度，增壓器渦輪殼用鑄鋼(A3N)制成。渦輪前的廢氣溫度被限制在950℃，允許的最高渦輪轉速為216 000r/min，110kW機型的增壓壓力為0.18MPa(絕對壓力)，而128kW機型在超增壓運行模式時的增壓壓力被提高到2.0MPa(絕對壓力)。增壓壓力通過真空膜盒操縱的廢氣閥調節，并由一個電磁閥按特性曲線場脈譜圖來控制。

圖9 雙蝸道廢氣渦輪增壓器及其合金鑄鐵排氣歧管

(未完待續)