BMW公司采用創新增壓方案的6缸轎車柴油機

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

產品介紹

BMW公司采用創新增壓方案的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動機組合部件的6缸柴油機基礎上，又開發了1款高端機型。在這款發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，而創新的增壓系統的應用則使這款新型發動機達到了動力性能的巔峰。同時，燃燒過程、噴油技術和廢氣后處理也進行了進一步開發。

柴油機高效動力學低燃油耗共軌噴油系統

1 BMW公司柴油機的頂級動力性

BMW公司高效動力學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。這種機型已經過多次開發[1-2]，2012年開發出的具有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桿(圖1)。

圖1 BMW公司6缸柴油機

3 開發目標

自從2009年以來，6缸機就占據了BMW公司柴油機的頂級位置。BMW公司將6缸機的燃油耗優勢與大排量的8缸機的動態性能和舒適性結合起來。為了確保BMW柴油機將來也能在高端柴油機機型中占據頂級位置，因而為3.0 L柴油機確定了非常高的開發目標，其重點不僅在于提高額定功率，而且特別注重改善其動態性能。圖2詳盡地示出了開發目標，功率從280 kW提高到294 kW，能更好地改善其動態性能；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一的輕型車試驗程序(WLTP)和實際行駛排放(RDE)法規要求的潛力。同時，超強的扭矩性能，可以在BMW新型汽油機-柴油機標準組合部件框架范圍內實現開發目標，并具備V8機型的動態特性。

圖2 新款6缸柴油機的開發目標

4 開發方案

為了實現這種高要求的開發目標，與原機型相比，新機型的設計方案必須具備廣泛的適應性。除此之外，采用發動機標準組合部件來實現諸多技術要素。新的特定設計方案包括：輕型結構基礎發動機足以承受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、最高系統壓力大于2 500 MPa的壓電共軌噴油系統、良好的增壓空氣冷卻和消除空氣管路的節流。同時又繼承了標準組合部件的要素，如：電弧金屬線材噴涂(LDS)氣缸工作表面、可調節式機油泵、冷卻的高低壓廢氣再循環，以及摩擦優化的皮帶傳動。

為了達到高的動態性能，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BMW標準組合部件原理從6缸基本型柴油機派生而來的，其中從標準組合部件中繼承的主要特點是：采用頂面封閉的深裙型結構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爆發壓力相比，新款發動機的爆發壓力高達210 MPa，為了可靠地滿足更高的爆發壓力要求，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)和預鑄機油回油道，即使具有更高的承載能力，但是其質量僅為38.3 kg，比原機型減輕了3.7 kg。

6 氣缸蓋

為了提高結構強度,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，因進氣質量流量較大，進氣門流通橫截面比基本型發動機加大了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種新設計的由4個廢氣渦輪增壓器組成的兩級增壓系統，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，可以借助于數值流動模擬(CFD)優化臨界區域的流動狀況。

排氣歧管的結構設計是1項特別富有挑戰性的工作，必須綜合考慮用于4個廢氣渦輪增壓器的廢氣流動導向，以及最大熱機械負荷所產生的應力場。借助于熱機械疲勞(TMF)失效計算開發出了1種瞬態試驗循環，據此通過將排氣歧管幾何形狀和尺寸優化到最大容許值，進一步降低其局部應力。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。

廢氣調節閥的密封性對發動機動態性能具有非常重要的意義，為此已相應優化了其幾何形狀、尺寸及其材料配對。

另一個挑戰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。為了防止機油從停止運轉的廢氣渦輪增壓器軸承殼體中滲入空氣系統，避免原機型出現的問題，因而采用了端面密封裝置。

9 噴油系統

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

噴油器應用了第三代液壓伺服壓電系統。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、噴油嘴和轉換閥進行了優化，從而將整個運行期間的磨損程度調整到最低，并有效地防止了可能出現的噴油量偏差。

噴油嘴被設計成具有7個圓錐形噴孔的小壓力室噴嘴，其設計目標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化的噴嘴。與原機型噴油系統相比，針閥導向更靠近針閥座面，因而特別是在冷機運行時噴束的對稱性明顯提高。由于針閥開啟和關閉非常迅速，在大噴油量和高噴油壓力情況下噴油嘴的節流也得到了進一步優化。

10 廢氣再循環(EGR)系統

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

圖4 高壓和低壓EGR系統

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動機放熱部件的熱輻射，同時也降低了發動機產生的噪聲。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或總的暖機時間，從而在用戶實際行駛中獲得節油效果。

圖5 貼近發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)催化轉化器和具有涂層的顆粒物捕集器組成的組合單元靠近發動機布置，并添加了1個安裝在汽車地板下的選擇性催化還原(SCR)轉化器，它借助于計量閥通過1個專門開發的混合器注入尿素水溶液，從而達到在SCR催化轉化器中盡可能均勻分布效果，從而與機內措施相結合，在整個運行范圍內達到了極低的廢氣排放水平。

14 功能優化

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

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

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的工作原理和各種運行模式。

圖6 動態運行性能(ND：低壓級，HD：高壓級)

在第一種運行范圍內，空氣側的旁通閥使進氣空氣從低壓級壓氣機旁邊流過，因為在低轉速低負荷范圍內增壓空氣無需進行預壓縮，以防止節流。在剩余的所有其他特性曲線場范圍內，都經過低壓級壓氣機預壓縮進氣。為了降低增壓空氣溫度和減小體積流量，進氣直接經過用法蘭連接在低壓級壓氣機殼體上的中冷器，并根據運行范圍的不同，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，增壓空氣經過緊湊的進氣管道進入發動機燃燒室。

在廢氣側低轉速和低負荷時，為了自發地建立起增壓壓力和動態加速性能，廢氣僅流過1個高壓渦輪，而在廢氣流量較大的情況下，由廢氣調節閥開通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的第二級高壓渦輪。緊接著，廢氣在進入靠近發動機布置的廢氣后處理裝置之前，在低壓級中進一步降壓。為了優化增壓壓力調節，在從3個廢氣渦輪增壓器轉換到4個廢氣渦輪增壓器范圍內，以及在低壓渦輪額定功率范圍內，通過利用廢氣放氣閥進行優化。

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

16 功率和扭矩

該柴油機在轉速4 400 r/min時額定功率達到294 kW，而在轉速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占據了量產柴油機的頂級位置。除了達到動力性能最大值之外，還能在盡可能寬廣的轉速范圍內被利用，因而一方面在發動機轉速1 600～4 100 r/min的范圍內至少具有90%的最大扭矩，另一方面在發動機3 000～5 000 r/min的轉速范圍內至少可發揮出80%的發動機最大功率。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

通過持續不斷的開發，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(轉速2 500 r/min和平均有效壓力1 MPa)平均節油效果約為4%。

18 廢氣排放和聲學性能

增壓機組各個部件的優化，與高壓和低壓EGR組成的組合廢氣再循環系統相結合，明顯降低了原始廢氣排放，除了能滿足當前廢氣排放法規的要求之外，也為滿足未來全球所有的廢氣排放法規要求奠定了基礎。此外，這些優化也對降低臨界低負荷范圍的燃燒噪聲產生有利的效果。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 功能性能優化

19 汽車試驗結果—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域的頂級位置，持續不斷的開發也證實了其高效的動力學策略。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，成功地實現了改善動態性能的目標。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多后就比原車型領先了1個車位的長度，而不到6 s后領先的行駛距離就增大到3個車位的長度。

20 結語

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，新型柴油機眾多創新的技術解決方案都非常具有吸引力。BMW公司的“高效動力學”概念特別強調高功率、大扭矩與低燃油耗及低廢氣排放相結合。

圖10 瞬態加速性能的比較

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

[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)