BMW與PSA聯合開發的四缸汽油發動機技術介紹(四)

◆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。

(接2017年第12期)

六、第2代機型的升級改進

BMW公司和PSA標致雪鐵龍公司合作開發的這種新型4缸汽油機系列從2006年起就搭載于BMW-Mini、標致和雪鐵龍的所有車型上。2010年又對這種汽油機系列進行了升級改進設計，在改善動力性能的同時其燃油耗和排放大幅度降低，達到歐5和美國ULEVⅡ廢氣排放標準要求，令世人所矚目。升級改進版總共有8種發動機變型，其功率跨度從55kW直至147kW，其中5種機型的技術數據如下(表4)。

廢氣渦輪增壓的頂級機型(圖21)是世界上首次在4缸汽油機上應用了TVDI技術。TVDI代表雙渦道廢氣渦輪增壓器與全可變氣門機構和缸內直接噴射相組合。與第一代機型相比，它在TGDI機型基礎上，通過添加全氣門機構實現TVDI燃燒過程能再次顯著降低燃油耗，在歐盟試驗循環中的節油率可達到9%。因具備全可變氣門機構的自然吸氣汽油機已為低燃油耗提供了卓越的原始基礎，因此在這種汽油機上僅僅是繼續降低所有部件上的摩擦功率，并通過諸如按特性曲線場調節的機油泵和優化機械接合式冷卻水泵的接合/脫開策略等技術特點來進一步降低燃油耗。

圖21 搭載于MiniCooperS級轎車的升級級板1.6L-TVDI增壓直噴式汽油機

在第1代TGDI機型基礎上，第2代TVDI機型進行了如下的升級改進。

1.汽缸體曲軸箱和曲柄連桿機構

主軸承框架底座取消了至今在增壓發動機上一直應用的粉末冶金主軸承蓋鑲套。主軸瓦通過應用“微溝槽”技術降低了摩擦。為了實現TVDI，活塞的金相組織和涂層都針對降低摩擦和噪聲進行了優化。第一道環槽進行陽極化硬化處理。為了降低增壓機型的熱負荷，活塞采用噴射機油冷卻。

2.汽缸蓋

由于要將渦輪增壓頂級機型改成TVDI燃燒過程，因此有必要增加一種汽缸蓋變形。將TGDI的汽缸蓋作為新的TVDI汽缸蓋的設計基礎，并補充裝備全可變氣門機構的可能性。由于受到汽缸蓋上極限組裝條件的限制，決定采用第3代可變氣門定時(VVT3)調節裝置，因此不再需要VVT偏心軸位置傳感器。

根據迄今為止直接噴射機型的經驗，已開發了一個新的曲軸箱通風裝置。最精細的機油分離效果得到了明顯的改善，并且曲軸箱漏氣直接通過進氣道上的出氣口進入汽缸，而在全負荷時曲軸箱漏氣則引導到廢氣渦輪增壓器渦輪前，因此與TVDI燃燒過程一起共同防止了在進氣門上形成積炭。

3.機油泵

由于采用了按特性曲線場調節的機油泵，省掉了不必要的泵油能量，因此比傳統的機油泵節省傳動功率，在歐盟試驗循環中TVDI機型的燃油耗可降低2.5%，其中1.5%的節油效果是直接由機油壓力降低所獲得的，而另外的1%的節油效果是因關閉冷卻活塞的機油噴嘴而得到的。

4.冷卻水泵

在第1代機型上，冷卻水泵接合/脫開機構和運行策略僅在自然吸氣發動機的ECE(歐洲經濟委員會)機型上應用，從而能在歐盟(EU)試驗循環中節油0.9%(圖22)。

表4 第2代升級改進版機型的技術數據

圖22 冷卻水泵接合和脫開的策略

在第2代機型進行升級改進設計時，這種冷卻水泵接合/脫開機構和運行策略(圖6)已運用到整個發動機系列中，而且冷卻水泵要延緩好幾個循環工況后才接合，從而使得在歐盟(EU)試驗循環中的節油效果進一步提高了約0.3%。這種按運行工況來調節所必需的冷卻液數量是眾多節油措施之一，但在執行美國排放法規(FTP75)的國家中，因出于車載診斷的原因，則采用不變的冷卻水泵傳動方式。

5.輔助設備

真空泵用法蘭安裝在排氣凸輪軸后端，它產生的真空用于制動真空助力器，而在廢氣渦輪增壓發動機上還要產生用于控制廢氣放氣閥所必需的真空度。這種真空泵的工作容積已比第一代機型減小了大約35%，這樣就減少了真空泵消耗的傳動功率，因而進一步降低了燃油消耗。空調壓縮機和各種不同的發電機變型都安裝在鑄造的托架上。

6.TVDI發動機功能

第2代TVDI機型由于添加了全可變氣門機構和降低摩擦的措施，其燃油耗能再次比老機型有顯著地降低。在歐盟試驗循環中的節油效果可達到9%。缸內直接噴射機型可應用所有品質的燃料和機油運行，而無須指定使用無硫燃料。

缸內直接噴射式汽油機應用了雙渦道渦輪增壓器，此時在排氣歧管和渦輪增壓器中，通過相應的通道設計，每兩個汽缸一個通道是彼此相互分開的。在降低燃油消耗的同時，增壓器渦輪能獲得附加的推力，因此就能較早地加速。這種效果可明顯地被覺察出來，因為在1 600r/min時就能達到最大的充氣效率，同時幾乎完全避免了通常在渦輪增壓發動機上經常受到指責的渦輪穴蝕現象，并且扭矩的提升就像機械式增壓器發動機那樣快。

廢氣最高溫度由發動機電控單元進行監測，并將其限制在950℃。為了防止在發動機停機后機油和水冷式渦輪增壓器因過熱而損壞，在發動機停機后一個電動輔助水泵會自動啟動，這樣就能將多余的熱能帶走，并防止機油管路中結焦。

全可變氣門機構按無節流負荷調節原理進行工作，并通過進氣門升程和開啟時刻的無級調節來調節發動機功率。這種近似無損失的負荷調節是依靠BMW公司的“Valvetronic”全可變氣門機構來實現的，它可將配氣相位調節與進氣門座圈上的導氣屏相結合，在缸內形成良好的充量運動(圖23、24、25)，使得發動機能夠在低燃油耗下獲得頂級的加速響應特性。

圖23 進氣門座圈上的導氣屏和配氣相位調整

圖24 渦流產生的充量運動

圖25 滾流產生的充量運動

在部分負荷時，發動機以較高的缸內廢氣份額運行，因此在進氣門升程較小的情況下需要采用排氣門晚關和進氣門早關的極端配氣相位。部分負荷時的負荷調節是采用進氣門升程和開啟相位(FES=進氣門早關)的無級調節來實現的。

在全負荷時，發動機負荷則是通過增壓壓力來調節的。在這兩種負荷調節方法之間的過渡區間的轉換是瞬間悄無聲息實現的。這種汽油機雖然仍配備了一個節氣門，但是它僅僅承擔備用和診斷功能，在發動機正常運轉時它總是開大而使得進氣管中的壓力為50mbar(1bar=105Pa)，以便用來進行燃油箱通風。

增壓機型的壓縮比為10.5，這對增壓發動機來講是較高的，因此這種機型還采用了分缸爆震調整來控制燃燒過程，并在必要時修正點火角和增壓壓力。

7.效率

第2代135kW機型的燃油耗與第1代機型的燃油耗值相比又有了大幅度的降低(圖26)。由于采用了TVDI燃燒過程和降低摩擦功率措施，燃油耗降低9%是有可能的。其歐盟(EU)試驗循環(KV01)的燃油耗為5.8L/100km，這相當于CO2排放量為136g/km，因而TVDI機型在轉速2 000r/min和平均有效壓力2.0bar運轉工況點的燃油經濟性已達到了分層燃燒自然吸氣汽油機的水平。

8.動力性能

增壓直接噴射式機型綜合了柴油機的扭矩特性和先進汽油機的優點，當轉速1 600r/min時就已達到了最大扭矩，并一直保持到5 000r/min轉速，同時在以超增壓功能加速時扭矩在短時間內被額外提升。該發動機在5 500r/min時達到135kW額定功率，并從1 600r/min轉速起達到最大扭矩240Nm(圖27)，而超增壓功能可將扭矩短時間內提升到260Nm。

圖26 第2代TVDI與第1代TGDI機型燃油耗的比較

圖27 第2代TVDI與第1代TGDI機型扭矩和車速提升的對比(變速器第6擋位)

9.排 放

搭載于MiniCooperS轎車的135kW機型能滿足苛刻的歐V和ULEVⅡ(超低排放汽車)廢氣排放標準，因此能在世界各國使用。

為了使得催化轉化器迅速地加熱達到其工作溫度，選擇了專門為這種運行方式優化的標定，只要借助于TVDI燃燒過程的靈活性就能實現這種最佳的標定。為了滿足當今的廢氣排放法規要求，必須盡可能快地使催化轉化器達到最低的起作用溫度，為此在發動機啟動后運用對此具有最佳效果的運行策略，例如極端的凸輪軸相位調整(晚的排氣門和進氣門開啟時刻)、時間上錯開的兩次噴射、較晚的點火定時角和提高怠速轉速等。通過應用新開發的快速啟動λ傳感器，使得能夠在啟動后6s混合汽就能達到λ=1.05，致使原始排放進一步降低。即使采用了所有這些措施，但由于應用了TVDI燃燒過程，所以發動機仍具有高的運轉穩定性。

此外，對于其所有的增壓機型，全球可統一應用一種催化轉化器系統，而無須采用二次空氣系統。而對于ULEVⅡ機型(美國)，則需要在汽車地板下附加一個催化轉化器，這主要用于滿足美國較高的車載診斷要求(OBDⅡ)。