寶馬采用全可變氣門機構(gòu)的V8雙渦輪增壓器直噴式汽油機介紹(上)

◆文/江蘇 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(chǎn)品開發(fā)；1984年調(diào)往機械工業(yè)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(shù)顧問、湖南奔騰動力科技有限公司總工程師。

寶馬公司新款V8增壓直噴式汽油機采用了汽油缸內(nèi)直接噴射、Valvetronic全可變氣門機構(gòu)和雙渦輪增壓器等先進技術(shù)，其開發(fā)的主要目標(biāo)是明顯降低油耗、適度提高功率和推出4.0L排量的變型機，它首次同時搭載于寶馬公司的新型6系列Gran Coupé轎車和5系列Gran Turismo轎車以及6系列和改進版7系列轎車。

一、主要特點

直至2008年，寶馬公司的V8直噴式汽油機都被設(shè)計成傳統(tǒng)的自然吸氣機型，并已充分挖掘了其排量的功率潛力。從2008年起，這種等級所有改進的后續(xù)機型都采用了雙渦輪增壓器技術(shù)，以使用戶在低轉(zhuǎn)速時就能使用到高的發(fā)動機功率和扭矩。

圖1所示為寶馬公司這種新款V8直噴式汽油機。它通過將發(fā)動機進排氣側(cè)互換位置，已將廢氣渦輪增壓器和近發(fā)動機催化轉(zhuǎn)化器都布置在發(fā)動機V形夾角空間內(nèi)，采取了獨特的絕熱設(shè)計和中間冷卻的增壓空氣，這種結(jié)構(gòu)布置型式具有決定性意義的總體外形尺寸方面的優(yōu)勢，以至于這種機型能夠無需特別的適應(yīng)性匹配就能搭載于所有的車型系列，而且這種結(jié)構(gòu)布置型式還提供了特別短而緊湊的空氣供應(yīng)管路，使得壓力損失較小，再與最佳的廢氣渦輪增壓器設(shè)計和直接噴射相結(jié)合，發(fā)動機能夠獲得幾乎無滯后的加速響應(yīng)性能。

圖1 寶馬公司新款V8雙渦輪增壓器直噴式汽油機

二、設(shè)計方案

這種機型將高溫部件布置在V形夾角空間內(nèi)，同時仍保證了與老機型盡可能高的零部件通用化率的優(yōu)點，并通過匹配新一代Valvetronic全可變氣門機構(gòu)、應(yīng)用可調(diào)式機械冷卻水泵、采取各種不同的降低摩擦措施和改進噴油系統(tǒng)實現(xiàn)了動力性能的優(yōu)化。該機型搭載于改進版BMW 750i轎車上，除了在發(fā)動機方面采取的措施之外，還引入了發(fā)動機啟動-停機功能和改進型8擋自動變速器，從而使新歐洲行駛循環(huán)(NEFZ)的油耗降低了25%。

三、基礎(chǔ)發(fā)動機

汽缸體曲軸箱和曲柄連桿機構(gòu)在很大程度上繼承了老機型的結(jié)構(gòu)，其中全鋁(鋁硅合金)汽缸體曲軸箱采用了頂面封閉式結(jié)構(gòu)型式，汽缸工作表面采用時效珩磨工藝，并具有主軸承蓋框架底座。鋼曲軸采用模鍛扭轉(zhuǎn)成形工藝制成，其軸頸表面經(jīng)感應(yīng)淬火硬化。模鍛鋼連桿大頭采用漲裂工藝分離。鋁活塞采用噴涂鐵涂層，第1道活塞環(huán)槽經(jīng)陽極化硬化處理。隨著氣門機構(gòu)的改進，在保持位于燃燒室頂面中央的噴油器和火花塞安裝孔不變的情況下，重新調(diào)整氣門夾角。汽缸蓋冷卻水套中冷卻水的橫向流動也重新進行了優(yōu)化。在保持汽缸直徑不變的情況下，用于中國市場的4.0L變型機僅通過采用合適的曲柄連桿機構(gòu)就能實現(xiàn)。

四、機內(nèi)冷卻調(diào)節(jié)

為了避免熱損失，基礎(chǔ)發(fā)動機中的冷卻液通道全部集成在汽缸蓋和汽缸體中，它們都被調(diào)整到使曲柄連桿機構(gòu)和汽缸蓋上配氣機構(gòu)零件均處于最佳的溫度狀態(tài)。在V形夾角機油最初通道(圖2左圖中黃色箭頭)兩側(cè)反向流動的冷卻液初始段(圖2中紅色箭頭)流程中，通過冷卻液加熱機油，將熱量傳導(dǎo)到曲軸軸承結(jié)構(gòu)和兩排汽缸列的配氣機構(gòu)中(圖2右圖)。

按照以節(jié)油為目標(biāo)的熱管理的需要，應(yīng)用了新開發(fā)的按溫度機械調(diào)節(jié)的冷卻液泵，其功能是在發(fā)動機暖機運行階段減少90%的冷卻液流量，以達(dá)到汽缸體冷卻水套中最佳的保溫效果。這種調(diào)節(jié)裝置由一個常規(guī)的冷卻液泵葉輪以及位于其圓周外圍的自行反作用式調(diào)節(jié)單元(圖3中用橙色表示)組成，其中一個始終有冷卻液環(huán)流過的傳統(tǒng)蠟式感溫元件被作為溫控執(zhí)行器(80℃開啟)，它借助于其線性活塞行程使葉輪圓周外圍的轉(zhuǎn)動滑移節(jié)流環(huán)產(chǎn)生轉(zhuǎn)動和軸向位移調(diào)節(jié)(圖3中箭頭所示)。為了實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)和進行溫度監(jiān)測，節(jié)流環(huán)打開10%的泵水能力已顧及到可靠的發(fā)動機出水溫度，并由位置靠近出水口的冷卻液溫度傳感器進行監(jiān)測。為了在冷卻液溫度低于80℃情況下，確保在動態(tài)功率發(fā)揮時能克服調(diào)節(jié)慣性，從3 500r/min轉(zhuǎn)速起這種調(diào)節(jié)裝置依靠泵水壓力就能使系統(tǒng)無滯后地轉(zhuǎn)換到全泵水量。

圖2 在暖機階段機油循環(huán)回路被加速加熱

圖3 根據(jù)溫度調(diào)節(jié)的冷卻液泵及其溫控執(zhí)行器和節(jié)流環(huán)

五、氣門機構(gòu)和鏈傳動機構(gòu)

借助于第3代Valvetronic全可變氣門機構(gòu)進行進氣門升程調(diào)節(jié)來降低換氣損失，明顯降低了油耗。帶有驅(qū)動裝置和中間杠桿的偏心軸可以集成在現(xiàn)有可利用的結(jié)構(gòu)空間內(nèi)(圖4)。為了精確地控制發(fā)動機負(fù)荷，精確的氣門升程調(diào)節(jié)是必需的，為此要求組裝配氣機構(gòu)的零件彼此相對僅百分之幾毫米的尺寸偏差，這是通過將零件分成兩個尺寸等級，并在裝配過程中對汽缸蓋氣門升程進行專門的測量來達(dá)到的。在鏈傳動機構(gòu)中應(yīng)用了全塑料張緊導(dǎo)軌和聲學(xué)性能在老機型上已經(jīng)考驗的套筒齒形鏈。為了減輕重量，進排氣雙凸輪軸相位調(diào)節(jié)器的外殼材料由鋼改為鋁。

圖4 發(fā)動機上的Valvetronic氣門機構(gòu)和發(fā)動機艙內(nèi)的布置狀況

六、機油循環(huán)回路

為了在全輪驅(qū)動車型上避開前橋差速器，發(fā)動機應(yīng)留有必需的結(jié)構(gòu)空間，為此將容積調(diào)節(jié)的6腔非對稱擺動滑閥式機油泵被布置在發(fā)動機后端，并通過套筒鏈由曲軸傳動，與老機型相比鏈條被明顯縮短了，有利于減輕重量和減小摩擦功率損失。機油濾清器和溫度調(diào)節(jié)器被集成在油底殼上，并由一個新型機油液面?zhèn)鞲衅?PULS，封裝式超聲波液面?zhèn)鞲衅?測量機油狀態(tài)，這種液面?zhèn)鞲衅骰诔暡ㄔ?，并能將液面在汽車組合儀表上顯示出來。鋁油底殼中的機油集濾器用薄鋼板制成，被分成兩節(jié)式，機油很少起泡乳化。

七、曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)

由于采用了強制式曲軸箱通風(fēng)，減少了發(fā)動機機油中的冷凝物以及燃油和燃燒殘留物。機油分離器的結(jié)構(gòu)布置與較大的通風(fēng)體積流量相結(jié)合明顯提高了部分負(fù)荷時的機油分離效率。被凈化的曲軸箱通風(fēng)氣體的反饋無需外部管道，在部分負(fù)荷時在汽缸蓋罩內(nèi)被直接引入進氣道的，而在增壓運行情況下，與老機型一樣它們被引入到節(jié)氣門前。

八、燃油系統(tǒng)

高精度噴射是一種采用布置在燃燒室中央的電磁閥式噴油器的第2代汽油缸內(nèi)直接噴射系統(tǒng)，其最高系統(tǒng)壓力為20MPa，高壓燃油泵由每列汽缸排氣凸輪軸上一個具有3個凸起的凸輪片驅(qū)動。其連接管道被焊接在共軌上，所有的焊接部位都緊挨著螺釘擰緊部位，確保其不會因振動而裂開。這種噴油系統(tǒng)與中央布置的火花塞相結(jié)合是達(dá)到性能目標(biāo)的重要基礎(chǔ)。

九、皮帶傳動機構(gòu)

采用帶有張緊輪張緊的7筋主皮帶機構(gòu)傳動V形夾角空間中的發(fā)電機、冷卻液泵和主動車輪穩(wěn)定性系統(tǒng)(ARS)用泵。在傳動各種不同空調(diào)壓縮機變型的4筋輔助皮帶傳動中，因采用了彈性皮帶和BMW回轉(zhuǎn)式張緊裝置而可取消張緊輪或其它的安裝輔助工具。

十、啟動機

在這種新款V8增壓直噴式汽油機引入發(fā)動機-啟動-停機功能的同時，也采用了一種帶有增強型軸承的啟動機，此外還重新匹配了整流裝置和嚙合機構(gòu)，因此特別是在回復(fù)啟動時在70r/min時就已能嚙合了，因而明顯縮短了起步時間。這種設(shè)計可使啟動過程次數(shù)增加10倍。

十一、排氣側(cè)布置

圖5 盡可能消除節(jié)流的緊湊的進排氣管路布置

兩個專門為這種機型開發(fā)的廢氣渦輪增壓器由真空膜盒操縱的廢氣放氣閥控制調(diào)節(jié)，并可取消倒拖循環(huán)空氣閥。這種廢氣渦輪增壓器的特點是具有非常緊湊的結(jié)構(gòu)型式以及高的壓氣機和渦輪效率。流動優(yōu)化的排氣歧管按點火次序優(yōu)化原則將4個汽缸排氣合并成2個排氣歧管?？拷鼫u輪布置在V形夾角中的催化轉(zhuǎn)化器能確保其快速達(dá)到起燃溫度發(fā)揮凈化作用，并滿足歐5和ULEV-Ⅱ廢氣排放法規(guī)要求，而無需二次空氣系統(tǒng)。排氣歧管、廢氣渦輪增壓器、催化轉(zhuǎn)化器和大大消除節(jié)流的后廢氣管路是一個高效的系統(tǒng)，其中部分包裹著三層絕熱材料，它們一方面避免了在發(fā)動機艙的內(nèi)過于強烈的熱輻射，另一方面確?？諝庥嗅槍π缘亓鬟^發(fā)動機艙，從而確保了熱量從V形夾角空間散發(fā)到汽車地板下面去。

十二、進氣管路和進氣裝置

帶有進氣消聲器和增壓空氣冷卻器的雙進氣空氣管路(圖5)仍固定在發(fā)動機上，再加上廢氣渦輪增壓器集成在V形夾角空間內(nèi)，進氣路徑很短，使得進氣和增壓空氣管路中的壓力損失最小。水冷式增壓空氣冷卻器同樣用螺釘固定在發(fā)動機汽缸蓋前端，并通過節(jié)流閥體接管與V形夾角外側(cè)的進氣總管相連。

十三、冷卻系統(tǒng)

平衡水箱被安裝在左面的車身側(cè)壁上。在熱帶地區(qū)使用的車型上，帶有850W電動風(fēng)扇的冷卻液散熱器通過一個輔助熱交換器被支撐在左車輪罩上，而發(fā)動機機油冷卻器則被安裝在右車輪罩前面。一個20W功率的電動水泵在發(fā)動機停機后仍供應(yīng)冷卻液冷卻廢氣渦輪增壓器中間軸承座。低溫循環(huán)回路中的冷卻模塊位于自動空調(diào)裝置冷凝器前面，而低溫循環(huán)回路則通過一個50W的水泵為發(fā)動機電控單元冷卻和間接增壓空氣冷卻器供應(yīng)冷卻液。

十四、廢氣裝置

用于BMW 7系列轎車的廢氣裝置被分成兩支管路，其較大的橫截面確保排氣背壓較低。消聲器的設(shè)計適應(yīng)于對轎車提出的高的聲學(xué)舒適性要求。在后消聲器范圍內(nèi)有兩個真空操縱的廢氣閥，它們由數(shù)字發(fā)動機電控單元(DME)按特性曲線場控制，并能獲得一種帶有高的負(fù)荷反響的聲學(xué)性能，勝任對車輛的綜合要求：一方面在加速時能發(fā)出V8發(fā)動機強有力的響聲，另一方面又具有出色的恒速行駛和怠速運轉(zhuǎn)的舒適性。這些措施滿足了對獲得一種既節(jié)油同時又具備運動型性能的渦輪增壓發(fā)動機的期望。四根尾管被套入集成在后擋泥板上的兩塊有棱角的鍍鉻護板中。

十五、發(fā)動機控制

為了對發(fā)動機進行電子控制，每列汽缸排都應(yīng)用了一個經(jīng)修改的四缸電控單元(DME)，其插座結(jié)構(gòu)和水冷卻允許安裝在發(fā)動機艙中消聲器罩前面，并取消了一個單獨的電控單元盒。此外，這兩個電控單元通過柔性光纜與整車通訊聯(lián)系。