寶馬公司3L雙渦輪增壓均質燃燒直噴式汽油機介紹(二)

◆文/江蘇 范明強

(接上期)

3.電子控制系統的改進

該機型的電子控制系統因添加了控制增壓系統和汽油缸內直接噴射的功能，需要附加相關的軟件功能而要求增加電控單元中存儲器的容量，并必須具有更高的計算能力，此外傳感器和執行器的擴展使得必須修改運行系統。根據這些要求對電子控制系統進行了改進開發，其中的主要區別在于程序存儲器擴大了足有30%，而微處理器的循環頻率加快了一倍多。

五、增壓系統

廢氣渦輪增壓器-排氣歧管-近發動機催化器組合模塊與進氣空氣和增壓空氣管路一樣對發動機性能具有很大的影響。在設計增壓系統時，寶馬公司在確保渦輪增壓器獲得出眾的效率的同時，特別重視其快速的加速響應性，此外進氣和排氣側的壓力損失要小，而且發動機艙和空氣管路要承受較小的熱負荷，還應該有針對性地抑制渦輪增壓器特有的噪聲。在結構上要求具有緊湊的結構型式、增壓器(包括排氣歧管在內)對所有機型的通用性以及安裝可靠性，并從一開始就力爭實現增壓器無支架而自行承重的結構型式。同時，還必須實現增壓空氣的有效冷卻。

該機所選用的雙渦輪增壓器方案是每3缸排出的廢氣驅動一臺渦輪增壓器(圖10)。在這種情況下，增壓器轉子具有小的轉動慣性矩以及結構緊湊、流動阻力小和重量優化的排氣管是十分重要的。此外，高達1 050℃的廢氣溫度導致了高的交變熱負荷，因而渦輪上的應力極高，為了確保零件強度，該機所采用的廢氣渦輪增壓器(圖11)的排氣管和渦輪都采用了特殊的耐高溫材料，排氣歧管的外層采用1.4541材料，內層采用2.4851材料，渦輪殼采用A5N耐高溫材料，而渦輪轉子則選用Marm 247材料，并且借助于計算機輔助工程(CAE)對殼體進行了流動和強度優化，因此具有出眾的工作能力，能夠在溫度高達1 050℃和轉速高達200 000r/min的工況下工作，即使在特別高的負荷范圍內經過最嚴酷的耐久運轉后渦輪殼也決不會出現裂紋。經試驗已查明，在1 050℃情況下渦輪葉片發生斷裂的極限轉速為285 000r/min，而在試驗中渦輪葉輪在300 000r/min時才發生斷裂。

圖10 增壓系統的布置

圖11 廢氣渦輪增壓器剖視圖

兩臺渦輪增壓器的結構相同，并且反向布置(圖12)，因而能夠應用相同的排氣歧管，此外管路的走向能夠使兩臺增壓器之間的熱廢氣管與進氣空氣管和增壓空氣管相隔盡可能大的距離。結構緊湊而輕型的排氣歧管象前置催化轉化器管道一樣做成雙層中空隔熱的結構型式，其小的熱容量和良好的隔熱效果可使催化轉化器迅速地熱起來，并能夠大大地降低發動機艙內的溫度。為了補償熱膨脹，雙層排氣歧管象的內層做成滑動配合的結構型式。排氣歧管直接與渦輪殼焊接在一起，因而省去了大而重的連接法蘭。由于這種結構緊湊而又簡單，同時具有非常好的剛度，因而渦輪增壓器就無須再用支架了。兩臺渦輪增壓器分別經過兩根管子供應機油和冷卻液。由于渦輪增壓器的位置高于發動機機油液面，因而機油從增壓器回流無須采取專門的措施。

增壓壓力分別由一個廢氣放氣閥來調節，每個放氣閥各通過一根連接桿與一個真空膜盒相連，發動機電控單元分別通過一個電-氣壓力轉換閥來控制各自的真空膜盒，并按發動機運行脈譜圖來調節增壓壓力，最高可達0.16 MPa。

兩個前置催化轉化器分別由一個600目(孔/平方英寸)的單級陶瓷載體組成，并分別用一個V形帶箍與渦輪增壓器相接。為了防止渦輪增壓器的高頻振動傳入后面的廢氣后處理裝置中去，每套排氣系中都應用了一段波紋管(圖12)。

圖12 排氣歧管-廢氣渦輪增壓器-近發動機催化轉化器的布置

由于渦輪增壓發動機無須采用可變進氣管長度，進氣空氣管由塑料制成，而高溫零件范圍內的增壓空氣管則采用鋁管，其余的增壓空氣管也采用塑料管。進氣消音器與空氣濾清器制成一體，位于進氣管的上方固定在發動機上。從兩個壓氣機出來的增壓空氣流入一個外形尺寸較大的橫置在發動機散熱器下方的空氣冷卻器(圖13)，該中冷器由汽車行駛產生的迎面風或吸風式E型風扇持續不斷地冷卻。即使在增壓運行的情況下集氣室的空氣溫度通常低于50℃，因而降低了爆震傾向，獲得了十分有利的燃油耗。

圖13 增壓系統及其增壓空氣冷卻器的布置

如圖14所示，在發動機低負荷時廢氣放氣閥關閉，以便使廢氣渦輪增壓器的轉速盡可能高，從而獲得良好的加速響應特性；在發動機中等負荷時廢氣放氣閥部分開啟，以便降低排氣背壓有利于改善燃油耗，而在圖中紅線上方的負荷范圍內，廢氣放氣閥則按照當時所必需的增壓壓力來進行相應的調節。

圖14 特性曲線場中廢氣放氣閥的控制

該系統還具備失效保護功能，當電子或氣動控制發生故障失效時，廢氣放氣閥將由執行器中的彈簧強制打開，但若要通過這種方法和其他電子監測功能來檢測因增壓器超轉速而發生的故障和損壞是幾乎不可能的。這種外形尺寸較大的真空膜盒執行器的另一個優點是具有較大的關閉力，即使在0.5 MPa排氣壓力波動幅度的情況下廢氣放氣閥板仍能夠可靠地保持關閉狀態，使加速響應性和低速扭矩得到顯著的改善。

六、性能試驗結果

圖15所示為全負荷特性曲線展現出了這種新型雙渦輪增壓直噴式汽油機優異的動力性能。在1 300r/min時就已經達到了最大扭矩400N.m，而且一直保持到5 000r/min。

除了具有寬廣的最大扭矩平臺之外，寬廣的可利用轉速范圍也對汽車的行駛性能產生重要的影響。雖然與自然吸氣發動機相比渦輪增壓發動機的活塞行程略有增加，但是其最高轉速仍保持高達7 000r/min。

BMW350i Coupe轎車裝用這種雙渦輪增壓直噴式汽油機后，從0加速到100km/h的時間縮短到5.5s，而用6擋變速器的第5擋行駛時從80加速到100km/h的時間也只有6.2s。

圖15 全負荷功率和扭矩特性曲線

圖16 單/雙渦輪增壓器加速響應特性的比較

因為這種6缸雙渦輪增壓直噴式汽油機對踩節氣門踏板的反應極為敏感，因此可以用從怠速突變加速到全負荷時扭矩提升的斜率來確定其加速響應特性的優劣。圖16對單/雙渦輪增壓器方案的加速響應特性進行了比較，從相當于自然吸氣發動機的全負荷出發突變加速時，扭矩的提升后者要快大約60%，這對這種成本較高但卻具有十分優異的行駛動力性能的機型起到了重要的作用。

圖17示出了這種新型6缸雙渦輪增壓增壓直噴式汽油機與高精度噴射及其未來自然吸氣發動機方案和當前公司內外同類競爭車型的比較。顯然，新機型在技術上達到了一次飛躍，其“百公里燃油耗-加速性”特性曲線移向更高的效益比。即使新型雙渦輪增壓汽油機的動態性能有了非常明顯的提高，但是BMW 350i Coupe轎車裝用后，其在KV01標準行駛循環中的平均百公里燃油耗只有9.5L/100km(高辛烷值汽油)。

圖17 寶馬 350i Coupe轎車燃油耗和加速性能與競爭機型的比較

這種新型發動機除了滿足歐5排放法規之外，還能達到美國實施的超低排放汽車2(ULEV2)排放限值的要求。其重量大約位于6缸和8缸自然吸氣汽油機中間，因此其單位功率的比重量處于自然吸氣汽油機的最佳水平。

七、動態性能的優化

1.從部分負荷工況負荷突變時扭矩的提升

開發這種新型雙渦輪增壓汽油機的主要要求，除了要具備上述所介紹的良好的穩態性能之外，很重要的是要具有非常突出的加速響應性能，在負荷突變后表現出與自然吸氣發動機幾乎一樣良好的動態響應特性，并加快緊接著的增壓壓力的提升。為此所必須采取的措施在下文中將與手動和自動變速器轎車的差異一并予以解釋。

為了達到這樣的要求，采用了兩個轉子轉動慣量非常小的小型渦輪增壓器，為快速提升增壓器轉速也即提升扭矩奠定了基礎，特別是在從低速低負荷加速時更為重要。除此之外，在還充分利用了進排氣雙凸輪軸相位調節器、高精度噴射和上述介紹的自由控制廢氣放氣閥調節增壓壓力以及有針對性的混合汽形成和點火的精確控制等方面的可能性。

圖18所示為從倒拖工況突變到1 500r/min全負荷時增壓壓力和扭矩的提升曲線。在最初的0.5s期間(階段1)，通過凸輪軸相位非穩態調節優化汽缸充氣，同時使廢氣放氣閥處于關閉狀態來實現如自然吸氣發動機方式運轉那樣的扭矩提升。在要求全負荷運轉時，只要提高廢氣放氣閥板的壓緊力，以便廢氣渦輪以盡可能高的驅動功率從部分負荷時的低增壓狀態馬上提升到全負荷增壓壓力(階段2)。該階段扭矩提升的斜率主要取決于廢氣渦輪和壓氣機的效率以及高的廢氣放氣閥板壓緊力。若要達到增壓壓力的標定值(階段3)，混合汽形成、點火時刻、噴油定時和凸輪軸相位調節要不斷地隨著當時的汽缸充氣狀況、增壓壓力和排氣背壓等調整到最佳值，而寶馬公司為汽缸充氣、廢氣含量和排氣背壓開發的內容廣泛的軟件模型對汽缸充量有效地轉換成扭矩具有十分重要的意義。

圖18 加快扭矩提升的功能措施

2.手動變速器轎車加速性的優化

(1)獨特的渦輪負荷沖擊阻尼

廢氣渦輪專門為改善加速性和換擋過程的優化工作是針對手動變速器轎車來進行的。

從帶有電控可變氣門機構的發動機來看，在加速時由于燃氣脈沖的沖擊，除了加速度的提升具有較大的斜率之外，加速度曲線還有一個輕微的短暫的沖高(圖19)。汽車試驗表明，渦輪增壓發動機的這種加速度的短暫沖高會對加速時的主觀感覺產生不良的影響，因為這樣一來在增壓壓力提升使加速度開始提高之前首先會感覺到一個沖動。為了抑制出現加速度峰值，需增強對負荷沖擊的阻尼作用。在該機型上,由扭矩控制功能(指基于扭矩控制的電控系統)預先規定的扭矩額定值是這樣來實現的：即通過短暫的停止點火干預來抑制不希望出現的牽引力峰值，但并不干擾汽缸的充氣過程，而是通過暫停點火短時間提高排氣的熱焓來輔助增壓壓力的提升(圖19)。

圖19 手動變速器轎車加速過程示意圖

(2)換擋增壓功能

與廢氣渦輪增壓柴油機相比，汽油機在換擋過程中增壓壓力的快速下降會產生非常不利的影響，因而引起了人們的關注。發生這種情況與換擋過程期間節氣門關閉有很大關系：由于節氣門關閉，使得空氣和廢氣質量流中斷，明顯抑制了廢氣渦輪的高速轉動。為此，專門為BMW 335i轎車雙廢氣渦輪增壓汽油機的電控系統開發了一種獨特的功能，即在全負荷換擋時象柴油機那樣節氣門仍保持開啟狀態，并且通過適當的直接噴射和點火時刻控制實現必要的扭矩中斷,因此在全負荷加速期間，在變速器擋位快速切換時仍感覺不到存在增壓壓力的中斷(圖20)。

圖20 采用增壓換擋功能減小換擋過程增壓壓力的降低

3.自動變速器轎車加速性的優化

對自動變速器轎車而言，換擋點的選擇、變扭器的設計及其耦合調節的靈活性能夠為渦輪增壓汽油機動態特性的優化設計附加更多的自由度。其目標是：

①加速時由渦輪增壓來提升牽引力沒有明顯的缺點；

②通過選擇適當的擋位充分利用高的低速穩態扭矩；

③由于變扭器大多數處于完全耦合狀態且發動機轉速較低，但不會因此而損害動態性能，這樣的運轉工況有利于降低燃油耗。

(1)加速過程

為了優化銘牌標稱的加速性能，變扭器的耦合剛度是這樣來選擇的，即在負荷提高時即使沒有增壓壓力，發動機的轉速也能很快超過1 500r/min,此時渦輪增壓器轉速的提升要比低于1 500r/min時快得多，再加上總的傳動路線相對較短，銘牌標稱加速性能(0～100 km/h的加速時間和4s所行駛的里程)將達到非常好的指標。

(2)從穩定行駛狀態加速

渦輪增壓發動機的扭矩要比自然吸氣發動機大得多，因而牽引力的儲備量也大大增加，允許設計成在明顯高得多的負荷下才換低擋的換擋規范，這樣給人以非常自信的駕駛印象，因此在“D”擋(指自動變速器的驅動擋)時以適當的速率踩下加速踏板的情況下，到90%最大扭矩時才換低擋，而在節氣門運動較快或突然關小的情況下，則變速器控制的行駛動態功能自動提前進行一次或多次換低擋。但是，若用有利于燃油耗的整體式變扭器分接離合器將變速器長時間保持在盡可能最高的擋位上，原則上有這樣的問題：渦輪增壓發動機從低轉速加速時為了提高牽引力所需的時間要比從較高轉速加速時來得長。解決的方法是采用一種專門適應于這種暫時狀態的液力偶合器控制方法：即為了能夠在某種加速愿望下快速而又盡可能不換低擋地提高牽引力，應在當前發動機運轉工況下根據加速踏板值及其踩下的速率自動控制液力耦合器的打滑轉差率，這樣發動機轉速立即就能提高幾百轉，增壓壓力也能迅速地建立起來。

綜上所述，寶馬公司新開發的雙渦輪增壓直噴式汽油機首次將增壓和高精度噴射結合起來，在滿足世界排放限值的同時，獲得了高的行駛動力性能和合乎時代要求的燃油耗。

BMW 335i Coupe轎車在新歐洲行駛循環(NEFZ)行駛循環燃油耗僅9.5L/100km的同時，以225kW的功率獲得了出色的行駛動力性(0～100km/h的加速時間僅5.5s)。除了這些給人留下深刻印象的數據之外，這種發動機高達7 000r/min的功率特性和出色的響應特性是有針對性的系統開發的重要標志，而創新的增壓系統與高精度噴射的組合對此作出了決定性的貢獻。

寶馬公司的各種轎車都將裝用了這種雙渦輪增壓直噴式汽油機，同時這種發動機可以根據各種車型的不同要求調整出各式各樣不同的特性，而且還將不斷地充分利用所介紹的系統部件的潛力，特別是利用高精度噴射提高燃燒過程的充量分層能力，進一步挖掘降低CO2排放的潛力，獲得更低的燃油耗。