關于直列6缸直噴式汽油機性能分析

新型6缸汽油機和柴油機同時進行量產(chǎn)，使BMW集團第一代通用標準模塊化部件發(fā)動機系列達到了其技術巔峰，并利用標準模塊化部件不斷衍生出新機型。新型直列6缸汽油機不僅減輕了質(zhì)量，而且在效率、運轉(zhuǎn)平順性、轉(zhuǎn)動平衡性，以及功率和扭矩的建立等方面再次得到優(yōu)化。 2015年7月，新型6缸汽油機搭載于新型BMW 7系列轎車、改進型3系列高級轎車和3系列旅游轎車上，并將進一步衍生出其他車型。這款機型以240 kW功率，使得從1933年開始生產(chǎn)的BMW直列6缸汽油機發(fā)展成為最新一代的機型。

新型直列6缸汽油機開發(fā)的主要目標是在提高功率和扭矩的同時，通過降低燃油耗進一步提高效率、減輕質(zhì)量和提高運轉(zhuǎn)的平順性，并在保持最低轉(zhuǎn)速下建立優(yōu)異的扭矩（低速扭矩），進一步提高轉(zhuǎn)動平衡性。除此之外，還必須滿足全球最嚴厲的廢氣排放標準，并縱置搭載于所有BMW汽車系列，同時，可以集成到現(xiàn)有產(chǎn)品網(wǎng)絡中。

2 設計方案

除了從3缸和4缸模塊化橫置式發(fā)動機不斷地衍生出新機型，發(fā)展模塊化發(fā)動機的下一個目標則是從2015年春季開始開發(fā)縱置式模塊化發(fā)動機。縱置式模塊化發(fā)動機保持了單個氣缸結(jié)構(gòu)的基本設計，并采用通用的氣門機構(gòu)部件，其開發(fā)目標主要是通過優(yōu)化換氣系統(tǒng)來消除集成在進氣裝置中的增壓空氣冷卻器的流動節(jié)流，進一步開發(fā)熱管理模塊（WMM）中的熱管理系統(tǒng)，并降低各種摩擦。

3 基礎發(fā)動機

與原機型相比，新型6缸汽油機（圖1和圖2）是以量產(chǎn)的3缸或4缸模塊化發(fā)動機為基礎，重新進行設計的。氣缸體曲軸箱采用深裙型金屬模鋁鑄件結(jié)構(gòu)型式，鑄造工藝與6缸柴油機相同,并采用其泥芯設計及其相關的工藝。氣缸工作表面采用電弧金屬絲噴鍍（LDS）鐵基合金涂層。并對發(fā)動機原有曲軸進行優(yōu)化，減輕了質(zhì)量，再次改善了平衡效果。曲軸主軸承采用可靠的多層材料軸承，連桿軸承桿身側(cè)采用聚合物涂層軸瓦，而連桿蓋側(cè)仍為傳統(tǒng)的雙層軸瓦。

圖1 BMW公司新型直列6缸直噴式汽油機

圖2 新型6缸直噴式汽油機

曲柄連桿機構(gòu)繼承了標準模塊化部件的行程/缸徑比,連桿也采用通用件。與原機型相比，壓縮比從10.2提高到11.0，而活塞為標準模塊化部件。為了降低氣缸工作表面摩擦，采用了LDS涂層，并再次優(yōu)化了活塞環(huán)切向力。圖3示出了氣缸體曲軸箱和曲柄連桿機構(gòu)，表1匯總了該發(fā)動機的主要技術規(guī)格數(shù)據(jù)。

圖3 氣缸體曲軸箱和曲柄連桿機構(gòu)

表1 新型6缸汽油機的主要技術規(guī)格

氣缸蓋的基本尺寸來自于橫置式發(fā)動機的標準模塊化部件，可變凸輪軸正時控制系統(tǒng)（Vanos）位于變速器一端，并通過兩級鏈傳動機構(gòu)驅(qū)動，該鏈傳動機構(gòu)在柴油機上用于驅(qū)動高壓燃油泵，而在汽油機上，為了降低鏈條噪聲，中間鏈輪涂有橡膠涂層。與其他的模塊化發(fā)動機相似，新型直列6缸汽油機也裝備了具有緊湊外形尺寸的最新一代“Valvetronic”全可變氣門機構(gòu)。

采用1個鏈傳動的體積流量可調(diào)的擺動滑閥式機油泵供應機油，并與真空泵同軸串聯(lián)，這是1種結(jié)構(gòu)緊湊和質(zhì)量優(yōu)化的組合方案，并被安裝在油底殼油池中。安裝在曲軸箱中并按特性曲線場調(diào)節(jié)的控制閥用于調(diào)節(jié)機油泵的體積流量，而機油壓力作為調(diào)節(jié)的主導參數(shù)，由主油道中的傳感器來測量。通過機油壓力調(diào)節(jié)，當暖機運行期間機油壓力低于0.35 MPa時，按特性曲線場調(diào)節(jié)的活塞機油冷卻噴嘴就被切斷，降低了顆粒物排放，并減少了機油泵的驅(qū)動功率，從而就能在許多特性曲線場范圍內(nèi)獲得節(jié)油效果。由于汽車結(jié)構(gòu)的標準化，從3~7系列采用標準傳動系統(tǒng)的派生車型可使用統(tǒng)一的油底殼，運行時機油液面通過1個封裝式超聲波傳感器（Puls）自動無接觸地進行測量。與柴油機通用的機油濾清器模塊由濾清器和機油水熱交換器組成，直接安裝在曲軸箱上。

由于使用了曲軸箱主動通風系統(tǒng)，可減少發(fā)動機機油中冷凝物，以及燃油和燃燒殘留物的數(shù)量。機油分離器中配置了貯存器，加大了通風體積流量，可明顯提高部分負荷時的分離效率。經(jīng)過凈化的曲軸箱通風氣體，在部分負荷時無需外部管道在氣缸蓋罩內(nèi)部被直接導入進氣道，而在增壓運行時則要通過1根位于壓氣機前的外部管加熱。

為了優(yōu)化暖機運轉(zhuǎn)期間的燃油耗，并能快速調(diào)節(jié)冷卻液溫度，改進了冷卻液循環(huán)回路，并使用WMM來替代節(jié)溫器進行調(diào)節(jié)。圖4示出了包括WMM在內(nèi)的氣缸體曲軸箱和氣缸蓋中的冷卻液循環(huán)回路。

圖4 包括WMM在內(nèi)的氣缸體曲軸箱和氣缸蓋冷卻液循環(huán)回路

缸內(nèi)直噴式汽油機采用了第二代高精度中央電磁閥式噴油器，并由排氣凸輪軸上的3面凸輪驅(qū)動的高壓燃油泵產(chǎn)生20 MPa的最大系統(tǒng)壓力。新型6缸汽油機采用了直接共軌，由于噴油器通過支撐接管直接與共軌連接，無需附加管道和連接元件，并采取模塊化方式使用2根3缸汽油機使用的共軌。這種噴油系統(tǒng)與中央布置的火花塞相結(jié)合方式為新型6缸汽油機達到功能目標打下重要基礎。

4 輔助設備和發(fā)動機電控系統(tǒng)

在所有的衍生機型上,包括進氣消音器和空氣濾清器在內(nèi)的新鮮空氣進氣裝置都布置在排氣側(cè),因而廢氣渦輪增壓器的進氣管路較短。所有衍生機型空氣濾清器的清潔空氣管和曲軸箱通風氣體引入管都統(tǒng)一布置在發(fā)動機前端直接接入節(jié)氣門，所有的縱置式發(fā)動機節(jié)氣門是通用件，并且由于清潔空氣要在進氣裝置中進行冷卻，所以進氣空氣被設定在較高的溫度。為了讓所有的結(jié)構(gòu)系列都具有合適的緊湊外形尺寸，并降低進氣系統(tǒng)中額外的壓力損失，采用了間接式增壓空氣冷卻器，并集成在進氣裝置中。新開發(fā)的間接式增壓空氣冷卻器從后端插入塑料進氣裝置。進氣裝置和增壓空氣冷卻器結(jié)構(gòu)設計長度較長，但無需附加內(nèi)部密封。圖5示出了增壓空氣冷卻器在進氣裝置中的布置狀況以及空氣的流動路徑，其中增壓空氣的冷卻是由1個電動水泵供應冷卻液的低溫冷卻循環(huán)回路實現(xiàn)的。

圖5 帶有整體式增壓空氣冷卻器的進氣裝置

發(fā)電機、水泵和空調(diào)壓縮機由1條6筋皮帶驅(qū)動。由于張緊器布置在發(fā)電機上，皮帶系統(tǒng)以降低的預緊力就能夠確保其正常工作，因此提高了節(jié)油潛力，并且所有的縱置式發(fā)動機采用1根統(tǒng)一的皮帶就能實現(xiàn)開發(fā)目標。

發(fā)動機電控系統(tǒng)應用了新的開發(fā)平臺，并首次使用了多芯處理器，這種電控系統(tǒng)與合適的裝備一起使用能控制包括柴油機在內(nèi)的3～12缸發(fā)動機。為了能更好的適應汽車結(jié)構(gòu)的更高要求，新的電控單元以1個具有多芯結(jié)構(gòu)的處理器（2×300 MHz、1×200 MHz、8MB Flasch）為基礎，為FlexRay、CAN、LIN和SENT提供所有的標準接口進行通訊。按照模塊化部件邏輯，使用了統(tǒng)一的接插件系統(tǒng)（254針）、可選用空氣和水冷卻的電控單元外殼，以及區(qū)域性軟件模塊直至單元程序狀態(tài)。

為了滿足發(fā)動機電控系統(tǒng)內(nèi)部越來越高的復雜性和多樣性的應用需求，平臺的開發(fā)減少了以往復雜的發(fā)動機專用的個別功能，從而無論是應用在汽油機、柴油機或者混合動力車上，在復雜性、可應用性，以及整個發(fā)動機電控系統(tǒng)的可測試性等方面都更勝一籌。

5 增壓

圖6所示的新開發(fā)的雙流道渦輪增壓器設計成包括增壓器殼體，以及第3缸和第4缸排氣歧管在內(nèi)的整體式結(jié)構(gòu)形式，而第1缸和第2缸，以及第5缸和第6缸排氣歧管則設計成單獨鑄件，并與中央整體式結(jié)構(gòu)件固定連接。這種結(jié)構(gòu)型式不僅簡化了接口，而且還能選擇配備排氣歧管的冷卻。為了確保具有良好的加速響應特性，第一組（第1缸和第3缸）和第二組（第4缸和第6缸）的廢氣流被分別相繼引導至渦輪。排氣歧管的固定采用了在模塊化部件中所創(chuàng)造的夾緊/滑動壓板方案。為了優(yōu)化催化轉(zhuǎn)化器的加熱功能，電動廢氣放氣閥的最大開啟角度可達54°。因采取了應用方面的措施，無需安裝倒拖循環(huán)空氣閥。直接連接在廢氣渦輪增壓器后面的近發(fā)動機催化轉(zhuǎn)化器被設計成可用于所有派生機型的通用件，這種布置型式可使催化轉(zhuǎn)化器非?？焖俚倪_到正常運行溫度，這樣就能夠取消布置在汽車地板下的1個催化轉(zhuǎn)化器。

圖6 發(fā)動機排氣歧管及廢氣渦輪增壓器和廢氣后處理裝置

6 熱管理

智能化熱管理的應用可以在測試循環(huán)和用戶實際行駛運行中，使發(fā)動機達到最低的燃油耗。新型直列6缸發(fā)動機是采用以下措施來達到降低油耗的目的。

冷卻液通過用法蘭直接安裝在氣缸體曲軸箱上的冷卻水泵進入發(fā)動機冷卻水套，首先在排氣側(cè)縱向流經(jīng)氣缸體曲軸箱，緊接著進入氣缸蓋，并借助橫向流動，按規(guī)定的方向被分配到氣缸蓋中熱負荷最大的區(qū)域，之后冷卻液返回到氣缸體曲軸箱的進氣側(cè)，再被導入WMM，其中有1個電動球閥具有不同的接通位置（例如關閉發(fā)動機暖機期間的加熱循環(huán)回路）。這種冷卻方案能夠獲得總體上均勻的溫度分布，并降低氣缸蓋中零件的最高溫度。

皮帶驅(qū)動的冷卻水泵具有1個閉鎖裝置和流量精確調(diào)整的旁通道，并與1個高效的發(fā)動機油水熱交換器相結(jié)合，在發(fā)動機暖機階段使熱量在結(jié)構(gòu)和流體中達到最佳的分配，從而將摩擦損失降到最低。同時，在暖機階段發(fā)動機油水熱交換器機油側(cè)的全流量能夠獲得最大的熱回收，而且在高負荷行駛運行時能達到較低的機油溫度。通過使用粘度等級為0W20的最新的發(fā)動機機油能夠大幅度地降低摩擦，特別是在發(fā)動機機油溫度較低的情況下效果顯著。排氣道周圍尺寸較大的冷卻水套在發(fā)動機暖機期間能吸收更多的散熱，這有助于在整個特性曲線場范圍內(nèi)實現(xiàn)化學計量比燃燒。

使用1個布置于氣缸蓋排氣道附近的零件溫度傳感器，并與1個布置在發(fā)動機出口的冷卻液溫度傳感器相結(jié)合，就能實現(xiàn)優(yōu)化運行方式的溫度調(diào)節(jié)，從而對摩擦和燃油耗產(chǎn)生有利的影響。

另外，由于用法蘭安裝在發(fā)動機冷卻液出口處的WMM能快速地調(diào)節(jié)冷卻液溫度，并縮短反應時間，因而能提高正常行駛運行時的冷卻液溫度，降低摩擦力，將冷卻的提前量減小到所必需的最低值。

7 燃燒過程

新型直列6缸汽油機的燃燒過程以原機型的雙渦輪增壓燃燒過程為基礎，氣缸直徑減小了2 mm變?yōu)?2 mm，壓縮比提高到11.0，從而提高了效率。缸徑減小后,行程/缸徑比提高到1.15，使熱力學和摩擦達到了最佳效果?；鸹ㄈ幕鸹ㄎ恢每蓮娜紵覂?nèi)縮進約2 mm，這就明顯降低了火花塞的熱負荷。

與原機型的燃燒過程相比，盡管氣缸直徑減小了，但是活塞頂燃燒室凹坑形狀明顯加寬，并通過減小多孔噴油器流量而加寬噴束的設計，大大改善了混合氣的均質(zhì)化程度，同時通過有針對性地優(yōu)化進氣道加強了充量運動，使燃燒明顯加快。

為了能滿足廢氣排放法規(guī)加嚴的要求，對多孔噴油器的主要特性進行了優(yōu)化，其流量的減小大大縮短了噴束的貫穿深度，同樣通過各個噴孔噴油量和噴束方向的分配優(yōu)化了噴束形狀，使催化轉(zhuǎn)化器加熱（分層能力）和運行熱狀態(tài)兩方面要求達到了非常良好的折中，尤其是將燃油潤濕活塞和氣缸套壁面，以及進氣門的現(xiàn)象減少到了最低程度。第二代可控閥動作（CVO）噴油器的功能利用了噴油器特性曲線額外的最小噴油量范圍?？傮w而言，這些措施對減少整個特性曲線場范圍顆粒數(shù)獲得了極為有利的效果。

圖7示出了在2 000r/min轉(zhuǎn)速時各種指示負荷下的指示比燃油耗特性曲線。從圖中可以清楚地看到，通過改善燃燒過程，能夠在更寬廣的范圍內(nèi)降低燃油耗。在標準環(huán)境邊界條件下，這種新型模塊化汽油機在額定功率范圍內(nèi)以化學計量比混合氣運行。

圖7 新型雙渦輪增壓汽油機與原機型指示燃油耗的比較

8 整車

通過搭載新型6缸汽油機，并與汽車和動力傳動方面的措施相結(jié)合，達到了舒適性、動力性和效率等方面的高要求，而發(fā)動機與汽車之間的統(tǒng)一接口，確保這種模塊化發(fā)動機能夠集成到BMW集團生產(chǎn)的所有重要車型系列上。

9 燃油耗

通過暖機運行、摩擦和熱力學等方面的措施，這種汽油機的燃油耗能比原機型降低6%，并與汽車方面的措施相結(jié)合，可使740i轎車的NEDC工況燃油耗降低16%，達到百公里6.6 L，從而使CO2排放量降低到154 g/km。圖8示出了新型740i轎車燃油耗和行駛性能與原車型和競爭車型的比較。

圖8 BMW740i轎車燃油耗和行駛性能與競爭車型的比較

10 功率和扭矩

與原機型相比，新型6缸汽油機的功率適度提高到240kW。豐滿的功率曲線和扭矩特性曲線使發(fā)動機的轉(zhuǎn)動平衡性得到了進一步的提高。在5 500～6 500 r/min轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)達到最大功率，而最大轉(zhuǎn)速可達到7 000 r/min。從1 380 r/min轉(zhuǎn)速起就可提供450 N·m最大扭矩，而采用改進型8檔自動變速器則能在低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)為高效動力性能提供基礎。圖9示出了原機型與新型直列6缸汽油機的功率和扭矩特性曲線。

圖9 新機型全負荷特性曲線與原機型的比較

11 廢氣排放

新型直列6缸汽油機滿足歐6廢氣排放標準和ULEV70的美國廢氣排放標準，必要時可采用所介紹的方案達到SULEV70廢氣排放標準的要求。

12 聲學性能

再次改善直列6缸汽油機聲學性能的基礎是帶有良好質(zhì)量平衡機構(gòu)的鋼曲軸和主軸承蓋框架底座，后者與曲軸箱緊固連接使基礎發(fā)動機具有高的總體剛度。盡管提高了功率和扭矩，但是這種內(nèi)部型號為B58的新機型，從4 000 r/min的運轉(zhuǎn)噪聲比原機型低，因此這種直列6缸汽油機的運轉(zhuǎn)平穩(wěn)性再次得到了改善，更突出了BMW典型的重要特點。圖10示出了新型直列6缸機全負荷空氣傳聲輻射與原機型的比較。

圖10 新機型與原機型左側(cè)全負荷時的空氣傳聲對比情況

為了改善整車噪聲和熱平衡，還采用了靠近發(fā)動機的罩蓋。通過這種靠近噪聲源的噪聲屏蔽，優(yōu)化了汽車的聲學性能從而進一步降低了汽車的總質(zhì)量。

13 輕量化

新型直列6缸汽油機盡管提高了功率、改善了聲學性能，以及滿足了集成或模塊化的要求，但是其質(zhì)量仍比原機型減輕了約2 kg，主要原因在于氣缸體曲軸箱、氣缸蓋和曲柄連桿機構(gòu)等的輕量化設計，以及緊固件和支承件的靈巧設計。

14 結(jié)語

BMW公司新型6缸雙渦輪增壓汽油機是從標準模塊化部件派生而來的，完全滿足了設計任務書中對BMW第二代直列6缸發(fā)動機所提出的更高要求。采用標準模塊化部件方式達到了新機型所設置的重要的開發(fā)目標，例如在提高功率和扭矩的同時顯著降低燃油耗，滿足全球廢氣排放法規(guī)，以及在優(yōu)化質(zhì)量的同時改善聲學性能等。

采用“Valvetronic”全可變氣門機構(gòu)的新型6缸雙渦輪增壓汽油機與汽車方面的措施相結(jié)合，使740i轎車的NEDC工況燃油耗降低16%，達到百公里6.6 L，從而使CO2排放量降低到154 g/km。新型直列6缸汽油機滿足歐6和ULEVⅡ廢氣排放法規(guī)，并于2015年7月搭載于改進型3系列高級轎車和3系列旅游轎車，并且成功地投入量產(chǎn)。因此，這種最新一代6缸汽油機既提高駕駛樂趣，又滿足了高效動力學的要求。