關(guān)于BMW公司新型3缸和4缸轎車柴油性能分析

BMW公司為直列式發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)發(fā)了新的標(biāo)準(zhǔn)部件，在汽油機(jī)和柴油機(jī)上具有很高的通用性。介紹3缸和4缸轎車柴油機(jī)的開(kāi)發(fā)情況，它們被配裝于Mini和BMW X3轎車上。

1標(biāo)準(zhǔn)部件理念的不斷發(fā)展

自1991年起，BMW公司不斷在柴油機(jī)上貫徹標(biāo)準(zhǔn)部件理念。為了應(yīng)對(duì)未來(lái)越來(lái)越高的要求，并將資源集中于開(kāi)發(fā)高效的內(nèi)燃機(jī)，BMW公司現(xiàn)在設(shè)計(jì)了汽油機(jī)和柴油機(jī)通用的標(biāo)準(zhǔn)部件[1,2]，并最終將其擴(kuò)展成包括所有3缸、4缸和6缸汽油機(jī)與柴油機(jī)在內(nèi)的全新的發(fā)動(dòng)機(jī)系列，其開(kāi)發(fā)目標(biāo)是所有直列式發(fā)動(dòng)機(jī)都建立在相同的基礎(chǔ)發(fā)動(dòng)機(jī)平臺(tái)和統(tǒng)一的發(fā)動(dòng)機(jī)外圍設(shè)備基礎(chǔ)上。

最初為轎車柴油機(jī)開(kāi)發(fā)了2種3缸機(jī)型，分別配裝于70 kW和85 kW的Mini轎車，而新型4缸機(jī)則首先配裝于新型BMW X3型轎車，功率比老機(jī)型提高5 kW，即140 kW，成為中等功率等級(jí)車型。今后將有不同的功率等級(jí)機(jī)型配裝于更多的車型。

2目標(biāo)設(shè)定

新型汽油機(jī)和柴油機(jī)的開(kāi)發(fā)目標(biāo)是：開(kāi)發(fā)更高效、更緊湊、更輕巧且功率更強(qiáng)勁的發(fā)動(dòng)機(jī)，并能滿足未來(lái)更嚴(yán)格的法規(guī)要求。汽油機(jī)和柴油機(jī)的開(kāi)發(fā)目標(biāo)僅有略微差異，可參見(jiàn)文獻(xiàn)[3]，因而柴油機(jī)的設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)規(guī)定：⑴頂級(jí)機(jī)型的升功率高于80 kW/L；⑵從略微超過(guò)怠速轉(zhuǎn)速起就具有豐滿的扭矩特性曲線；⑶具有明顯改善的瞬態(tài)響應(yīng)特性；⑷在用戶實(shí)際使用和法定行駛循環(huán)中具有低燃油耗；⑸具有滿足全球最嚴(yán)格廢氣排放法規(guī)限值要求的潛力；⑹采用鋁氣缸體曲軸箱的輕型結(jié)構(gòu)型式；⑺優(yōu)化基礎(chǔ)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)，使摩擦損失最??；⑵采用質(zhì)量平衡機(jī)構(gòu)，使3缸和4缸機(jī)型均具有高的運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)性。

此外，通用的汽油機(jī)和柴油機(jī)系列可達(dá)到如下的效果：⑴在多個(gè)生產(chǎn)基地靈活地組織生產(chǎn)（3缸、4缸和6缸汽油機(jī)與柴油機(jī)）；⑵在相同的基礎(chǔ)發(fā)動(dòng)機(jī)平臺(tái)上簡(jiǎn)單且迅速地推出不同的技術(shù)方案；⑶快速推出變型機(jī)；⑷所有的變型機(jī)與汽車具有統(tǒng)一的接口。

其他方面的挑戰(zhàn)是，即使具有最大的通用化程度，各種變型機(jī)都要達(dá)到最佳的性能設(shè)計(jì)，以確保在競(jìng)爭(zhēng)中各自的頂尖地位。

表1 3缸和4缸柴油機(jī)的主要技術(shù)規(guī)格

3設(shè)計(jì)方案

新型3缸和4缸柴油機(jī)（圖1）的結(jié)構(gòu)遵循2007年柴油機(jī)可靠的結(jié)構(gòu)型式，并沿用BMW公司多年來(lái)發(fā)動(dòng)機(jī)傳統(tǒng)的缸心距，單缸排量為0.5 L，由氣缸數(shù)覆蓋所需的排量跨度（表1）。集成平衡軸的氣缸體曲軸箱和位于油底殼內(nèi)的組合式機(jī)油泵和真空泵是緊湊輕型結(jié)構(gòu)發(fā)動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)，鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu)被布置在發(fā)動(dòng)機(jī)后端，使輔助設(shè)備能布置在進(jìn)氣側(cè)，因此，排氣側(cè)能完全用于自由地布置增壓和近發(fā)動(dòng)機(jī)后處理裝置。圖2示出了柴油機(jī)的縱橫剖視圖。

圖1--BMW公司新型轎車柴油機(jī)

圖2--新型3缸柴油機(jī)縱橫剖視圖

4結(jié)構(gòu)型式—基礎(chǔ)發(fā)動(dòng)機(jī)

鋁氣缸體曲軸箱采用金屬模鑄造并經(jīng)熱處理，由目前的柴油機(jī)系列演變而來(lái)，繼續(xù)沿用變速器側(cè)剛性連接的高壓泵法蘭，以及預(yù)鑄的冷卻液和機(jī)油通道等久經(jīng)考驗(yàn)的可靠的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)（圖3）。并在BMW公司的柴油機(jī)上首次應(yīng)用氣缸套工作表面激光金屬線材噴鍍（LDS）涂層，厚度僅0.3 mm，極其耐磨，與傳統(tǒng)的灰鑄鐵氣缸套相比，具有明顯更好的散熱性能。這種解決方案是建立在BMW公司汽油機(jī)制造工藝和產(chǎn)品開(kāi)發(fā)方面所累積的經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上的。

圖3--3缸柴油機(jī)的氣缸體曲軸箱

為了不斷降低摩擦，采用不同的連桿軸頸直徑，最高燃燒壓力超過(guò)16 MPa的變型機(jī)選用50 mm的連桿軸頸直徑，而最高燃燒壓力較低的機(jī)型則選用45 mm的連桿軸頸直，均采用較長(zhǎng)的連桿來(lái)降低活塞摩擦。同時(shí)，特別注重優(yōu)化氣缸-活塞摩擦副的設(shè)計(jì)，因氣缸孔具有非常剛性的結(jié)構(gòu)型式，因此能進(jìn)一步降低3道活塞環(huán)的張力。3缸和4缸機(jī)的鍛鋼曲軸各有4個(gè)平衡塊。噴油泵和凸輪軸以可靠的方式由振動(dòng)小的曲軸后端的鏈輪驅(qū)動(dòng)（圖4）。2種機(jī)型的滾動(dòng)軸承平衡軸均由齒輪驅(qū)動(dòng)，而4缸機(jī)的2根高置平衡軸由熱壓配合、在最后一個(gè)曲柄臂位置上的齒輪驅(qū)動(dòng)。3缸機(jī)的一階自由慣性力矩由支承在氣缸體曲軸箱中的鍛鋼平衡軸來(lái)平衡，由曲軸前端的整體式齒輪驅(qū)動(dòng)。為了改善聲學(xué)性能，柴油機(jī)也應(yīng)用張緊直齒輪，并加裝了彈簧，轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)齒面嚙合轉(zhuǎn)換平穩(wěn)，消除了怠速運(yùn)轉(zhuǎn)范圍內(nèi)齒輪嚙合時(shí)發(fā)出的響聲。

圖4--3缸柴油機(jī)的曲軸與平衡軸

與BMW公司所有柴油機(jī)一樣，鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu)由3部分組成，在鏈條平面上形成連套的緊湊的結(jié)構(gòu)型式。系統(tǒng)中的大多數(shù)部件都是可用于其他標(biāo)準(zhǔn)部件發(fā)動(dòng)機(jī)的通用件。在量產(chǎn)中首次應(yīng)用了采用物理汽相沉積涂層鉚釘?shù)逆湕l，這種涂層幾乎完全消除了鏈條在被炭黑污染的發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油中對(duì)磨損的敏感性。

油底殼中的組合式機(jī)油泵和真空泵的設(shè)計(jì)方案是在目前量產(chǎn)柴油機(jī)的基礎(chǔ)上演變而來(lái)的，而全可變滑片式機(jī)油泵則是全新開(kāi)發(fā)的，帶有1個(gè)調(diào)節(jié)閥，其體積流量在整個(gè)特性曲線場(chǎng)范圍內(nèi)可以進(jìn)行調(diào)節(jié)，這種調(diào)節(jié)方式允許發(fā)動(dòng)機(jī)在寬廣的特性曲線場(chǎng)范圍內(nèi)以很低的機(jī)油壓力運(yùn)行，而機(jī)油噴嘴能在不同的壓力水平上打開(kāi)或關(guān)閉，從而獲得顯著的節(jié)油效果（圖5）。

圖5--可調(diào)式機(jī)油泵和可開(kāi)關(guān)式機(jī)油噴嘴

5增壓和噴油

柴油機(jī)的產(chǎn)品性能主要取決于增壓系統(tǒng)和噴油系統(tǒng)，相應(yīng)的創(chuàng)新技術(shù)已被用于量產(chǎn)中。BMW公司在這種新型3缸柴油機(jī)上應(yīng)用了型號(hào)為VTG 35的可變渦輪截面（VTG）增壓器，通過(guò)新開(kāi)發(fā)的壓氣機(jī)葉輪，以及與渦輪非常精確協(xié)調(diào)的渦輪導(dǎo)向葉片流通截面的幾何形狀，獲得了突出的熱力學(xué)性能?？勺儨u輪導(dǎo)向葉片可精確且迅速地進(jìn)行電動(dòng)調(diào)節(jié)，從而使增壓壓力以極小的滯后達(dá)到最佳調(diào)節(jié)。

BMW公司首次在新型4缸柴油機(jī)上裝備了由滾動(dòng)軸承支承的GT 7型VTG增壓器，新開(kāi)發(fā)的渦輪與壓氣機(jī)葉輪相組合，在效率、瞬態(tài)響應(yīng)和加速性方面創(chuàng)造了最佳記錄。這種新型的轉(zhuǎn)子支承方式降低了摩擦，并獲得了較高的總效率。在開(kāi)發(fā)這些新技術(shù)時(shí)，除了熱力學(xué)目標(biāo)之外，還特別注重提高可靠性和聲學(xué)性能。

無(wú)論在3缸機(jī)還是4缸機(jī)上柴油機(jī)都配裝了新一代高壓共軌噴油系統(tǒng)。該噴油系統(tǒng)具有以下性能：⑴最高系統(tǒng)壓力提高到200 MPa；⑵更高的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能；⑶燃燒室中更好的燃油準(zhǔn)備。在系統(tǒng)壓力和動(dòng)態(tài)性能方面滿足具有競(jìng)爭(zhēng)性要求的關(guān)鍵因素是開(kāi)關(guān)閥技術(shù)，以及新一代CRI 2.20型電磁閥式噴油器的壓力補(bǔ)償功能。噴油器的設(shè)計(jì)與提高的系統(tǒng)壓力和燃燒方面的特殊要求相匹配，而靠近座面的針閥導(dǎo)向明顯改善了噴束品質(zhì)。

6燃燒過(guò)程

開(kāi)發(fā)燃燒過(guò)程的重點(diǎn)是改善低轉(zhuǎn)速和中等轉(zhuǎn)速時(shí)部分負(fù)荷區(qū)域的性能，其主要的影響因素是：⑴渦輪導(dǎo)向葉片關(guān)閉時(shí)的渦輪效率；⑵應(yīng)用具有較小流量的噴油嘴（QH 370/7孔）；⑶系統(tǒng)壓力為200 MPa的電磁閥式噴油器。

改善采用標(biāo)準(zhǔn)部件發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒過(guò)程，4缸機(jī)上主要表現(xiàn)在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速1 500 r/min時(shí)的負(fù)荷截面上（圖6）。噴油壓力高達(dá)200 MPa的噴油系統(tǒng)，以及經(jīng)優(yōu)化的噴油器、噴油嘴和增壓使得即使功率提高了5 kW，噴油嘴的流量仍可減小25 %，從而降低了燃油耗和碳煙排放，并改善了燃燒噪聲。

圖6--進(jìn)一步開(kāi)發(fā)的燃燒室過(guò)程

BMW公司在4缸柴油機(jī)上首次應(yīng)用的燃燒壓力傳感器有助于改善燃燒過(guò)程。最初，這種傳感器被用于調(diào)節(jié)燃燒重心位置，已燃質(zhì)量分?jǐn)?shù)50%的采集和調(diào)節(jié)能明顯減弱進(jìn)氣空氣質(zhì)量采集誤差的影響，至今已能滿足廢氣排放限值要求，而不會(huì)對(duì)廢氣排放穩(wěn)定性和駕駛機(jī)動(dòng)性產(chǎn)生不良影響，而且燃燒壓力傳感器又為對(duì)燃燒過(guò)程施加影響開(kāi)啟了眾多其他可能性。

7廢氣系統(tǒng)

一直以來(lái)，BMW公司將氧化催化轉(zhuǎn)化器（DOC）和吸附式氮氧化物催化轉(zhuǎn)化器（NSC）安裝在同一個(gè)殼體中的方案用于柴油汽車，現(xiàn)在這種對(duì)性能和成本均有利的結(jié)構(gòu)布置型式也被用于橫置式發(fā)動(dòng)機(jī)車型上（圖7），因此與布置在汽車地板下的選擇性催化還原（SCR）催化轉(zhuǎn)化器相結(jié)合形成1個(gè)模塊化裝置，以滿足全球所有可預(yù)見(jiàn)的廢氣排放法規(guī)要求。

圖7--廢氣裝置的熱端（NSC和SCR）

柴油顆粒捕集器（DPF）采用經(jīng)試驗(yàn)證實(shí)有效且具有催化涂層的SiC結(jié)構(gòu)型式。為了減少噪聲和熱輻射，其外殼用帶刺不銹鋼薄板包裹的厚度為10 mm的硅酸鹽纖維護(hù)板遮蓋。

排氣后處理系統(tǒng)中的傳感器包括DPF前后的壓差傳感器、催化轉(zhuǎn)化器前后的溫度傳感器，以及DPF后的過(guò)量空氣系數(shù)λ傳感器。這種緊湊的結(jié)構(gòu)型式對(duì)系統(tǒng)部件應(yīng)用的流動(dòng)造型及其熱力-機(jī)械設(shè)計(jì)提出了很高的要求，例如由渦輪增壓器渦旋引起的催化轉(zhuǎn)化器基質(zhì)載體中的不均勻流動(dòng)需要通過(guò)進(jìn)口喇叭口中的流動(dòng)整流器得以改善。除了用于歐5或歐6的氧化催化轉(zhuǎn)化器或NSC結(jié)構(gòu)型式之外，圖7還示出了SCR方案，它被用于高負(fù)荷譜車型和美國(guó)市場(chǎng)。而AdBlue尿素水溶液計(jì)量模塊在上述方案中被作為分離部件使用。

8燃油耗

通過(guò)在發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦、熱力學(xué)和暖機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)性能等方面的不斷開(kāi)發(fā)，與老機(jī)型相比，新機(jī)型相比老機(jī)型具有明顯的節(jié)油效果。此外，在3缸機(jī)上，通過(guò)小型化效果進(jìn)一步顯示出了通用標(biāo)準(zhǔn)部件的優(yōu)越性。下文將詳細(xì)探討幾種降低CO2排放的措施[1]。

其中，非常注重活塞組的設(shè)計(jì)，其主要措施包括：⑴活塞間隙增大40 %；⑵活塞中心線偏移量減小20 %；⑶活塞裙部采用減少摩擦功率的涂層；⑷將活塞環(huán)高度減小到1.5 mm；⑸活塞環(huán)切向力減小25 %。這種活塞組能使新歐洲行駛循環(huán)（NEDC）中的CO2排放量最多降低1 %，并且不會(huì)使活塞噪聲和機(jī)油消耗量惡化。

通過(guò)采用可調(diào)式滑片機(jī)油泵還能進(jìn)一步降低CO2排放，與可開(kāi)關(guān)的機(jī)油噴嘴和減少機(jī)油泄漏的主軸承相結(jié)合，能明顯降低部分負(fù)荷運(yùn)行工況的機(jī)油壓力水平，低機(jī)油壓力水平可達(dá)0.13 MPa，從而使NEDC中的CO2排放量最多降低2 %。

4缸柴油機(jī)采用新型滾動(dòng)軸承廢氣渦輪增壓器，通過(guò)改善效率可使部分負(fù)荷范圍內(nèi)的燃油耗降低1%～2 %。此外，與新型噴油系統(tǒng)相互作用，快速建立增壓壓力，并顯著改善了瞬態(tài)響應(yīng)特性。

3缸柴油機(jī)通過(guò)優(yōu)化摩擦和熱力學(xué)，為降低CO2排放提供了額外的自由空間，除了從減小排量和改善熱力學(xué)性能所獲得的優(yōu)勢(shì)之外，通過(guò)縮短暖機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間減少了摩擦損失和軸承部位數(shù)目，以及縮小了機(jī)油泵。此外，取消了預(yù)熱塞，并減少了預(yù)熱電流的需求量，與2.0 L老機(jī)型相比，燃油耗降低9 %,而與1.6 L 4缸柴油機(jī)相比，燃油耗降低約5 %。

9功率和扭矩

圖8示出了新型3缸和4缸柴油機(jī)的全負(fù)荷特性曲線。所有采用標(biāo)準(zhǔn)部件的機(jī)型均在寬廣的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)具有非常豐滿的扭矩特性曲線，從而在2 000 r/min的轉(zhuǎn)速跨度范圍內(nèi)具有90 %的最大扭矩可供使用。

圖8--新型3和4缸柴油機(jī)的全負(fù)荷特性曲線

3缸柴油機(jī)以70 kW或85 kW功率及220 N·m或279 N·m扭矩覆蓋低功率區(qū)段車型，而4缸柴油機(jī)的高功率機(jī)型目前已投入量產(chǎn)，相比老機(jī)型功率增大5 kW，達(dá)到140 kW，扭矩增大20 N·m，達(dá)到400 N·m。未來(lái)，通過(guò)向下和向上擴(kuò)展功率變型充實(shí)該柴油機(jī)系列。上述情況使在降低CO2排放量高達(dá)9 %的同時(shí)顯著改善了車輛的行駛性能（表2）。

表2 配裝3缸和4缸柴油機(jī)車型的行駛性能和燃油耗

10聲學(xué)性能

通常，柴油機(jī)具有較高的升功率和升扭矩，以及較豐滿的全負(fù)荷特性曲線，因而對(duì)聲學(xué)性能提出了特別的要求。特別是在低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi),氣缸數(shù)的減少及增大扭矩所需的增壓壓力的提高增強(qiáng)了運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)性和空氣流動(dòng)脈沖的持續(xù)性。額定功率與部分負(fù)荷之間的跨度增大又提出了額外挑戰(zhàn)，而且必須采用固定的噴油嘴尺寸來(lái)滿足這種要求。驅(qū)動(dòng)齒輪中裝有張緊彈簧的平衡軸、進(jìn)氣空氣管路中的寬帶諧振器，以及內(nèi)襯吸音泡沫材料的進(jìn)氣罩殼中的阻尼器從力學(xué)和空氣導(dǎo)向上明顯抑制了空氣脈沖的持續(xù)性。

持續(xù)不斷的開(kāi)發(fā)燃燒過(guò)程也對(duì)降低燃燒噪聲產(chǎn)生了非常有利的效果。采用工作能力更強(qiáng)的噴油系統(tǒng)使能夠應(yīng)用液力流量減小的噴油嘴，并優(yōu)化了噴射最小噴油量的能力，更好的混合氣準(zhǔn)備使著火滯后縮短，從而獲得了較小的燃燒壓力升高率。

與老機(jī)型相比，BMW公司新型3缸和4缸柴油機(jī)具有較輕的噪聲，并大幅降低了空氣流動(dòng)脈沖的持續(xù)性（圖9）。

圖9--聲學(xué)性能的改善（AGD=進(jìn)氣噪聲阻尼器）

11廢氣排放

通過(guò)不斷開(kāi)發(fā)燃燒過(guò)程，新機(jī)型的原始排放相比老機(jī)型明顯降低，此外，結(jié)合NSC和DPF在內(nèi)的非常有效的近發(fā)動(dòng)機(jī)排氣后處理，廢氣排放以較可靠的差距處于歐6限值以下。同時(shí)，新型模塊化排氣后處理系統(tǒng)提供了進(jìn)一步滿足美國(guó)，以及歐洲未來(lái)排放限值要求的潛力。

12結(jié)語(yǔ)

為了應(yīng)對(duì)未來(lái)更嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，BMW公司為其直列式汽油機(jī)和柴油機(jī)開(kāi)發(fā)了具有重要意義的標(biāo)準(zhǔn)部件。這些新型動(dòng)力總成的結(jié)構(gòu)是建立在當(dāng)前柴油機(jī)久經(jīng)考驗(yàn)的可靠的設(shè)計(jì)方案基礎(chǔ)之上的，并通過(guò)最新的系統(tǒng)開(kāi)發(fā)充實(shí)成1個(gè)持久的技術(shù)平臺(tái)。新型3缸柴油機(jī)以低燃油耗而備受青睞。

作為新發(fā)動(dòng)機(jī)系列中的首批機(jī)型，3缸機(jī)的2種功率變型和4缸機(jī)的高功率機(jī)型已投放市場(chǎng)，與老機(jī)型相比，新機(jī)型的動(dòng)力性能顯著提高，同時(shí)大幅降低了燃油耗，所有目標(biāo)車型的廢氣排放明顯低于未來(lái)的歐6限值，此外，配裝新型標(biāo)準(zhǔn)部件柴油機(jī)的車型具有良好的聲學(xué)性能。