關(guān)于BMW公司3和4缸直噴式汽油機(jī)功能介紹和應(yīng)用分析

1所有直列式發(fā)動機(jī)的基本方案

BMW公司將全新開發(fā)的發(fā)動機(jī)系列配裝于新型Mini轎車投放市場，并最終擴(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)的發(fā)動機(jī)系列，并且所有直列式發(fā)動機(jī)都采用相同的基礎(chǔ)發(fā)動機(jī)方案和統(tǒng)一的外圍輔助設(shè)備。

BMW公司的新型汽油機(jī)具有3種3缸機(jī)型和一種4缸變型機(jī)型，而3缸機(jī)具有1.2 L和1.5 L 2種排量。1.2L機(jī)型的額定功率從75 kW起，覆蓋了Mini One轎車的功率定位。1.5 L汽油機(jī)以100 kW額定功率配裝于Mini Cooper轎車，而其特殊的高功率變型則以170 kW額定功率用于新型BMW i8混合動力運(yùn)動型轎車上。新型4缸汽油機(jī)首次以140 kW額定功率作為Mini Cooper S型轎車的動力裝置，并且，會以明顯更高的功率配裝于BMW和Mini轎車[1]。

2目標(biāo)設(shè)定

新型發(fā)動機(jī)系列的主要目標(biāo)是開發(fā)高效、緊湊、功率強(qiáng)勁的發(fā)動機(jī)，并滿足未來全球日益嚴(yán)格的排放法規(guī)要求。與此同時，在設(shè)計任務(wù)書上規(guī)定了下列性能目標(biāo)：⑴在頂級應(yīng)用場合，升功率最高可達(dá)115 kW/L；⑵略微超過怠速轉(zhuǎn)速就能發(fā)揮高扭矩（低速扭矩）；⑶動態(tài)響應(yīng)性能可與功率相同的自然吸氣發(fā)動機(jī)相媲美；⑷標(biāo)準(zhǔn)測試循環(huán)和用戶實際使用燃油耗較低；⑸具有滿足全球最嚴(yán)格廢氣排放法規(guī)限值的潛力；⑹輕型結(jié)構(gòu)的鋁氣缸體曲軸箱；⑺通過優(yōu)化基礎(chǔ)發(fā)動機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計使摩擦損失最??；⑻通過質(zhì)量平衡系統(tǒng)使3缸機(jī)和4缸機(jī)都能獲得高的運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)性。此外，以汽油機(jī)與柴油機(jī)系列的通用性達(dá)到以下效果：⑴在多個生產(chǎn)基地靈活地組織生產(chǎn)（3缸、4缸和6缸機(jī)汽油機(jī)與柴油機(jī)）；⑵在相同的基礎(chǔ)發(fā)動機(jī)平臺上方便且迅速地推出不同的技術(shù)方案；⑶方便且迅速地推出變型機(jī)；⑷所有變型機(jī)與汽車具有統(tǒng)一的接口。其他方面的前提條件和挑戰(zhàn)是，即使具有最大的通用化程度，各種變型機(jī)都能達(dá)到最佳的性能設(shè)計，以確保在競爭機(jī)型中的頂尖地位。

表1 3缸和4缸汽油機(jī)的主要技術(shù)規(guī)格

3設(shè)計方案

新型3缸和4缸汽油機(jī)（圖1）仍沿用BMW公司直列式發(fā)動機(jī)的設(shè)計尺寸，缸心距為91 mm，單缸排量為0.5 L，而用于MiniOne轎車的3缸機(jī)方案則是個特例，其單缸排量0.4 L，總排量為1.2 L（表1）。在結(jié)構(gòu)設(shè)計和外圍輔助設(shè)備方面，這些發(fā)動機(jī)基本上都采用增壓。為了為最佳性能和汽車集成創(chuàng)造最佳的前提條件，充量更換被設(shè)計成橫流式，而且從發(fā)動機(jī)左側(cè)進(jìn)氣，右側(cè)排氣。鏈傳動機(jī)構(gòu)被布置在發(fā)動機(jī)后端，使所有輔助設(shè)備能全部集中在進(jìn)氣側(cè)，右側(cè)可用于布置廢氣渦輪增壓器和近發(fā)動機(jī)的排氣后處理裝置。圖2示出了4缸直噴式汽油機(jī)的縱橫剖視圖。

4基礎(chǔ)發(fā)動機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計

為所有機(jī)型設(shè)計了全鋁結(jié)構(gòu)型式的氣缸體曲軸箱（圖3）。凸輪軸鏈傳動機(jī)構(gòu)被布置在飛輪側(cè)。氣缸套工作表面采用創(chuàng)新的電弧金屬絲噴鍍涂層，厚度僅0.3 mm，極其耐磨，而且與傳統(tǒng)的灰鑄鐵氣缸套相比，具有良好的散熱性能。所有機(jī)型都采用鍛鋼曲軸，并且在軸承部位感應(yīng)淬火。平衡軸集成在氣缸體曲軸箱中，在3缸機(jī)上由曲軸前端驅(qū)動，而在4缸機(jī)上兩根平衡軸的驅(qū)動齒輪則集成在曲軸后端曲柄臂上。主軸承采用雙金屬鋁軸承，而連桿軸承則采用涂覆聚合物涂層的三金屬軸承。鍛鋼連桿被設(shè)計成階梯式結(jié)構(gòu)型式，連桿小頭中鑲鑄卷制而成的堅實的青銅套。

為了平衡一階自由慣性力矩，所有3缸機(jī)都采用支承在氣缸體曲軸箱中的鍛鋼平衡軸，它具有2個反向布置的平衡塊，其中一塊平衡塊直接鍛造在平衡軸上。集成在曲軸上的齒輪與平衡軸前端的傳動齒輪相嚙合，直接驅(qū)動平衡軸。這種傳動齒輪由燒結(jié)而成，輪轂中具有能隔離噪聲的彈性阻尼，并集成了二階平衡質(zhì)量。為了減少傳動功率，平衡軸采用滾動軸承支承。

所有3缸汽油機(jī)和柴油機(jī)都采用相同的結(jié)構(gòu)布置型式，減小曲軸的振動。但考慮到燃燒過程和曲柄連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動質(zhì)量各不相同，汽油機(jī)和柴油機(jī)上的不平衡質(zhì)量及其傳動機(jī)構(gòu)都經(jīng)過專門匹配。

為了100 %地平衡引起振動的二階慣性力，4缸汽油機(jī)采用2根支承在氣缸體曲軸箱中的鍛鋼平衡軸，它們以2倍的曲軸轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。為了減少傳動功率，4缸機(jī)的2根平衡軸也采用滾動軸承支承。

通過2根結(jié)構(gòu)相同的平衡軸的高度差，附加平衡二階慣性力矩。因其高度差比4缸老機(jī)型略小，所產(chǎn)生的交變力矩向低轉(zhuǎn)速方向移動，這對于靠近低速扭矩范圍內(nèi)的運(yùn)轉(zhuǎn)舒適性具有優(yōu)勢。

3缸和4缸汽油機(jī)采用相同的按特性曲線場調(diào)節(jié)體積流量的擺動滑閥式機(jī)油泵供應(yīng)機(jī)油，它與集成在同一個殼體中的真空泵組合成串聯(lián)泵布置在油底殼油池中，并由1根鏈條驅(qū)動，而發(fā)動機(jī)機(jī)油壓力則由1個比例電磁閥根據(jù)電控單元中儲存的特性曲線場按需進(jìn)行調(diào)節(jié)。在主油道上裝有1個組合式機(jī)油壓力和溫度傳感器，其信號可用于機(jī)油泵按特性曲線場進(jìn)行調(diào)節(jié)，以及熱管理系統(tǒng)。油底殼中的油位傳感器不斷監(jiān)測機(jī)油液面狀況。由塑料制成的機(jī)油濾清器模塊帶有整體式機(jī)油冷卻器。

在老機(jī)型的基礎(chǔ)上對Valvetronic可變氣門機(jī)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步的開發(fā)。為了移動偏心輪的位置，在氣缸蓋進(jìn)氣側(cè)的前側(cè)尋找位置，并集成在進(jìn)氣裝置罩殼中。通過進(jìn)一步開發(fā)進(jìn)氣門傳動機(jī)構(gòu)，使結(jié)構(gòu)空間明顯減小，而將進(jìn)氣凸輪軸與偏心輪互調(diào)位置，又明顯降低了結(jié)構(gòu)高度（圖4）。

新的中間桿和滑道位置減小了傳遞到氣缸蓋上的力，而滑道僅由1個螺釘固定在軸承座上，并通過氣缸蓋上的2個精密的定位面定位。中間桿回位彈簧支撐在氣缸蓋與軸承座之間，因而自身無需固定點。偏心軸的尺寸與進(jìn)氣凸輪軸一樣，而排氣凸輪軸則要通過1個三面凸輪驅(qū)動噴油系統(tǒng)的燃油高壓泵。

鏈傳動的驅(qū)動力通過2個凸輪軸相位調(diào)節(jié)器傳遞。凸輪軸相位調(diào)節(jié)器中的三翼式轉(zhuǎn)子執(zhí)行器使進(jìn)氣凸輪軸具有70oCA的相位角調(diào)節(jié)范圍，而排氣凸輪軸則具有60oCA的相位角調(diào)節(jié)范圍。將BMW公司為汽油機(jī)新開發(fā)的鏈傳動機(jī)構(gòu)布置在動力輸出端，曲軸向下通過后面的短鏈條驅(qū)動串聯(lián)泵（由機(jī)油泵與真空泵組合而成），向上驅(qū)動中間鏈輪。該中間鏈輪具有2道鏈軌（齒數(shù)為24/32），確保從曲軸（24齒）到凸輪軸相位調(diào)節(jié)器（36齒）的傳動比為2:1，從而減小相位調(diào)節(jié)器的直徑和降低發(fā)動機(jī)的結(jié)構(gòu)高度。中間鏈輪上方的正時傳動機(jī)構(gòu)驅(qū)動凸輪軸，而在2個相位調(diào)節(jié)器之間用螺釘固定在氣缸蓋上的鏈條導(dǎo)軌可防止鏈條跳動。中間傳動鏈和正時傳動鏈各有1條鏈軌。機(jī)油泵的鏈傳動機(jī)構(gòu)中未設(shè)導(dǎo)向或張緊裝置。

5增壓

BMW公司的新型發(fā)動機(jī)在增壓技術(shù)方面也具有首創(chuàng)之處，4缸機(jī)具有與排氣歧管連成整體的雙渦道渦輪模塊，這種結(jié)構(gòu)型式能確保2股廢氣流到渦輪為止可靠分開，這樣經(jīng)過怠速轉(zhuǎn)速后就能獲得更高的扭矩，同時又能進(jìn)一步挖掘瞬態(tài)響應(yīng)性能的潛力。為了使排氣歧管具有足夠的膨脹余地，并能安裝在緊湊的空間中，排氣歧管用可滑移的壓板法蘭緊固在氣缸蓋上。這種整體式雙渦道廢氣渦輪增壓器結(jié)構(gòu)型式不再采用水冷卻。

新型3缸汽油機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計則完全不同，其中在量產(chǎn)轎車上首次采用了熔模（泡沫材料）鑄造技術(shù)制成的水冷式全鋁廢氣渦輪增壓器。用可滑移的壓板法蘭將排氣歧管緊固在氣缸蓋上的這種結(jié)構(gòu)型式在設(shè)計上具有較大的自由度。通過昂貴的計算流體力學(xué)模擬，并與零件強(qiáng)度計算相結(jié)合，減少了壁面熱流。這種結(jié)構(gòu)型式雖然為冷卻花費(fèi)了額外的費(fèi)用，但既減輕了質(zhì)量，又獲得了顯著降低CO2排放的潛力。與不冷卻的鋼制廢氣渦輪增壓器相比，催化轉(zhuǎn)化器前的廢氣溫度明顯低于850℃，使催化轉(zhuǎn)化器的老化就像未使用過的一樣。

將渦輪模塊與氣缸蓋之間的分界面靠近氣缸蓋法蘭面，以便在BMW i8頂級車型上也能使用常規(guī)的鋼制廢氣渦輪增壓器用法蘭安裝在相同的氣缸蓋上。為了統(tǒng)一廢氣裝置在汽車上的裝配狀況，3缸和4缸機(jī)型的催化轉(zhuǎn)化器的法蘭位置相同（圖5）。

6熱力學(xué)、燃燒和噴油

在老機(jī)型的基礎(chǔ)上，新型標(biāo)準(zhǔn)部件汽油機(jī)進(jìn)一步開發(fā)了雙渦輪增壓燃燒過程，以滿足更為嚴(yán)格的廢氣排放法規(guī)要求，同時又能進(jìn)一步提高效率。因而缸徑比老機(jī)型縮小2 mm，即82 mm，并獲得了明顯較大的行程缸徑比，即1.15，這對于熱力學(xué)和摩擦而言都是最佳值。

圖6示出的燃燒室垂直剖面狀況表明，與老機(jī)型的燃燒過程相比，雖然縮小了缸徑，但活塞頂凹坑明顯較寬，與流量減小的多孔噴油器形成的寬廣的噴霧設(shè)計相匹配，在提高充量運(yùn)動的共同作用下，獲得了明顯改善的混合氣均質(zhì)化，從而實現(xiàn)了更為快速的燃燒，其中因多孔噴油器的額定流量減小，噴霧的貫穿深度已大大縮短。

此外，通過噴孔噴油量和噴射方向的分配優(yōu)化噴霧形成，能夠在催化轉(zhuǎn)化器加熱（涂層能力）方面的要求與熱機(jī)運(yùn)行狀態(tài)時的要求之間尋找到良好折中，同時也能將活塞與氣缸套壁面及進(jìn)氣門的潤濕減少到最低程度。而第2代可變氣門機(jī)構(gòu)在噴油方面能夠獲得更大的自由度，能在噴油器特性曲線更寬廣的范圍應(yīng)用到最小噴油量。這兩種措施對顆粒數(shù)排放產(chǎn)生極其有利的影響，再次明顯降低了整個特性曲線場范圍內(nèi)的顆粒數(shù)排放。

從圖7可以看出，在氣缸蓋密封平面的截面上，點火時刻的過量空氣系數(shù)λ的分布狀況與老機(jī)型相比已獲得了明顯改善，同樣火花塞的火花位置也從燃燒室移出了約2 mm，明顯降低了火花塞的熱負(fù)荷。

圖8示出了在發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速2 000r/min時指示負(fù)荷下的指示比燃油耗曲線。從圖8中看到，經(jīng)過進(jìn)一步開發(fā)，寬廣范圍內(nèi)的燃油耗最多可降低5 %。在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境邊界條件下，標(biāo)準(zhǔn)部件汽油機(jī)在額定功率范圍內(nèi)在化學(xué)計量比λ下運(yùn)行。

7熱管理

為了在對用戶具有重要意義的行駛范圍內(nèi)獲得低燃油耗，最佳的熱管理是現(xiàn)代發(fā)動機(jī)重要的組成部分。BMW公司在3缸機(jī)上尋找到了新途徑。新型熱管理的核心因素是水冷式“熱端”，即無論是排氣歧管還是渦輪都進(jìn)行冷卻，并與尺寸合適的機(jī)油冷卻器相組合，為暖機(jī)運(yùn)行階段加速機(jī)油升溫獲得了附加的加熱功率，從而使新歐洲行駛循環(huán)的溫度最多可提高19℃。機(jī)油冷卻器被集成在冷卻液循環(huán)回路中，并用從氣缸蓋出來的冷卻液進(jìn)行冷卻。

冷卻液泵采用皮帶傳動的機(jī)械式水泵。因采取了永久傳動方式，在與柴油機(jī)通用的同時，充分利用了冷卻“熱端”的優(yōu)點。在冷卻液泵殼體中還集成了1個可電加熱的按特性曲線場調(diào)節(jié)的節(jié)溫器，調(diào)節(jié)發(fā)動機(jī)進(jìn)水溫度。冷卻液首先沿氣缸體曲軸箱排氣側(cè)流動，流入氣缸蓋后，冷卻液分別被分配到氣缸蓋中熱負(fù)荷高的部位和“熱端”進(jìn)行冷卻，其中流入氣缸蓋的一部分冷卻液直接拐彎流向排氣區(qū)域和排氣門之間的鼻梁部位，而冷卻液的主要體積流量則經(jīng)過氣缸蓋流入“熱端”區(qū)域，即冷卻排氣歧管和廢氣渦輪增壓器的渦輪，然后返回到氣缸蓋。冷卻液橫向流經(jīng)氣缸蓋和“熱端”，并在進(jìn)氣側(cè)返回到氣缸體曲軸箱，再流入通往散熱器的管道。圖9示出了具有水冷式“熱端”的3缸汽油機(jī)機(jī)內(nèi)冷卻液的走向。

8汽車集成

設(shè)計新發(fā)動機(jī)標(biāo)準(zhǔn)部件時，將其統(tǒng)一集成到同樣新開發(fā)的橫置式前驅(qū)動汽車平臺上的接口。若進(jìn)行模塊化設(shè)計，則其組成部分是新的發(fā)動機(jī)標(biāo)準(zhǔn)部件，具有統(tǒng)一的連接到冷卻標(biāo)準(zhǔn)部件、進(jìn)氣空氣管路和廢氣裝置的接口，因而減輕了汽車裝配車間的工作復(fù)雜性，而且這種模塊化設(shè)計方案也成為外圍設(shè)備廣泛確定尺寸的基礎(chǔ)。此外，在發(fā)動機(jī)系列設(shè)計中，還要考慮到新車型在行人保護(hù)方面的要求，以及優(yōu)化發(fā)動機(jī)艙內(nèi)的熱管理。

9燃油耗

通過不斷開發(fā)燃燒過程和增壓技術(shù)，改善暖機(jī)性能，并應(yīng)用水冷式排氣歧管，減少摩擦，以及優(yōu)化進(jìn)氣空氣管路、增壓空氣冷卻和廢氣裝置等，同時配裝手動變速器的3缸汽油機(jī)的CO2排放能降低16 %，若配裝自動變速器，則最多能降低28 %，同時最高車速能提高7 km/h或13 km/h。即使是用戶實際使用燃油耗，新型3缸汽油機(jī)也顯示出明顯優(yōu)勢，因為應(yīng)用了水冷式廢氣渦輪增壓器，能夠在整個特性曲線場范圍內(nèi)以化學(xué)計量比運(yùn)行。而新型4缸汽油機(jī)因具有較高的進(jìn)氣動量而明顯改善了瞬態(tài)響應(yīng)性能，在配裝手動變速器的情況下，其CO2排放能達(dá)到與老機(jī)型相同的水平，若配裝新的自動變速器系列，則最多能降低18 %。

10功率和扭矩

圖10示出了新型3缸和4缸汽油機(jī)的全負(fù)荷特性曲線。1.5 L 3缸汽油機(jī)的功率型譜覆蓋了從用于Mini轎車的100 kW到BMW i8運(yùn)動型轎車的170 kW，升功率為67～113kW/L。

3缸發(fā)動機(jī)動力總成的扭矩也具有相應(yīng)的跨度，從用于Mini轎車的220 N·m到BMW i8運(yùn)動型轎車的320 N·m。新型Mini轎車的低速扭矩點位于1 250 r/min，與新設(shè)計的變速器相組合，進(jìn)一步降低了對用戶具有重要意義的燃油耗，并提高了行駛舒適性。

4缸汽油機(jī)首次功率被設(shè)置在141kW，作為Mini轎車的橫置式發(fā)動機(jī)，扭矩為280 N·m，與3缸機(jī)相似，從發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速1 250r/min起就能達(dá)到大扭矩。

與Mini轎車上的老機(jī)型相比，配裝采用新自動變速器系列、功率和扭矩提高的新機(jī)型，使Cooper S型轎車達(dá)到了明顯更佳的行駛性能，配裝手動變速器后， 0～100 km/h的加速時間減少了0.2 s，配裝自動變速器后則減少了0.5 s，而配裝手動變速器的車型80～120km/h的加速時間縮短了0.6 s，最高車速提高了8 km/h或10 km/h。通過改進(jìn)燃燒過程，并且，不斷優(yōu)化進(jìn)氣管路、增壓空氣冷卻和廢氣裝置范圍內(nèi)的充量更換，使發(fā)動機(jī)的加濃需求限制在最小值，即λ=0.94。此外，新型4缸汽油機(jī)也盡可能采用化學(xué)計量比λ運(yùn)行。

在Mini Cooper 型轎車上，所有項目均實現(xiàn)明顯改善，通過換裝新型3缸汽油機(jī)，配裝手動變速器的車型0100 km/h的加速時間減少了1.2 s，而配裝自動變速器的車型則減少2.6 s，其中配裝手動變速器的車型80～120 km/h的加速時間減少2.8s。

11降低廢氣排放

與老機(jī)型相比，通過進(jìn)一步開發(fā)燃燒過程，新機(jī)型的原始排放顯著降低，并且，優(yōu)化了近發(fā)動機(jī)催化轉(zhuǎn)化器中的流動及其位置，增壓器廢氣放氣閥采用電動調(diào)節(jié)器，以及改進(jìn)暖機(jī)策略，無須改變發(fā)動機(jī)零件就能可靠滿足全球最嚴(yán)格的廢氣排放法規(guī)要求（歐6、超級排放車和特超低排放車）。此外，新型3缸汽油機(jī)使用水冷式排氣歧管明顯降低了近發(fā)動機(jī)布置的催化轉(zhuǎn)化器的熱負(fù)荷，從而明顯減輕了催化轉(zhuǎn)化器的老化。

12結(jié)語

BMW公司將應(yīng)用全新發(fā)動機(jī)標(biāo)準(zhǔn)部件的新型3缸和4缸汽油機(jī)投放市場。除了BMW公司可靠的雙動力渦輪增壓技術(shù)、缸內(nèi)汽油直噴、全可變氣門機(jī)構(gòu)和廢氣渦輪增壓器之外，還應(yīng)用了諸如3缸機(jī)上的水冷式全鋁“熱端”等全新技術(shù)。將新型汽油機(jī)首次配裝于Mini轎車，以及額定功率為170 kW的3缸汽油機(jī)頂級機(jī)型配裝于BMWi8運(yùn)動型轎車一起投放市場。今后將開發(fā)結(jié)構(gòu)設(shè)計相同的6缸汽油機(jī)以完善新發(fā)動機(jī)系列，并將配裝于BMW公司所有車型上。