BMW公司新型4缸2.0 L增压直接喷射汽油机

【德】 Steinparzer F Klauer N Kannenberg D Unger H

1 4缸机替代6缸机

BMW公司全球在售轿车发动机的功率范围主要在130～200 k W之间。迄今为止，汽油机的功率范围被6缸自然吸气发动机所覆盖。这一机型在BMW公司内部已被验证，是一种十分成功的机型。因此，长期以来，该6缸自然吸气汽油机是BMW公司发动机品种中全球销量最大的机型。该系列汽油机始终能够令人信服，不仅是因其运行平稳性被不断改善，而且与其他竞争机型相比，其燃油耗非常低。

确实，BMW公司在实施双涡轮增压项目的过程中，不仅在6缸机上，而且在小型4缸Mini直接喷射汽油机上都应用了全可变气门机构和涡轮增压，并已投放市场，这是涡轮增压汽油机提高效率和有效功率的必由之路。现在，这些技术已被用于新型2.0 L汽油机，并将其扩展到了BMW公司产量最大的功率区段。同时，这一新机型继承了6缸增压汽油机可靠性好的结构特点，例如双涡轮增压燃烧过程（可变气门机构涡轮增压直接喷射）、双流道增压技术和全铝结构型式等，这些技术组合形成了全新的技术。于是，BMW公司成了全球首家在量产发动机上应用金属线材电弧喷镀（LDS）气缸套涂层的制造商。

2 目标设定

为了满足未来全球不断收紧的排放法规限值要求，发动机的效率应更高，结构更紧凑轻量，功率更为强劲。针对新机型的开发提出了一些要求，因此在设计任务书上也相应确定了以下目标：（1）顶级机型的升功率要达到90 k W；（2）在稍高于怠速的低转速区域能达到较大扭矩，即低端扭矩；（3）其瞬态加速性与功率相同的自然吸气发动机相比，应具可比性；（4）不仅在法定试验循环中，而且在用户实际使用中，燃油耗都较低；（5）具有满足包括超低排放汽车在内的全球最苛刻废气排放标准限值的潜力；（6）采用铝气缸体曲轴箱和创新气缸工作表面技术的轻量化结构型式；（7）通过优化基本型发动机和应用最佳的摩擦副设计，达到最小的曲柄连杆机构摩擦；（8）沿用BMW公司高效动力学组合的节油措施；（9）采用2根平衡轴高度有偏差的质量平衡机构，以及提高运转均匀性的附加措施，以获得最佳的运行平稳性；（10）在BMW公司整个汽车型谱中，配装上具有良好的兼容性；（11）适合于所有全轮驱动车型；（12）可在BMW公司生产组织中进行互换和集成。

3 发动机方案

2.0 L的新型4缸汽油机在135～180 k W范围内被分成多档功率等级，所有变型均采用相同的基本型发动机方案，其特点是尺寸非常紧凑，质量轻，并具有非常高的静态和动态刚度。图1示出了该机型的纵横剖视图。燃烧室采用4气门技术、中央布置的喷油器及火花塞，并采用横向换气方式，新鲜空气从发动机左侧输人，而废气从发动机右侧排出。除了电动水泵之外，所有的辅助设备都位于发动机左侧，因此，发动机右侧为废气涡轮增压器和近发动机的催化转化器提供了尽可能大的布置空间。

就发动机的基本外形尺寸而言，多年来，BMW公司的直列式汽油机单缸排量均为0.5 L，缸心距均为91 mm，燃烧室最高燃烧压力为13 MPa。因此，它为这一系列发动机进一步提高功率提供了足够的储备。表1列出了新型汽油机的主要技术规格。

4 气缸体曲轴箱

表1 新型汽油机的主要技术规格

压铸铝气缸体曲轴箱被设计成带有从曲轴中心剖分的床板式主轴承座框架结构型式（图2），上下2部分均采用AlSi9Cu3铝合金压铸而成，并且在主轴承座框架中镶铸钢轴承镶套，起到加强作用，而曲轴轴承中心相对于气缸轴线偏移14 mm，曲柄连杆机构的错位能够减小活塞在膨胀作功行程期间的侧向力。为了加强气缸之间鼻梁区域的冷却，分别设计了双V形冷却液钻孔。

将LDS涂层技术应用于气缸工作表面，在量产发动机上尚属首例。在事先经过预处理的气缸工作表面上，用电弧喷镀1层比灰铸铁气缸套薄约0.3 mm的铁基合金。在预处理工作表面时，采用高压喷射乳化液的方法使其表面粗糙，而且重复进行多次，以使喷涂层彼此间机械贴合得更为牢固。与灰铸铁气缸套相比，这种技术的主要优点是质量较轻，散热较好，而且能为气缸间鼻梁区有针对性的冷却提供更大的空间。

5 气缸盖、配气机构和燃油供给系统

气缸盖（图3）由AlSi7MgCu0.5铝合金用重力金属模浇铸而成，紧接着进行热处理，以提高强度。由于气缸盖中的冷却水套设计得较靠近火力面，因而须对临界范围内的冷却液流动进行优化计算，之后能够十分有效地减轻燃烧室顶部的热负荷。凸轮轴和偏心轴轴承座被铸成一体。

链传动机构的布置及其大部分零件，包括Valvetronic可变气门机构伺服电机在内的气门传动机构部件，以及喷油器和火花塞，原则上仍沿用市售6缸涡轮增压汽油机所用的部件[1]。

凸轮轴是组合式的，并附带了传动式高压燃油泵和真空泵。凸轮轴相位调节器是一种液压叶片式调节器，进气凸轮轴的相位调节角度为70°，而排气凸轮轴的相位调节角度为55°，其控制用的4/3路电磁阀被集成在凸轮轴中心紧固螺栓中。

高压燃油系统基本上由高压燃油泵、共轨、高压油管和喷油器等部件组成。系统压力按特性曲线场进行调节，最高系统压力为20 MPa。高压燃油泵是单柱塞泵，并直接由排气凸轮轴上1个三凸起凸轮驱动。喷油器由电磁阀执行器控制，并配装了孔径为0.2 mm的6孔喷油嘴，其特点是喷油量非常小且恒定不变。

6 曲柄连杆机构

5道轴承支承的曲轴由C38mod BY合金钢锻造而成，并具有4块平衡重。主轴颈和连杆轴颈的直径均为50 mm，所有的轴颈均经感应淬火。轴向止推轴承位于第2缸和第3缸中间，且做成180°轴承型式。为了将摩擦和轴承磨损降低到最低程度，所有的轴颈均经抛光。主轴承为二元合金轴承，而为了与发动机起动-停车系统组合，确保在发动机使用寿命期内可靠运行，连杆轴承必须采用5层结构型式。连杆同样也是锻制而成，其小头孔中镶有卷制的青铜衬套，该衬套孔经精加工成型，并被冷压人连杆小头孔。

对铸铝活塞的第1道活塞环槽进行了硬化阳极化处理。活塞环组由第1道矩形环、第2道鼻形环和第3道刮油环组成。为了将曲柄连杆机构的摩擦减至最小，选择了尽可能小的活塞环张力，并且活塞裙部涂有减小摩擦的涂层。根据功率等级的不同，选用了2种压缩比方案，高功率机型的压缩比为10.0，而低功率机型的则为11.0。

同时注意到在模型3的控制变量中,研究生毕业学校等级对研究生的学术水平有显著的正向影响,这表明从统计学意义上来讲,国家重点院校对研究生学术水平的影响要显著高于其他一般普通院校,这与我们的经验也是比较吻合的。但是当模型中引入研究生学术感知力变量时,控制变量对研究生学术水平的影响并不显著。

7 机油泵和质量平衡机构

发动机润滑机油通过1个体积流量可调的摆动滑阀式机油泵供给，该机油泵与质量平衡模块作为1个整体单元布置在发动机油底壳中，并由曲轴前端通过1根噪声极低的齿形链条传动。质量平衡机构的结构和功能将在后文予以详细介绍。发动机的机油压力由1个电磁阀根据每个运行工况点的需求进行调节，因此明显减少了驱动功率。

8 气缸盖罩、曲轴箱通风和机油分离

由塑料制成的气缸盖罩不仅承担密封功能，而且还集成了曲轴箱通风和机油分离装置。同涡轮增压汽油机的情况一样，曲轴箱通风通常经过2种途径返回到气缸中：部分负荷时在节气门后直接进人气缸盖进气道；而在较高负荷，亦即较高增压压力时，则返回到废气涡轮增压器压气机叶轮前的进气空气管中。

为了在各种使用场合，包括使用临界品质燃油的市场或极端气候情况下，在整个机油更换周期中确保良好的机油品质，发动机应配备曲轴箱通风装置，确保始终有新鲜空气流过曲轴箱，以避免凝结物沉积在发动机机油中，从而有效地预防机油品质的恶化。

9 发动机机油循环回路

发动机机油循环回路示于图4，由布置在油底壳后部的摆动滑阀式机油泵供给机油。机油泵后的机油先通过1个板式机油冷却器，然后，再经过直接布置在主油道前的机油滤清器供给发动机润滑，并有针对性地将润滑机油供给用于活塞冷却的喷嘴、链传动机构（包括伺服电机齿轮在内的Valvetronic全可变气门机构的运动件），以及排气凸轮轴等。

在主油道上安装了1个组合式机油压力-温度传感器，其压力信号用于按发动机特性曲线场调节的机油泵，而机油温度则输人发动机电控系统的发动机热管理协调器中。为了实时监测机油状况，在油底壳中布置了1个热机油液面传感器，使驾驶员能随时通过仪表盘知晓实时机油状况，并在机油太少时收到相应的报警。

10 冷却液循环回路

冷却液循环回路（图5）同样由电控单元的发动机热管理协调器根据需要进行调节，而冷却系统中的电动冷却液泵、按特性曲线场调节的节温器和电动风扇都用作调节装置，这样能按预先规定的要求，在每种运行状态下，将发动机调节到最佳的运行温度。为了能对突变负荷作出快速的反应，将按特性曲线场调节的节温器布置在发动机冷却液进口处。电动冷却液泵既能在发动机暖机期间完全停止工作，又能在发动机全负荷运行停机后继续承担起废气涡轮增压器空转时其轴承部位的冷却任务。

11 增压和排气后处理

为了获得类似自然吸气发动机的理想瞬态性能，废气涡轮增压器和排气管的设计十分重要，按BMW公司的惯例，总是将换气相互干扰的气缸间的排气流分开。为了在涡轮中有效地将排气分流，将增压器涡壳到涡轮叶轮的废气涡道相应分开，做成双流道涡轮增压器。同时，将排气管设计成具有中空隔热层的双层薄钢板结构型式，以确保能尽量减少从排气门到增压器涡轮管路段的废气能量损失。

增压器涡轮壳中的废气放气阀旁通道被设计得非常短，这样，在对废气净化起关键作用的催化转化器加热运行时，其废气中的热量就能高效地抵达近发动机布置的整体式催化转化器。废气放气阀由1个尺寸规格较大的真空膜盒气动操纵。为了避免在自发卸载时造成不希望出现的泵吸效应，在压气机侧集成了1个空气循环滑阀。催化转化器靠近发动机布置，并采用两级串联式结构型式：第1级是孔密度为600 cell/in2①为了符合原著本思，本文仍沿用原著中的非法定单位——编注。的高密度整体式蜂窝载体，而第2级则采用孔密度为400 cell/in2的整体式蜂窝载体。为了进行调节和车载诊断检测，在催化转化器进口喇叭口处设置第1个氧传感器，在2个整体式载体之间的催化转化器筒体上布置第2个氧传感器。废气端的总体布置结构型式示于图6。

12 发动机功率

如图7所示，采用双涡轮增压技术后，达到了极其丰满的扭矩特性曲线，尤其是在非常低的发动机转速（1 250 r/min）时就能提供最大扭矩350 N·m。与排量3.0 L的6缸自然吸气汽油机相比，在可供使用的扭矩方面，特别是低转速扭矩的优势尤为明显。在5 000 r/min时，最大功率达到180 k W。

由于采用了双涡轮增压技术，几乎完全避免了众所周知的“涡轮穴”（即涡轮增压器响应迟缓）弊病。这种非常快速的加速响应性能是通过多项措施达到的。由于采用了气门控制全可变气门机构，消除了通常进气时空气充满进气总管可能产生的停顿时间。因为是通过调节进气门开启来控制负荷的，所以能无时间滞后地提高气缸的充气程度，从而提高了发动机的输出扭矩。

此外，通过采用全可变气门机构，有可能减小自然吸气发动机全负荷范围内的进气门升程，实现气缸中的残余废气份额最少，同时充气效率（换气结束后在气缸中保留的新鲜充量）又最高。在增压范围内，低转速时运用凸轮轴相位调节器进行相应调节，可利用扫气压力差（进气压力高于排气背压）将残余废气从气缸中清扫出去，而加大的废气质量流量又为废气涡轮提供了相应较高的能量，从而为压气机产生了较大的驱动功率[3]。

从图8清晰可见，与无气门控制的全可变气门机构并采用单流道涡轮增压器的常规发动机相比，当负荷突变时，采用双涡轮增压技术后，在扭矩提升方面具有明显的优势。在负荷突变后，双涡轮增压发动机达到最大扭矩要比常规发动机快40%以上。新型4缸汽油机将理想的低转速扭矩输出与快捷的加速响应性能相结合，能在非常低的转速下不受限制地运行。

13 燃油耗

虽升功率（90 k W）和升扭矩（175 N·m）都较高，但仍实现了10.0的高压缩比，这是达到低燃油耗的基础，而在降低功率的机型上，压缩比甚至达到了11.0。另一方面，借助于气门控制的全可变气门机构实现了进气门无级调节，并可消除换气节流，而且因部分负荷时进气门升程较小，可减少摩擦功。这些改进燃烧过程的措施与按特性曲线场调节的机油泵、电动冷却液泵，以及降低摩擦等其他改进措施相结合，能使发动机在整个特性曲线场内获得非常低的燃油耗[4]。

此外，采用双涡轮增压技术的组合方案，在低转速时具有提高扭矩的潜力，以及响应较快的加速性能，使低转速下的行驶成为可能，特别是在结合采用8档自动变速器和大后桥传动比的情况下，能使用户在燃油耗非常低的特性曲线场工况点行驶。通过特性曲线场中燃油耗的改善和运行负荷工况点的移动，根据车型和变速器类型的不同，可以获得比老车型燃油耗低约15%的效果。图9示出了要达到的高效动力学目标。采用双涡轮增压技术的新型4缸汽油机，无论在经济性上，还是在加速性上，都明显优于原先的6缸自然吸气汽油机。

14 振动和噪声

因为新型4缸汽油机要替代以运转平稳性而著称的6缸汽油机，因此特别关注其振动和声学性能。除了采取许多针对性措施（例如加强床板式主轴承座框架、分隔式燃油共轨和喷油器密封阀元件）之外，还首次采用了高度有偏差且平衡重不对称配置的双平衡轴。由于直列4缸汽油机存在二级自由惯性力和惯性力矩，故面临特殊的挑战。借助于双平衡轴能够完全平衡自由惯性力（图10）。通过2根平衡轴的高度偏差同样可以平衡惯性力矩，通过高度偏差产生力矩，从而抵消曲轴连杆机构的自由惯性力矩。

新型4缸汽油机采用了一种创新的方法，以此达到优化惯性力矩的平衡效果。由于2根平衡轴位置的高度偏差在结构上受到限制，因此将2根平衡轴的平衡块不对称布置，这样能改善平衡轴对惯性力矩的平衡效果。因平衡块质量的不同所产生的另一个平衡力矩附加到由高度偏差所产生的平衡力矩上，于是形成了较大的力矩，这相当于采用了1个平衡效果较大的高度偏差，而惯性力的平衡则保持不变。高阶惯性力矩的平衡明显降低了振动水平，特别是在低负荷运行范围内。因此，即使在发动机最高转速范围内，用户在汽车上也能感觉到高速运转柔和性[5]。

15 结语

新型2.0 L 4缸涡轮增压汽油机成功地将优异的扭矩特性和高升功率与低燃油耗和出色的振动噪声性能相结合。这种非常紧凑的高刚度基本型发动机结构结合采用全可变气门机构、缸内直接喷射和双流道增压器的双涡轮增压技术，为其性能奠定了良好的基础。BMW公司用这种新型汽油机进一步降低了轿车的平均燃油耗，即使在全球排放法规限值进一步收紧的情况下，也能确保满足废气排放标准的要求。