BMW与PSA联合开发的四缸汽油发动机技术介绍(二)

◆文/浙江 范明强

范明强 (本刊编委会委员)

教授级高级工程师，参加过陕西汽车制造总厂的筹建工作，主管柴油机的产品开发；1984年调往机械工业部无锡油泵油嘴研究所，曾任一汽无锡柴油机厂 、第一汽车集团公司无锡研究所高级技术顾问、湖南奔腾动力科技有限公司总工程师。

(接上期)

6.模块化辅助设备传动机构和热管理

原则上，辅助设备传动机构的使用寿命最短设计为240 000km，它们被分成两个相互独立的功能模块，分别适用于各自的发动机型及其配套车型。

模块1由一根长度为905mm的6筋三角皮带传动，如图10所示。发电机功率在150A以下可以取消附加的导向轮，而在无空调压缩机的发动机上可以取消张紧轮，发电机的传动则仅由一根长度为648mm的实心皮带来实现。因首次应用了单臂扭簧张紧器，所以它使所有型号的发电机都能够直接固定在汽缸体曲轴箱上，缩短了发动机长度。

图10 辅助设备传动机构模块

模块2通过一个由曲轴传动皮带背面的中间摩擦轮来实现冷却水泵的传动。在增压机型上，该中间摩擦轮始终处于啮合状态，而在自然吸气发动机上，该摩擦轮固定在一个悬臂上。通过一个电控偏心轮机构可改变这个摩擦轮的位置，另外可以用纯机械方法确保中间摩擦轮与曲轴传动皮带背面之间必要的压紧力或者脱开传动。在暖机阶段可使中间摩擦轮脱开传动，因而能够主动参与发动机的热管理，冷却水泵脱开传动可以使得发动机机油热得更快些，并能够降低摩擦功率。应用可接合/分离的冷却水泵并按特性曲线场脉谱图控制冷却可实现连续的热管理，这在此种类型发动机上绝对是新颖的，且对降低燃油耗和CO2排放作出了重大的贡献。冷却水泵的这种传动方式使得作用在水泵上的静态和动态力要比通常的三角筋条皮带传动低许多倍，因此水泵壳能够用塑料制成，水泵轴的支承也能够简化。

7.摩擦功率

该汽油机对于每个子系统都预先确定了专门的摩擦功率目标。在所有部件的开发中都仔细地进行了摩擦功率试验，对出现的目标偏差进行分析，并采取了改进措施。虽然发动机的技术比较复杂，但是从总体上来说，该机的摩擦功率较低，优于平均水准，对达到燃油耗目标作出了重要贡献。

曲柄连杆机构是发动机摩擦功率的最大消耗者，因此改善这些部件的摩擦对整台发动机摩擦性能的影响是最大的。曲轴的设计总是在较小的轴承直径、足够的曲轴刚度和无懈可击的性能之间寻找最佳的折中。因此，已将所有功率等级机型的主轴承直径从50mm减小到45mm。活塞环组也经过不断地优化，整套活塞环组的最大切向力降低到40N就表现出非常有利的效果。所有这些措施使得曲柄连杆机构机构的摩擦功率处于分布带的下端，如图11所示。而飞轮的不平衡会对摩擦功率产生另一种影响，因此已通过减小飞轮不平衡度的最大容许公差来限制这种影响。

图11 自然吸气机型曲柄连杆机构摩擦功率的改善效果

两种气门机构功率消耗的比较表明：

(1)由于自然吸气机型所用的全可变气门机构全部采用了滚针轴承，因此即使其运动件的数目明显较多，但是在最大气门升程时其摩擦功率消耗还是处于较好的水平；

(2)在最小气门升程时其消耗的摩擦功率还能再减小多达25%。用户行驶运行工况时间最多的负荷区间处于怠速与部分负荷之间的范围内，因此较大的节油效果也是在该负荷工况范围内获得的。

通过零件持续不断地优化，已将全可变气门机构因工作原理所决定的较大的摩擦功率降低到了可接受的水平，如图12所示。

图12 两种机型包括链传动在内的气门机构摩擦力矩

为了使自然吸气机型所采用的进排气双凸轮轴相位调节器能快速地响应，必须在最高容许机油温度下即使在怠速运行时也能提供足够高的机油压力。在初期设计阶段，曾应用过一种压力可调节的机油泵方案，它能在泵油量与功率消耗之间获得可接受的折中，但是为了在接近怠速的运行范围内能达到泵油量的目标值，则必须应用尺寸明显较大的机油泵，如图13所示，因此决定选用体积流量可调式机油泵。从图13中可清楚地看出，从2 000r/min转速起其消耗的功率大大降低，通过诸如精细地调整齿轮组等其他一些措施还能将2 000r/min转速基准点的功率消耗降低大约30%。暖机运行时，在发动机机油粘度较高的情况下，即使在低转速时，通常体积流量可调式机油泵也明显占优势，因此不仅在用户实际运行中，而且在欧盟燃油耗试验循环中燃油耗也降低了。

图13 两种机型体积流量可调式机油泵的节油潜力

一个由发动机电控系统控制的摩擦轮能按需要来操纵冷却水泵是否运转使用，这在此种等级发动机中是独一无二的创新，因此在明显缩短的暖机期间，冷却水泵的机械和液压功率都不消耗了。冷却水泵传动轮橡胶涂层的改进以及使用一个封闭的传动摩擦轮进一步降低了高转速下辅助设备传动的摩擦力矩约20%，如图14所示。

图14 两种机型皮带传动及其辅助设备无载荷时的功率消耗

将泵吸损失降低到最低程度是另一个重要的开发目标。泵吸损失可被理解为气动功，这是跟随活塞移动的空气体积所必需消耗的功。因为在转速较高时泵吸损失才有明显的改善，如图15所示，因此只有在功率需求较高时所减少的泵吸损失才显示出明显的优势。虽然汽缸体曲轴箱和汽缸盖上的空间位置情况非常紧凑，但还是获得了较大的开放式的曲轴箱通风截面以及汽缸体曲轴箱与汽缸盖之间的连接(参见图4、图5)。采取措施所得的综合效果使得高转速时的泵吸损失降低了11Nm或者90%以上。

图15 两种机型在最高机油液面时的泵吸损失

整机无换气时的摩擦力矩图线可以清楚地看到，广泛的机械改进取得了良好的效果，如图16所示。在2 000r/min转速基准点上摩擦力矩降低了15%，而在较高的转速时摩擦力矩的降低甚至达到了30%。若将降低的泵吸损失一起考虑在内的话，所有改进措施使摩擦平均压力降低了足有50%。

图16 自然吸气机型无换气时的摩擦力矩

三、试验结果

以下介绍所达到的有关动态性能、效率和排放方面的试验结果。1.70kW和88kW标定功率机型

(1)动态性能

BMW公司Mini轿车从来就是以其灵活性给人留下深刻的印象，特别是良好的加速性和发动机运转平稳性相结合，其灵活性发挥得更加淋漓尽致。在两种自然吸气机型上，通过采取一系列的技术措施达到了相应的要求。

整个进气系统在更大范围内减少节流损失应从汽车前端的设计着手，包括减少进气口的气流损失，优化初始进气管、空气滤清器和清洁空气管中的流动。进气装置满足了苛刻的结构空间要求，并配备了一个谐振箱，其容积及其在整机总布置上的连接通过一维和三维相结合的换气计算进行了仔细的优化，因此在低转速时获得了连续丰满的扭矩特性曲线。用消失模铸造的汽缸盖具有较高的表面质量，再加上充气效率优化的进气道设计，为实现高的功率目标提供了另一个重要的前提条件。昂贵的进气道造型不仅确保其获得了出众的充气效果，而且在冷启动和暖机阶段获得了较低的原始排放。

分缸配置的钢排气歧管的每根分管长度为300mm，对提高低速扭矩起到了明显的作用。废气装置带有中间消声器，其容积、结构和位置都针对换气进行了精细的优化，具有较低的排气背压，同样对低速扭矩的提升和达到功率目标做出了重要的贡献，同时形成了Mini轿车特有的声音，有助于改善驾驶的动态感受。

所有改进措施组合起来为实现全负荷目标奠定了基础。1.4L机型的最大扭矩达到140Nm/4 000r/min，最大功率达到70kW/6 000r/min，而1.6L机型的最大扭矩达到160Nm/4 250r/min，最大功率达到88kW/6 000r/min，并且在2 000r/min时扭矩就已能达到140Nm。这两种机型的比扭矩都已达到了100Nm/L，为该等级的轿车树立了新标杆，如图17所示。

(2)效率

新动力总成低的燃油耗不仅为用户提供了较高的使用经济性，而且尽到了环保和社会责任。11.0∶1的压缩比为获得良好的效率奠定了基础。可变进气门升程在部分气门升程时升程曲线前沿没有缓慢的斜坡段，使其换气的泵吸功比用节气门调节负荷的发动机明显降低。双气门导气屏和配气相位调节获得了非常良好的废气兼容性和燃烧稳定性，从而在宽广的部分负荷范围内能够以较大的气门重叠角和较高的废气再循环率运转。由于进气门座圈上的导气屏的导向作用，在燃烧室中产生滚流运动，而在中等气门升程时，同一个汽缸中的两个进气门开启的相位差产生了附加的涡流成分，其组合效果使得在点火时刻的涡流水平足以保证混合汽获得很短的着火滞后期和高的燃烧速度。火花塞在电极几何形状和耐久性等方面也针对燃烧过程的要求进行了专门的匹配调整。摩擦优化的基础发动机和流量可调式机油泵、按特性曲线场脉谱图控制的节温器以及可接合/分离的冷却水泵配备成了高效的公共平台。

图17 88kW机型全负荷性能与同类竞争机型的比较

新的自然吸气机型在热态运转时的燃油耗特性曲线场在同类竞争机型中是最佳的，如图18所示。在FEV公司统计的燃油耗分布带中示出了88kW机型的最低有效燃油消耗率和在n=2 000r/min，We=0.2kJ/L负荷工况点的有效燃油消耗率，这样低的燃油耗已达到了喷束引导缸内直接喷射稀薄燃烧过程才能达到的水平。

MiniOne轿车的欧洲试验循环燃油耗为5.3L/100km，而MiniCooper轿车则为5.4L/100km，这相当于比老车型降低了22%。同时，所应用的技术确保了在全球范围内，在整个特性曲线场较高的负荷工况时具有相似的节油效果，并几乎与当地的燃油品质无关。所有汽车的燃油耗数据都是指从2007年8月起的车型，它们都具有自动启动、停车功能，制动能量回收和换挡点指示等功能。

(3)排放

新动力总成的设计能够满足全球所有重要的废排放法规(EU4、JLEV2005、ULEVⅡ)。降低原始排放、提高启动与暖机时的废气温度、提高废气后处理装置的起燃速度以及提高疲劳强度等各种改善发动机方面的措施对于有效地达到目标要求是具有决定性作用的。

图18 88kW机型有效比燃油耗与同类竞争机型的比较

其中自然吸气机型的全可变气门机构，由于改善了部分气门升程时的充气效果和小气门流通截面时的混合汽形成效果，因此给降低试验循环中的原始排放提供了最佳的前提条件。另外喷油器已针对雾化质量和油束喷射方向进行了精细的优化，且由于采用了双气门导气屏和配气相位调节的措施，所以获得了高的燃烧稳定性，且这能确保混合汽能够实现稀薄燃烧及获得高的废气温度、质量流量，而原始排放优化的燃烧室几何形状使得燃烧方面的措施更加完备。

在排气方面采取的措施是采用了热容量较小的钢管排气歧管，在全负荷热应力场和催化器快速起燃之间获得了最佳的折中。在设计这种排气歧管时特别重视使催化器后的连续变化型λ传感器能够迅速起作用，而排气歧管及其进入催化器的喇叭口的造型设计为λ传感器恰当的信号特性和催化器的稳定效果奠定了基础。近发动机催化器配备了一个总容积为1.34L的目数较多的蜂窝状载体及其抗老化的涂层，并具有较小的压力损失。总的来说，为满足欧洲和日本的排放法规提供了一个有效且成本非常有利的废气后处理系统，其贵金属的用量极少。

为了满足美国加州法规对排放限值和诊断的苛刻要求，ULEV-Ⅱ机型(88kW)还必须在汽车底板下附加一个容积为0.95L的催化器。