BMW与PSA联合开发的四缸汽油发动机技术介绍(三)

2017-03-27浙江范明强

汽车维修与保养 2017年12期

关键词：催化器火花塞机型

◆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2017年第10期)

2.128kW标定功率机型

(1)动态性能

搭载标定功率为128kW，5000 r/m in机型的M in iCoope rS级轿车是目前顶级功率的车型。即使其具有80kW/L较高的升功率，但是在1 600r/m in转速时就已达到了240Nm最大扭矩，因此该车以其低速范围内的强劲动力和驾驶灵活性令人折服。由于其具有足够的动力储备，在日常行驶时即使在环境温度高和燃油品质较差时仍能确保必要的动力性能，这使得M in iCoope rS级轿车更显示出其优势。

应用双涡道废气涡轮增压器、短的进排气门配气相位、单个进气凸轮轴相位调节器与低速时有利的扫气策略相结合以及不易爆震的稳定的燃烧过程是达到开发目标的重要因素。短的排气门配气相位与排气质量流量通过双通道导入涡轮相结合提高了涡轮效率，明显有助于提高其响应特性。进气相位的设计与四缸排气分成两组进入涡轮相结合使得自然吸气发动机获得了较高的基础扭矩，并加快了增压器转速的提升。借助于缸内直接喷射，低速时汽缸前后的正扫气压差能够转化成化学计量成分的废气，废气质量流量也相应增大，使得增压器在低速时就能够建立起增压压力，从而在1600 r/m in时就达到了240Nm最大扭矩，同时驾驶员在1700～5000 r/m in范围内能够利用增压器的超增压功能来提高动态性能，使得扭矩在短时间内能提高20Nm(图19)，图19中彩色粗线条示出了与其他发动机相比所显示出的优势，特别是低速时的稳态扭矩。

(2)效率

与功率相同的自然吸气发动机相比，增压机型在平常运行时总是将运行工况推移到低速较高的负荷，因此设计任务书要求在获得高的动态性能的同时，不仅要具有非常出色的部分负荷燃油耗，而且也要具备适当的负荷燃油耗。

图19 128 kW机型全负荷性能与同类竞争机型的比较

在部分负荷时，以下一系列措施起到了决定性的作用：基于所应用的燃烧过程具有高的抗爆震性，选择了10.5:1的压缩比，同时直接在进气门前面进气道下部配备了导流板，并减小进气道上部的容积，由此所产生的宏观充量运动在点火时刻前不久转化成涡流，使得混合汽均质化并快速燃烧，相应就能应用进气凸轮轴相位调节器来实现较多的内部废气再循环并减少换气功。燃烧室设计的目标在于尽可能减少燃烧室顶部的容积，从而能避免重新设计活塞。

同时，对于喷油器顶端区域给予了特别的关注，因为喷射油束区域内的湿壁现象将给燃油耗和废气排放带来不利的影响。火花塞选择了一种具有细中心电极的空气火花塞，这种火花塞在残余废气相容性、全负荷时的爆震敏感性和催化器加热时的燃烧稳定性等方面显示出了最佳的效果。

在全负荷时，燃烧过程的高抗爆震性、低转速时正的扫气压差使得残余废气最少、相对较短的进排气配气相位、选用排气背压较小的废气涡轮以及降低外围设备部件的摩擦损失等方面的措施对获得低的燃油消耗水平起到了决定性的作用。

此外，增压机型还从基础发动机和冷却系统诸如尽可能降低所有零部件中的摩擦、可调式机油泵以及按特性曲线场控制的节温器等方面的措施得到了好处。

最佳运行工况点燃油消耗与竞争机型的比较时，128kW增压机型的最低燃油耗明显处于分布带的低端，而且突出的特点是其特性曲线场中接近最佳点燃油耗的范围宽广(图20)。n=2 000r/m in和W e=0.2kJ/L运行工况点的燃油耗处于非常好的水平，与竞争的增压机型相比其燃油耗值是最低的。

M iniCooperS级轿车的欧洲试验循环燃油耗为6.2L/100km，这就意味着比老机型改善了28%，而且整个特性曲线场都得到了明显的改善。

图20 128 kW机型有效比燃油耗与同类竞争机型的比较

(3)排放

M iniCooperS级轿车还在全球销售，当然满足必要的废气排放限值(欧4，JLEV2005，LEVⅡ)。达到废气排放目标的关键是在催化器加热期间实现部分分层运行(均质分段喷射，HSP)与合适的进气凸轮轴相位调节(早进气)相结合。此时，在正常的进气阶段，以上止点前约300°曲轴转角的喷油始点仅喷入60%的喷油量，而其余的40%喷油量则到上止点前约70°曲轴转角时才喷入汽缸，同时采用化学计量比或者略稀薄的空燃比，上止点后15～20°曲轴转角的点火角以及约1 100r/m in的怠速转速，这样就能达到高效的催化器加热效果，从而获得非常低的原始排放。

获得可靠的部分分层运行(均质分段喷射，HSP)能力的前提条件是优化燃油喷雾以及相应的活塞顶燃烧室几何形状的设计，使得喷射油束能被活塞顶燃烧室导向火花塞，同时多孔喷油器已经优化，一方面使得在低负荷时可提供足够的动量，油雾能够可靠地抵达火花塞，另一方面使得有足够的空气输送到油束中，以供油滴的快速蒸发和均质化，防止特别是在低速高负荷运行工况下产生高的碳烟颗粒排放。降低形成碳烟颗粒的其他重要因素是基于强烈充量运动的良好均质化、初始喷射油束中油滴尺寸的最佳分布、燃油湿润零件表面的减少以及喷油策略的仔细确定等。同样，减少燃油湿润汽缸壁面还防止了危及发动机可靠性的机油稀释。

128kW增压机型配备了一个分级的催化转化器，其总体积为1.67L，并显现出起燃性能与低背压之间的最佳折中。与自然吸气机型一样使用了一个线性λ传感器，并为在美国使用的车型的地板下附加配备了一个催化器。

四、电控系统

这种汽油机系列应用了新一代的电控单元，它配备了工作能力强大的3芯微处理器，这种基本的电控单元构成使得两种机型能够应用于合作双方制造商众多的车型平台及其适合各地的车型上。

五、第1代机型的成果

综上所述，BMW公司与PSA公司合作双方自始至终贯彻了BMW公司制定的“高效动力学”开发目标和PSA公司制定的“按成本进行设计”原则，充分运用了合作双方的技术秘诀，使得所开发的新的小型4缸汽油机系列为小型和紧凑型汽车车型树立了新标杆。无论在技术方面还是在动力性、经济性和耐久性方面，这两种不同的机型(全可变气门机构进气道喷射自然吸气汽油机和缸内直接喷射增压汽油机)都是其同等级机型的典范(表3)。