宝马公司新型2.0L增压直喷式汽油机技术简介(下)

◆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)

七、机油泵和质量平衡机构

发动机润滑机油由1个体积流量可调的摆动滑阀式机油泵供应，该机油泵与质量平衡机构模块一起作为整体单元布置在发动机油底壳中，并由曲轴前端通过1条噪声极低的齿形链条传动。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来进行调节，因此明显减少了驱动功率。

八、汽缸盖罩、曲轴箱通风和机油分离

由塑料制成的汽缸盖罩既承担密封功能，而且还集成了曲轴箱通风和机油分离装置。正如在涡轮增压汽油机上的情况一样，曲轴箱通风通常经过两条途径返回到汽缸中，部分负荷时在节气门后直接进入汽缸盖进气道，而在较高负荷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。

为了适应临界品质燃油市场或者极端气候，并在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，保证让新鲜空气流过曲轴箱，不会有凝结物积聚在发动机机油中，有效地预防机油品质恶化。

九、发动机机油循环回路

发动机机油循环回路如图4所示。布置在油底壳后部的摆动滑阀式机油泵供应压力机油，机油首先通过1个板式机油冷却器，然后再经过主油道前的机油滤清器输送给发动机润滑，有针对性地为发动机活塞冷却喷嘴、链传动机构以及包括伺服电机齿轮在内的Valvetronic(全可变气门机构)的运动件和排气凸轮轴提供润滑机油。

图4 发动机机油循环回路

在主油道上配备了1个组合式的机油压力-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，而机油温度则输入发动机电控系统中的发动机热管理协调器中。为了能始终监测机油状况，油底壳中设置了1个热机油液面传感器，驾驶员能够随时通过仪表盘得知当前的机油状况，或者在机油太少时收到相应的报警指示。

十、冷却液循环回路

冷却液循环回路(图5)由电控单元中的发动机热管理协调器根据需要进行调节。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作为调节装置，能够按预先规定的要求在每个运行工况点将发动机调节到最佳的运行温度。为了能对突发的负荷变化作出快速的反应，按特性曲线场调节的节温器设置在发动机冷却液进口处。电动冷却液泵一方面能够在发动机暖机期间完全停止工作，另一方面也可以在发动机从全负荷运行状态停机后继续承担例如废气涡轮增压器空运转时其轴承部位的冷却任务。

图5 冷却液循环回路

十一、增压和废气后处理

为了获得好的类似自然吸气式发动机的瞬态性能，废气涡轮增压器和排气管的设置十分重要，宝马公司通常是将换气相互干扰的汽缸之间的排气流分开。为了在涡轮中也能将排气分流，增压器涡轮壳直到涡轮叶轮的废气涡道也相应分开，做成双涡道涡轮增压器。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，确保从排气门直到增压器涡轮的管路上尽可能少损失废气能量。

废气放气阀旁通道非常短，这使得催化转化器加热运行时废气中所存在的热量能够高效地抵达近发动机布置的整体式催化转化器。废气放气阀由尺寸较大的真空膜盒气动操纵。为了避免在自发卸载时造成泵吸效应，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，并具有两级串联式结构型式：第一级是600目(cpsi=每平方英寸的孔数)的高密度整体式蜂窝载体，而第二级则采用400目的整体式蜂窝载体。为了进行调节和OBD车载诊断监测，在催化转化器进口喇叭口处设置了第一个氧传感器，而在两个整体式载体之间的催化转化器筒体上设置了第二个氧传感器。废气端的总体布置如图6所示。

图6 废气端的结构布置

十二、发动机功率

新型4缸2.0L增压直喷式汽油机覆盖了135～180kW之间较多的功率等级，因此替代了宝马公司原有非常成功的6缸自然吸气汽油机，显然宝马公司以这种新型发动机继续不断地实施发动机小型化策略。为了能获得快速响应的加速性能，必须在4缸发动机上采用上排气分流，因此6缸汽油机也应用了单个双涡道废气涡轮增压器，权衡诸如低速扭矩、加速性能、最大功率、排放和成本等各方面的因素，此种设计方案是最佳的。

通过采用双涡轮增压技术达到了极其丰满的扭矩特性曲线，如图7所示，在非常低的转速1 250r/min时就已可提供最大扭矩350Nm。与老的排量3.0L的6缸自然吸气汽油机相比，特别是在低转速下可供使用的扭矩优势十分明显。

图7 功率和扭矩特性与老机型的比较

由于采用了双涡轮增压技术，几乎完全避免了人们以往早已熟悉的“涡轮穴”(Turboloch，指涡轮增压器响应迟缓的区域)的弊病；由于采用了Valvetronic(全可变气门机构)，从而消除了通常为使进气空气充满进气总管所产生的停顿时间；由于通过调节进气门开启来控制负荷，因此实现了无时间滞后地提高汽缸的充气程度，从而直接提高了发动机的输出扭矩。

此外，采用Valvetronic(全可变气门机构)可能减小自然吸气发动机全负荷范围内的进气门升程，使得汽缸中的残余废气份额最少而同时充气效率(换气结束后在汽缸中保留的新鲜充量的量度)最高。在增压范围内，在低转速时通过凸轮轴相位调节器的相应调节，可利用有利的扫气压力差(进气压力高于排气背压)将残余废气从汽缸中扫除出去，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供应，从而为压气机产生较大的驱动功率。

与无Valvetronic(全可变气门机构)并采用单涡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在扭矩提升方面具有明显的优势，如图8所示。在负荷突变后，双涡轮增压器发动机达到最大扭矩要比常规发动机快40%以上。新型4缸2.0L增压直喷式汽油机通过将低转速时突出的扭矩供应与响应快的加速性能相结合，使得在非常低的转速下就具备非常好的加速性。

图8 双涡道增压技术发动机扭矩提升阀优势

十三、燃油耗

虽然这种新机型的比功率(90kW/L)和比扭矩(75Nm/L)都较高，但是仍实现了非常高的压缩比10:1，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11:1。另一方面，借助于Valvetronic(全可变气门机构)实现了进气门的无级调节，可消除换气节流，并且因部分负荷时的进气门升程较小可减少摩擦功。这些有关燃烧过程方面的改进措施与诸如按特性曲线场调节的机油泵和电动冷却液泵以及其他降低摩擦措施等发动机方面重要的改进相结合，使得在整个特性曲线场内获得了非常低的燃油耗。

此外，采用双涡道增压技术的组合方案，在低转速时具有高扭矩的潜力以及响应较快的加速性能，使得车辆能够在低转速下行驶，特别是与8挡自动变速器和大的后桥传动比相结合，使得用户能够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专门改善与运行负荷工况点的移动，根据车型和变速器类型的不同，与老车型相比燃油耗可降低约15%。采用双涡道增压技术的新型4缸2.0L增压直喷式汽油机，无论是在经济性还是加速性方面都明显优于老的6缸自然吸气发动机，如图9所示。

图9 燃油耗和加速性能

十四、振动和噪声

因为这种新型4缸2.0L增压直喷式汽油机要替代绝大部分以运转平稳性著称的6缸汽油机，因此其振动和声学性能需特别注意。除了采用加强刚度的床板式主轴承座框架底座、分隔式燃油共轨和喷油器密封阀元件等许多解决方案之外，还首次采用了高度有偏差且平衡质量不对称配置的双平衡轴。直列4缸发动机因存在二级自由惯性力和惯性力矩而带来了特别的挑战。借助于双平衡轴能够完全平衡自由惯性力(图10)，而两根平衡轴位置的高度偏差同样也能够影响到惯性力矩的平衡，因为它们能够产生1个力矩来抵消曲柄连杆机构的自由惯性力矩。

图10 双平衡轴机构的作用原理

在新型4缸2.0L增压直喷式汽油机上已采用了一种创新的方法来优化惯性力矩的平衡效果。因两根平衡轴位置的高度偏差在结构上受到限制，所以将两根平衡轴的平衡块不对称布置，这样就提高了平衡轴对惯性力矩的平衡效果。因平衡块重量的不同所产生的另一个平衡力矩(图10中的红色箭头)附加到由高度偏差所产生的平衡力矩(图10中的蓝色箭头)上，于是就形成了较大的力矩，这就相当于采用了平衡效果较大的高度偏差，而惯性力的平衡则仍完全保持不变。高阶惯性力矩的平衡使得振动水平明显降低，特别是在低负荷运行范围内。因此，用户在汽车上直到最高转速范围感觉到发动机的高速运转非常轻松柔和。

综上所述，宝马公司新型2.0L四缸涡轮增压直喷式汽油机将非常优异的扭矩特性和高的升功率与非常低的燃油耗和出色的振动和噪声性能完美地结合起来，而非常紧凑的高刚度基础发动机结构以及采用全可变气门机构、缸内直接喷射和双涡道增压器技术为此奠定了良好的基础。宝马公司用这种新型汽油机进一步降低了其轿车的公司平均燃油耗，并且即使全球排放法规进一步加严也能确保满足废气排放标准的要求。