BMW公司采用新一代标准部件的柴油机系列

2019-06-26

汽车与新动力 2019年3期

1 回顾

由当前已推出的发动机系列可知，自2013年起，BMW公司一直致力于推出用于3缸、4缸和6缸柴油机与汽油机的标准部件[1]。在柴油机方面，BMW公司于2016年推出了6缸高端机型，并配装于BMW 750d xDrive车型上[2]。该技术已衍生出许多创新方案，这些方案目前已在新研发过程中用于改进当前的柴油机标准部件。

2 目标设定

该技术改进涵盖了功率范围为70～140 kW的所有3缸与4缸的横置及纵置机型，并于2017年底正式推出，其中3缸横置发动机配装于Mini车型，而高功率版的4缸横置发动机则配装于BMW X1车型。下一步开发目标是在保有成熟的标准部件理念的同时进一步降低燃油耗和提高产品质量，并改善发动机动力性能和声学性能。此外，第二代标准部件将为满足未来排放法律和法规要求打下基础。

3 理念

通过图1所示解决方案实现该技术开发目标：(1)气缸体曲轴箱采用了减小摩擦的电弧金属线喷涂(LDS)工作表面和成型珩磨；(2)提高机油分离系统的效率；(3)通过退耦皮带轮优化摩擦的皮带传动；(4)公差减小的平衡轴系统；(5)对压力提升的共轨喷油系统进行进一步开发，喷油器采用创新的针阀关闭控制(NCC)技术；(6)4缸发动机均采用两级涡轮增压系统；(7)进一步开发高压废气再循环系统(HP-EGR)；(8)通过NOx存储催化器、柴油机颗粒捕集器(DPF)和选择性催化还原(SCR)系统进行排气后处理；(9)持续开发燃烧技术、热力学和热管理技术(如可切换式活塞冷却)。

图1 以4缸横置发动机为例的技术解决方案

改进型3缸和4缸发动机的结构仍然以成熟的BMW发动机标准部件模型为基础。沿用多年来常用的缸心距参数，其单缸排量约为0.5 L(表1)[3]，因此可以基于相同的基础发动机衍生出不同功率级的改型机，各种机型可无缝集成到BMW公司的全球生产网络中。下文以4缸横置发动机为例介绍发动机结构设计。

4 气缸体曲轴箱

根据原机型所应用的成熟理念进一步开发气缸体曲轴箱：(1)经过热处理的全铝气缸体曲轴箱，材料为AlSi8Cu3；(2)对压齿啮合式烧结主轴承盖进行质量优化；(3)即使在最高功率情况下，组合式水套仍具有一定的稳定性；(4)顶面封闭的深裙型结构型式具有更高的负荷承载能力；(5)用于机油泵(特性曲线控制)的铸造压力油管；(6)直接将平衡轴安装在气缸体曲轴箱的预铸通道中。

表1 3缸和4缸柴油机主要技术规格

此外还采用了以下新技术：(1)采用LDS涂层的工作表面，包括可改进缸套表面活化的机械粗加工工艺；(2)首次批量采用成型珩磨的气缸工作表面(图1)；(3)为可切换式活塞冷却而设计的机油循环(图1)；(4)通过两个独立运行的节温器优化冷却通道。

气缸体曲轴箱采用“型芯填充”工艺进行冷硬铸造而成，因此可将大量功能集成到壳体中，同时采用冷硬铸造，可在高负荷区域实现较高的静态和动态强度。BMW公司将新设计的部件用于纵向和横向安装的壳体，可大幅降低部件质量。

5 平衡轴系统

4缸发动机的平衡轴(图1)集成在气缸体曲轴箱中，并从前部进行安装。传动部件的直齿啮合设计可使齿轮变窄，从而减少惯性矩。平衡轴由最后一个曲柄臂上的齿圈驱动，其特征是夹紧系统仅通过中间齿轮来反转2个平衡轴之一的旋转方向。这有利于减小排气侧的扭转侧隙，具有显著的声学优势。

6 皮带传动

4缸发动机沿用6缸发动机的L形摩擦优化皮带传动。皮带传动的核心部件是由减少曲轴扭转振动的扭振减振器(TVD)和减少辅助设备旋转不规则性的退耦皮带轮组成的整体部件(图1)。

皮带轮通过橡胶元件与轮毂分离。在发动机起动时，按序连接的自由轮和退耦皮带轮缓解发动机起动过程中高度不规则旋转减速阶段产生的带传动啸叫现象。在加速阶段，皮带传动装置得以重新耦合，使得皮带传动更稳定，并显著减少退耦皮带轮的负荷。配备了该退耦功能后，即使采用摩擦系数较高的皮带也不会导致皮带异响。此外，还可使皮带张力降低40%，从而大幅减少摩擦损失。为了降低燃油耗并提高动力性能，集成设计包括皮带传动装置在内的发动机结构和皮带传动的48 V起动电机。

7 润滑系统

新型柴油机采用了经进一步开发的全可变滑片式机油泵[3]。集成的可切换式活塞冷却是一项新技术。结合使用电动开关阀与液压阀，可精确地打开和关闭活塞冷却(图1)，从而在整个发动机特性曲线范围内实现按需冷却，并降低燃油耗。此外，与当前量产发动机相比，新型发动机的机油泵结构更为紧凑。

8 气缸盖罩

集成油气分离系统的气缸盖罩采用塑料结构设计实现质量与成本优化。两级被动油分离系统由具有预分离功能的沉积室和精细分离器组成，可通过精细分离器中的球形冲击器(在压力损失相同的情况下)提高油分离效率。随着窜气体积流量增加，释放出更多的通道口(图1)，从而形成不受窜气流量影响的最佳油气分离状态，并控制压力损失。

9 两级涡轮增压系统

4缸发动机均采用两级涡轮增压器，由包括集成式歧管的高压级和包括可变涡轮导向叶片的低压级组成(图2)。低压级执行机构确保可变导向叶片实现精确、快速的调节过程，从而以极小的滞后代价实现最佳的增压压力调节。通过气动控制的排气调节阀分配2个废气涡轮增压器的排气流量。排气流量根据发动机工况流经高压级和低压级，这有利于形成增压压力。高转速范围内只有低压级在运行。在该情况下，气动控制的压气机旁通阀使进入的气体从高压压气机旁流过。

图2 两级涡轮增压系统剖面图

10 喷油系统

喷油系统采用了带电磁阀式喷油器的共轨喷油系统，喷油压力为220 MPa(低功率级)和250 MPa(高功率级)。高压泵为一个单柱塞泵，有利于改变凸轮轴行程和凸轮轮廓，以增加供油量。特殊的非对称凸轮轮廓可在喷油压力水平提升的情况下大幅减少发动机正时驱动的负荷。该喷油器是在技术成熟的200 MPa喷油器基础上进行的深入开发。采用NCC系统控制喷射持续时间，进而显著提高计量精度。

11 废气再循环

进一步开发了HP-EGR模块，通过阀门调节直接从排气歧管流入的废气，并在调节后(冷却或非冷却)将其引入进气歧管。通过真空控制的旁通阀实现冷却与非冷却切换(图1)。新型BMW柴油机的冷却器直接安装在阀门后面，由多个板式热交换器组成，从而在相对较小的安装空间里实现较高的传热率。通过采用特殊元件在换热板中形成湍流，不仅增加了散热量，还减少了由冷凝物沉积引起的炭烟堆积。

12 排气后处理

新型发动机采用组合式的排气后处理方案(图3)。1个由吸附式氮氧化物(NOx)催化转化器和具有涂层的颗粒物捕集器组成的组合单元靠近发动机布置。并添加了1个安装在汽车地板下的SCR转化器，其借助于计量阀通过1个专门开发的混合器注入尿素水溶液，从而达到在SCR催化转化器中尽可能均匀分布的状态。

图3 排气系统——吸附式NOx催化转化器与SCR系统相互作用

13 功能优化

为了优化发动机摩擦，BMW公司和格拉茨技术大学的内燃机与热力学研究所(IVT)合作开发了一种全新的测量方法，尤其注重对着火工作状态下曲柄连杆机构摩擦现象进行单独记录[4]。与原机型相比，采用这种新方法可使发动机基本摩擦得到显著改善。除了上述润滑系统和皮带传动所用措施外，还重点采用了以下方法：(1)成型珩磨，在较低行程范围内以较大直径制造气缸工作表面，除了在摩擦和燃油耗方面有明显优势外，还可略微减小活塞间隙(影响上止点区域的声学)；(2)低摩擦机油，采用进一步开发的低摩擦机油，以降低发动机总摩擦。

14 燃烧过程

由于柴油机内部形成混合气，所以燃烧过程是影响发动机性能的关键因素。新型发动机特别注重以增压主元件、喷油技术和EGR系统为基础而进行结构改进。燃烧过程的开发重点包括：更高效EGR系统带来的更低未净化废气排放量；更高的扭矩与功率输出，即使在实际驾驶条件下也有更低的燃油耗和无脉冲燃烧噪声。在大量概念评估中，选择了“较高增压压力结合较小喷油嘴横截面”方法。新型4缸发动机具有以下特点：(1)涵盖所有功率级的两级涡轮增压系统；(2)最大喷油压力为220～250 MPa的共轨喷油系统；(3)采用效率提高的高压EGR，无低压EGR。

15 两级涡轮增压系统功能优化

目前，大多数4缸发动机采用了2个可变涡轮截面增压器的组合。新型4缸发动机针对较低和较高功率输出范围配备了非可调高压级和VGT低压级，其具有以下优势：可快速建立增压压力；即使转速较低时也有较高的增压压力；进气效率提高使得在较宽广运行范围内的燃油耗大幅降低(图4)。采用两级设计并针对整个运行范围优化低压级(扩大喘振极限并提高涡轮效率)，使其效率得到显著提升，并且在部分负荷范围内具有明显的燃油耗优势，在全负荷范围内具有更大的扭矩并以此改善行驶动力性能。机内未净化的废气排放量有所降低，可通过省去低压EGR来抵消两级涡轮增压器在成本上的劣势。

图4 两级涡轮增压系统的运行范围及CO2优势

16 喷油系统功能优化

为了在不影响额定功率的前提下采用改善燃油准备状态的“小型喷嘴孔”，将电磁阀式喷油器的共轨喷油系统的最大压力提高到250 MPa。为了实现未来目标，BMW公司与供应商合作开发了创新的NCC技术。集成到电磁阀喷油器中的压电传感器有助于系统精确控制单次喷射时间，是NCC技术的核心。NCC技术的第二项创新是软件，在实际行驶中根据传感器测量和物理软件模型持续计算其真实的喷油器特性，在闭环控制中校正喷油正时和喷油量偏差。该技术开辟了许多全新的技术可能性：(1)以最小的体积和非常短的时间间隔实施稳定喷油模式，即数字速率成形(DRS)；(2)无需适应传动系统，快速控制最小喷油量；(3)检测和调整喷孔积炭可为实施“小型喷嘴孔”提供保障；(4)喷油正时和喷油量在实际行驶中保持长久稳定。

图5示出了NCC参数检测的功能原理。喷油器电磁阀的新设计为中心衔铁螺钉对典型的喷油器参数变化(如喷油嘴针阀闭合)作出灵敏响应。压电传感器直接集成在该衔铁螺钉上方，尽管传感器集成的复杂度相对较低，仍可以非常稳定地检测喷油嘴针阀闭合状态。

图5 特性曲线场内的针阀闭合传感器和喷油模式功能原理示意图

17 排气后处理功能优化

新型发动机必须具备满足从2017年起分阶段实施RDE法规的潜力。为此，除了采用高效EGR系统等机内排放措施外，还需要非常有效的排气后处理。DeNOx系统对于满足RDE法规NOx的限制性要求至关重要。新型发动机采用上述组合系统，从而在较高的转换度下覆盖更广的温度和负荷频谱(图3)。

18 整车性能与动力特性

与原机型相比，新型发动机的稳态全负荷性能并未提高(图6)。2种4缸机型的功率和扭矩范围分别为110～140 kW和350～400 N·m。新型发动机已衍生出3缸机型(70～85 kW，220～270 N·m)，未来将推出4缸顶级机型。尽管全负荷性能未有变化，新机型(特别是采用两级涡轮增压系统的4缸发动机)的动态响应相比原机型大有提升。

图6 全负荷曲线

19 整车燃油耗

采取上述措施，可使不同机型在NEDC工况下的燃油耗降低达4%～5%(图7)。新机型所用技术(如成型珩磨、多级涡轮增压等)在宽广的特性曲线场范围内发挥作用(图4)，因而即使在较高负荷的行驶工况下也具备相应优势。就整车而言，新传动装置的CO2排放量和燃油耗都比原传动装置更低(表2)。

图7 通过热力学方法和减摩措施减少CO2排放量示意图(以4缸发动机为例)

项目参数发动机类型原机型新机型发动机最高功率/kW140140发动机最大扭矩/(N·m)400400NEDC工况下的燃油耗,市区工况(每百公里)/L5.75.2NEDC工况下的燃油耗,远郊工况(每百公里)/L4.54.4NEDC工况下的燃油耗,组合工况(每百公里)/L4.94.7CO2排放,组合工况/(g·km-1)129123废气排放水平欧6b欧6cRDE法规排放/由于RDE法规发布较晚,只根据全球统一车型车排放测试规程(WLTP)法规进行测试,其结果满足法规要求

20 整车排放

配备新传动装置的汽车目前已通过新WLTP法规认证，其采用的技术和应用程序早已满足从2017年9月开始实施的RDE1法规。此外，其NOx排放量在非常广的行驶和环境条件下也远远低于RDE2法规限值，但是否能满足未来RDE2法规限值则具有一定的挑战性。

21 整车声学性能

图8 新型4缸柴油机与原机型相比在空气噪声方面的声学改进

新型发动机的重要开发目标之一是进一步改善声学性能，重点是减少空气脉冲的持续性。主要通过以下方法取得重大进展：(1)通过成型珩磨优化气缸和活塞接触表面的设计；(2)公差减小的平衡轴；(3)采用小型喷嘴孔和NCC喷油器的燃烧过程。图8示出了新机型与原机型相比在空气噪声方面的改进。柴油机典型的空气脉冲持续性得到抑制。