BMW集團(tuán)首次成功開發(fā)了由3～6缸汽油機(jī)和柴油機(jī)組成的重要的模塊化標(biāo)準(zhǔn)部件。在此之后，新的橫置式3缸和4缸汽油機(jī)又開啟了新一代模塊化標(biāo)準(zhǔn)部件的發(fā)展之路，有效降低了燃油耗，并適度提高了行駛功率，同時(shí)還重點(diǎn)改善了發(fā)動(dòng)機(jī)的聲學(xué)性能，而且第二代模塊化標(biāo)準(zhǔn)部件已成為了能可靠地達(dá)到未來廢氣排放和法規(guī)要求的基礎(chǔ)。

13缸和4缸汽油機(jī)開發(fā)的目標(biāo)要求

為了滿足更高的開發(fā)目標(biāo)及其對改善性能的要求，燃油耗最多可降低5%。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)滿足實(shí)際行駛排放（RDE）和世界統(tǒng)一的輕型車試驗(yàn)規(guī)范（WLTP）的排放要求，為滿足未來廢氣排放法規(guī)奠定基礎(chǔ)。輕型結(jié)構(gòu)是開發(fā)工作另一個(gè)重點(diǎn)，是要比原機(jī)型質(zhì)量減少7 kg。在降低發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲3 dB的同時(shí)需要根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)安裝位置和汽車用途提高約10 kW功率和20 N·m扭矩，可謂是一個(gè)不小的挑戰(zhàn)。

圖1 新型模塊化標(biāo)準(zhǔn)部件的目標(biāo)要求及其與原機(jī)型的比較

235 MPa噴射壓力的燃油系統(tǒng)

作為新一代發(fā)動(dòng)機(jī)的重要組成部分，新開發(fā)的噴射壓力達(dá)35 MPa的燃油系統(tǒng)（圖2a）已開發(fā)了模塊化標(biāo)準(zhǔn)部件。除了高壓燃油泵和噴油器之外，鍛鋼燃油共軌及其附屬高壓油管也都已進(jìn)行了調(diào)整，并針對成本和質(zhì)量進(jìn)行了優(yōu)化。對于液壓系統(tǒng)而言，必須控制高壓燃油泵、高壓油管和共軌中的壓力波動(dòng)，為此已對系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化，并借助于模擬和測量重新設(shè)計(jì)了共軌入口和噴油器中的節(jié)流口。

(a)

(b)

圖2 新開發(fā)的35 MPa燃油系統(tǒng)（a）和

噴油器（b）

另一個(gè)需考慮的問題是供油量與相匹配的高壓燃油泵的驅(qū)動(dòng)。在早期開發(fā)階段就已對高壓燃油泵的供油角及其在氣門傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中所產(chǎn)生的力和力矩進(jìn)行了模擬，以此確保其在氣門機(jī)構(gòu)和鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中僅會(huì)出現(xiàn)較小的超載現(xiàn)象。同時(shí)，保留了功能上可靠的布置型式以及由排氣凸輪軸驅(qū)動(dòng)的方式。

為了在新一代模塊化標(biāo)準(zhǔn)部件中采用35 MPa噴射壓力進(jìn)行燃油噴射，開發(fā)了新的噴油閥（圖2 b），同時(shí)優(yōu)化了最小噴油量調(diào)節(jié)功能，并在新的噴油閥上進(jìn)行了了專門的調(diào)整，從而在整個(gè)流量特性曲線場中，噴油器都能進(jìn)行調(diào)節(jié)控制，同時(shí)噴油閥針對多次噴射進(jìn)行了匹配，明顯縮短了兩次噴射之間的時(shí)間間隔。此外，針對針閥座面密封性和燃燒產(chǎn)生顆粒數(shù)（PN）的排放問題也進(jìn)行了改進(jìn)。采用了涂覆有特殊涂層的針閥密封錐面，顯著減少了密封座的泄漏，從而也能可靠地達(dá)到了特超低排放車輛（SULEV）的碳?xì)浠衔铮℉C）排放要求。此外通過專門設(shè)計(jì)的噴油器頂部（針閥座）優(yōu)化了預(yù)分級鉆孔，并且新開發(fā)的噴孔通過幾何形狀的改善減少了噴油器頂部附近的燃燒擴(kuò)散，從而減少了PN排放。

隨著噴射壓力提高到35 MPa，可以降低高壓噴油器的穩(wěn)態(tài)流量而不會(huì)對絕對噴油量和噴油時(shí)間產(chǎn)生不利的影響。因此該方法與上述改善措施在噴孔幾何形狀范圍內(nèi)改善了噴束的擴(kuò)散，并減小了紹特平均油滴直徑，從而優(yōu)化了混合氣準(zhǔn)備，減小了噴束貫穿距離，從而進(jìn)一步減少了氣缸套壁面和活塞的潤濕現(xiàn)象，因此減少了機(jī)油的稀釋，避免了自行著火燃燒。此外，噴孔幾何形狀的優(yōu)化與噴孔的預(yù)分級結(jié)合使得噴油過程期間噴油器頂部能更少地被燃油潤濕。

3單級鏈條傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

對于由排氣凸輪軸驅(qū)動(dòng)的35 MPa高壓燃油泵的工作能力而言，一個(gè)重要步驟是從兩級鏈條傳動(dòng)換成單級鏈條傳動(dòng)（圖3），以此改善共振特性，同時(shí)鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu)開發(fā)的一個(gè)重點(diǎn)是減少機(jī)械損失。通過取消中間鏈輪和優(yōu)化滑動(dòng)導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)能夠降低約30%的鏈傳動(dòng)摩擦，同時(shí)還能明顯減少鏈傳動(dòng)對曲軸箱的振動(dòng)激勵(lì)現(xiàn)象，進(jìn)一步改善聲學(xué)性能。

圖3 新型模塊化標(biāo)準(zhǔn)部件鏈傳動(dòng)結(jié)構(gòu)與原機(jī)型的比較

4采用分開式冷卻液循環(huán)回路的熱管理

在發(fā)動(dòng)機(jī)系列技術(shù)方案中首次與新一代模塊化標(biāo)準(zhǔn)部件一起采用了分開式冷卻液循環(huán)回路，是整個(gè)熱管理系統(tǒng)中的組成部分（圖4a）。其中，除了換成帶有整體式排氣歧管的氣缸蓋（ZIK）之外，在開發(fā)冷卻水套時(shí)還對分開式冷卻液循環(huán)回路也給予了一定的重視。通過采用冷卻液泵后的冷卻液分別流入這兩個(gè)部件、封閉的氣缸蓋墊片以及兩個(gè)分別進(jìn)入位于發(fā)動(dòng)機(jī)排氣側(cè)的熱管理模塊的入口確保了兩個(gè)冷卻液循環(huán)回路的分別運(yùn)行。集成在熱管理模塊中的電動(dòng)分開式冷卻閥（圖4b）可調(diào)節(jié)流經(jīng)氣缸體曲軸箱的體積流量，但無法調(diào)節(jié)流經(jīng)氣缸蓋的流量，因此可按需求調(diào)節(jié)氣缸壁面的溫度，其中可從零流量狀態(tài)經(jīng)過3個(gè)中間流量級直至轉(zhuǎn)換到全流量狀態(tài)。

(a)

圖4 發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部冷卻液循環(huán)回路和帶有分開式冷卻閥的熱管理模塊

在低負(fù)荷和部分負(fù)荷的工況范圍內(nèi)，可通過冷卻液停止流動(dòng)的方案來提高氣缸壁面溫度，從而能有利于活塞組摩擦和缸內(nèi)燃燒。除此之外，在負(fù)荷突變的情況下，較高的氣缸壁面溫度能顯著降低顆粒的形成。甚至在寬廣的工況范圍內(nèi)，氣缸體曲軸箱的溫度也相應(yīng)提高，而與此相反，由于燃燒室頂部得以良好冷卻，爆震傾向并不會(huì)增大。

5旋轉(zhuǎn)對稱成形珩磨加工的氣缸體曲軸箱

在將曲軸箱冷卻方案轉(zhuǎn)變成分開式冷卻時(shí)，同時(shí)也減小了氣缸體曲軸箱活塞壓力側(cè)和背壓側(cè)的冷卻水套高度（圖5a），以此能優(yōu)化氣缸套上部熱區(qū)范圍的冷卻方式，同時(shí)還能提高氣缸套下部影響摩擦的區(qū)域溫度，正如圖5b所示的那樣，它們使氣缸套的溫度分布更為均勻，這對氣缸變形產(chǎn)生了有利的效果。

(a)

(b)

(c)

(d)

圖5 氣缸體曲軸箱的修改、

氣缸壁面溫度分布，

珩磨形狀圖示和成形珩磨的優(yōu)點(diǎn)

然而，由于氣缸中燃燒熱量以不均勻的方式傳入，在氣缸套工作表面整個(gè)高度上的溫度場是不斷變化的，在溫度場和局部氣缸體曲軸箱剛度的共同作用下，氣缸套的變形是隨著運(yùn)行工況點(diǎn)不斷變化的，這會(huì)明顯影響到活塞間隙。由于氣缸套朝下止點(diǎn)方向的熱膨脹較小，減小了活塞間隙，因此在鋁氣缸體曲軸箱與鋁活塞相配合的情況下，在發(fā)動(dòng)機(jī)中可能會(huì)出現(xiàn)活塞直徑大于氣缸套直徑的狀況，該現(xiàn)象被稱之為“脹缸”，通常會(huì)隨著活塞組摩擦急劇增大而發(fā)生。防止該現(xiàn)象出現(xiàn)的一個(gè)有效的措施是使氣缸套直徑朝下止點(diǎn)方向?qū)ΨQ擴(kuò)大（圖5c），從而就能有效地避免此類“脹缸”現(xiàn)象，并可降低噪聲。圖5d示出了采用和不采用旋轉(zhuǎn)對稱成形珩磨的氣缸套與活塞組之間的摩擦曲線。這些用浮動(dòng)缸套測量系統(tǒng)查明的結(jié)果表明，在下止點(diǎn)范圍內(nèi)，其摩擦明顯減小。

根據(jù)運(yùn)行工況點(diǎn)的不同，對稱成形珩磨獲得了不同數(shù)量級的摩擦優(yōu)勢。隨著功率的增大及活塞溫度的升高，其優(yōu)勢逐漸凸顯，降低了燃油耗，同樣在對行駛試驗(yàn)循環(huán)具有重要意義的特性曲線場范圍內(nèi)也顯示出明顯的優(yōu)勢，例如在WLTP試驗(yàn)循環(huán)中相同的工況點(diǎn)上，整機(jī)摩擦也降低了好幾個(gè)百分點(diǎn)。

6帶有整體式歧管的氣缸蓋

除了上述介紹的采用新技術(shù)的模塊化標(biāo)準(zhǔn)部件之外，同時(shí)也為發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)一步開發(fā)了能提升其性能的部件，不僅在3缸機(jī)上配備了鋁渦輪殼，而且在4缸機(jī)上也將排氣歧管集成在氣缸蓋中。

作為整個(gè)熱管理的組成部分，大面積的冷卻水套包圍著集成的排氣歧管（圖6a）。將排氣熱能傳入冷卻系統(tǒng)，一方面降低了排氣溫度，擴(kuò)大了以化學(xué)計(jì)量比混合氣運(yùn)行的范圍，另一方面也加速了發(fā)動(dòng)機(jī)暖機(jī)過程，由于降低了壁面熱損失以及提高了發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油和零件的溫度，從而有效降低了摩擦，使燃油耗得以改善。此外，氣缸蓋集成排氣歧管與發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油-水熱交換器相組合，使得在絕大多數(shù)摩擦部位聚集的熱量可迅速有效地散發(fā)。

(a)

(b)

圖6 集成在氣缸蓋中的分缸歧管和渦輪殼與之匹配的廢氣渦輪增壓器

7增壓器機(jī)組的進(jìn)一步開發(fā)

在集成了歧管的氣缸蓋優(yōu)化過程中，3缸及4缸機(jī)的增壓器機(jī)組已與系統(tǒng)分界面部位和法蘭位置相匹配（圖6b），而且進(jìn)一步的開發(fā)過程還必須考慮到由RDE廢氣排放法規(guī)和更高的發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性要求。為了使4缸機(jī)和雙流道渦輪增壓器技術(shù)能承受當(dāng)前的排氣溫度，采用1.4849耐高溫鑄鋼作為渦輪殼材料，而MAR高溫合金材料則用于渦輪葉輪,同時(shí)渦輪增壓器的質(zhì)量減輕了1.6 kg。為了獲得更高的發(fā)動(dòng)機(jī)功率和達(dá)到RDE廢氣排放法規(guī)的要求，必須降低渦輪進(jìn)口壓力。通過重新設(shè)計(jì)和調(diào)整，在加速響應(yīng)性不受影響的情況下達(dá)到了該要求。此外，為了優(yōu)化功率和舒適性方面的行駛性能，采用了電動(dòng)廢氣放氣閥執(zhí)行器，再加上催化轉(zhuǎn)化器靠近發(fā)動(dòng)機(jī)布置，并且廢氣放氣閥具有較大的開啟橫截面積，從而有效地降低了廢氣排放，而廢氣放氣閥機(jī)構(gòu)中的阻尼彈簧元件則又大大改善了聲學(xué)性能。另外，在4缸機(jī)的渦輪增壓器中采用了一個(gè)整體式廢氣放氣閥。

8質(zhì)量優(yōu)化的曲軸

在開發(fā)曲柄連桿機(jī)構(gòu)時(shí)，除了使用強(qiáng)度和質(zhì)量之外，對其聲學(xué)性能的設(shè)計(jì)過程也提出了更高的要求。常規(guī)的計(jì)算方法在方案設(shè)計(jì)階段后就能評估對聲學(xué)性能具有重要意義的參數(shù)，但是因評定目標(biāo)性能的費(fèi)用較為昂貴，因此對目標(biāo)要求進(jìn)行聲學(xué)性能的優(yōu)化在一定程度上受到了限制。

目前，已為曲軸設(shè)計(jì)制定了一個(gè)全新的方案，該方案根據(jù)指示在早期設(shè)計(jì)階段就能對質(zhì)量和聲學(xué)性能進(jìn)行有針對性的優(yōu)化，其中借助于多體模擬就能對曲軸的動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行時(shí)間疲勞分析和評價(jià)，其優(yōu)點(diǎn)在于可將復(fù)雜的整體和局部的振動(dòng)特性壓縮到相應(yīng)的最佳數(shù)值。通過將振動(dòng)激勵(lì)降低到最小程度，就能在減輕質(zhì)量的同時(shí)改善聲學(xué)性能。圖7示出了在同一的時(shí)間點(diǎn)時(shí)，氣缸體曲軸箱表面振動(dòng)速度的優(yōu)化方案及最終結(jié)果。盡管曲軸的質(zhì)量得以顯著減輕，但是對氣缸體曲軸箱結(jié)構(gòu)的激勵(lì)卻有所減小。該方法已應(yīng)用于所有的曲軸標(biāo)準(zhǔn)部件，并且其應(yīng)用效果已在試驗(yàn)中得到證實(shí)，從而可與3缸機(jī)平衡軸傳動(dòng)機(jī)構(gòu)采取的措施相適應(yīng)，使3缸機(jī)及4缸機(jī)的質(zhì)量減輕達(dá)1kg。

圖7 新機(jī)型和原機(jī)型發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸體曲軸箱表面的相對振動(dòng)速度及其曲軸

9發(fā)動(dòng)機(jī)特性參數(shù)

目前所有改進(jìn)方案和各項(xiàng)技術(shù)的共同效果，可使采用新一代模塊化標(biāo)準(zhǔn)部件的發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到了表1所示的性能和重要特性參數(shù)。

表1 當(dāng)前采用新一代模塊化標(biāo)準(zhǔn)部件的橫置式發(fā)動(dòng)機(jī)方案及其特性參數(shù)

10質(zhì)量

與原機(jī)型相比，采用新一代模塊化標(biāo)準(zhǔn)部件的發(fā)動(dòng)機(jī)的質(zhì)量最多減輕了7 kg。熱管理模塊和分開式冷卻對質(zhì)量存在一定的影響，通過對新開發(fā)部件采取的各項(xiàng)措施得到了充分的補(bǔ)償，因此總體效果反而使整機(jī)質(zhì)量得以顯著減輕。

11顆粒排放

通過更高的噴油壓力與分開式冷卻，獲得了更高的氣缸壁面溫度，并可降低整個(gè)特性曲線場中的顆粒排放。圖8上圖通過4缸高功率機(jī)型與原機(jī)型相比，表明了新一代結(jié)構(gòu)系列在顆粒數(shù)排放方面具有明顯的優(yōu)勢，在最大功率范圍內(nèi)顆粒數(shù)排放降低了2～3倍。

穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的優(yōu)勢能轉(zhuǎn)換到動(dòng)態(tài)運(yùn)行中。圖8示出了在整個(gè)WLTP循環(huán)中的累積顆粒數(shù)排放。即使在動(dòng)態(tài)運(yùn)行中，降低的貫穿距離及其所導(dǎo)致的燃油潤濕現(xiàn)象，對于顆粒數(shù)排放的減少也起到了主導(dǎo)作用。與噴油壓力為20 MPa的原機(jī)型相比，噴油壓力為35 MPa的新機(jī)型的累積顆粒數(shù)排放也降低了50%以上。

圖8 新老機(jī)型顆粒數(shù)的比較以及20 MPa和

35MPa噴油壓力發(fā)動(dòng)機(jī)在WLTP試驗(yàn)循環(huán)中的顆粒數(shù)

12燃油耗

與原機(jī)型相比，新機(jī)型通過暖機(jī)、摩擦和熱力學(xué)等方面的優(yōu)化降低了燃油耗。圖9示出了各單項(xiàng)措施在總結(jié)果中的節(jié)油效果，例如在配備有中等功率4缸機(jī)型的情況下，采用新一代模塊化標(biāo)準(zhǔn)部件的車輛在新歐洲行駛循環(huán)（NEDC）中的CO2排放降低了5%。

圖9 按照中等功率4缸機(jī)CO2排放計(jì)算的NEDC行駛循環(huán)燃油耗優(yōu)勢

13結(jié)論

通過在新一代模塊化標(biāo)準(zhǔn)部件的進(jìn)一步改進(jìn)，新一代發(fā)動(dòng)機(jī)的性能得到了全面改善，不僅降低了CO2排放，而且降低了顆粒數(shù)和顆粒質(zhì)量等有害物排放，使得發(fā)動(dòng)機(jī)能達(dá)到未來RED和WLTP法規(guī)的要求，提高了功率和扭矩，改善了聲學(xué)性能和減輕了質(zhì)量，再加上該機(jī)型應(yīng)用廢氣后處理和電氣化方面其他技術(shù)的能力，新一代模塊化標(biāo)準(zhǔn)部件為BMW集團(tuán)未來的發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力裝置奠定了基礎(chǔ)。其中，新一代橫置式3和4缸機(jī)型僅僅是一個(gè)開端，緊接著以模塊化標(biāo)準(zhǔn)部件為基礎(chǔ)，并繼續(xù)推出具備更高升功率的新型縱置式機(jī)型。