关于BMW公司模块化标准部件的汽油机介绍

BMW集团首次成功开发了由3～6缸汽油机和柴油机组成的重要的模块化标准部件。在此之后，新的横置式3缸和4缸汽油机又开启了新一代模块化标准部件的发展之路，有效降低了燃油耗，并适度提高了行驶功率，同时还重点改善了发动机的声学性能，而且第二代模块化标准部件已成为了能可靠地达到未来废气排放和法规要求的基础。

13缸和4缸汽油机开发的目标要求

为了满足更高的开发目标及其对改善性能的要求，燃油耗最多可降低5%。当发动机满足实际行驶排放（RDE）和世界统一的轻型车试验规范（WLTP）的排放要求，为满足未来废气排放法规奠定基础。轻型结构是开发工作另一个重点，是要比原机型质量减少7 kg。在降低发动机噪声3 dB的同时需要根据发动机安装位置和汽车用途提高约10 kW功率和20 N·m扭矩，可谓是一个不小的挑战。

图1  新型模块化标准部件的目标要求及其与原机型的比较

235 MPa喷射压力的燃油系统

作为新一代发动机的重要组成部分，新开发的喷射压力达35 MPa的燃油系统（图2a）已开发了模块化标准部件。除了高压燃油泵和喷油器之外，锻钢燃油共轨及其附属高压油管也都已进行了调整，并针对成本和质量进行了优化。对于液压系统而言，必须控制高压燃油泵、高压油管和共轨中的压力波动，为此已对系统进行了优化，并借助于模拟和测量重新设计了共轨入口和喷油器中的节流口。

(a)

(b)

图2  新开发的35 MPa燃油系统（a）和

喷油器（b）

另一个需考虑的问题是供油量与相匹配的高压燃油泵的驱动。在早期开发阶段就已对高压燃油泵的供油角及其在气门传动机构中所产生的力和力矩进行了模拟，以此确保其在气门机构和链传动机构中仅会出现较小的超载现象。同时，保留了功能上可靠的布置型式以及由排气凸轮轴驱动的方式。

为了在新一代模块化标准部件中采用35 MPa喷射压力进行燃油喷射，开发了新的喷油阀（图2 b），同时优化了最小喷油量调节功能，并在新的喷油阀上进行了了专门的调整，从而在整个流量特性曲线场中，喷油器都能进行调节控制，同时喷油阀针对多次喷射进行了匹配，明显缩短了两次喷射之间的时间间隔。此外，针对针阀座面密封性和燃烧产生颗粒数（PN）的排放问题也进行了改进。采用了涂覆有特殊涂层的针阀密封锥面，显著减少了密封座的泄漏，从而也能可靠地达到了特超低排放车辆（SULEV）的碳氢化合物（HC）排放要求。此外通过专门设计的喷油器顶部（针阀座）优化了预分级钻孔，并且新开发的喷孔通过几何形状的改善减少了喷油器顶部附近的燃烧扩散，从而减少了PN排放。

随着喷射压力提高到35 MPa，可以降低高压喷油器的稳态流量而不会对绝对喷油量和喷油时间产生不利的影响。因此该方法与上述改善措施在喷孔几何形状范围内改善了喷束的扩散，并减小了绍特平均油滴直径，从而优化了混合气准备，减小了喷束贯穿距离，从而进一步减少了气缸套壁面和活塞的润湿现象，因此减少了机油的稀释，避免了自行着火燃烧。此外，喷孔几何形状的优化与喷孔的预分级结合使得喷油过程期间喷油器顶部能更少地被燃油润湿。

3单级链条传动机构

对于由排气凸轮轴驱动的35 MPa高压燃油泵的工作能力而言，一个重要步骤是从两级链条传动换成单级链条传动（图3），以此改善共振特性，同时链传动机构开发的一个重点是减少机械损失。通过取消中间链轮和优化滑动导轨的设计能够降低约30%的链传动摩擦，同时还能明显减少链传动对曲轴箱的振动激励现象，进一步改善声学性能。

图3  新型模块化标准部件链传动结构与原机型的比较

4采用分开式冷却液循环回路的热管理

在发动机系列技术方案中首次与新一代模块化标准部件一起采用了分开式冷却液循环回路，是整个热管理系统中的组成部分（图4a）。其中，除了换成带有整体式排气歧管的气缸盖（ZIK）之外，在开发冷却水套时还对分开式冷却液循环回路也给予了一定的重视。通过采用冷却液泵后的冷却液分别流入这两个部件、封闭的气缸盖垫片以及两个分别进入位于发动机排气侧的热管理模块的入口确保了两个冷却液循环回路的分别运行。集成在热管理模块中的电动分开式冷却阀（图4b）可调节流经气缸体曲轴箱的体积流量，但无法调节流经气缸盖的流量，因此可按需求调节气缸壁面的温度，其中可从零流量状态经过3个中间流量级直至转换到全流量状态。

(a)

图4  发动机内部冷却液循环回路和带有分开式冷却阀的热管理模块

在低负荷和部分负荷的工况范围内，可通过冷却液停止流动的方案来提高气缸壁面温度，从而能有利于活塞组摩擦和缸内燃烧。除此之外，在负荷突变的情况下，较高的气缸壁面温度能显著降低颗粒的形成。甚至在宽广的工况范围内，气缸体曲轴箱的温度也相应提高，而与此相反，由于燃烧室顶部得以良好冷却，爆震倾向并不会增大。

5旋转对称成形珩磨加工的气缸体曲轴箱

在将曲轴箱冷却方案转变成分开式冷却时，同时也减小了气缸体曲轴箱活塞压力侧和背压侧的冷却水套高度（图5a），以此能优化气缸套上部热区范围的冷却方式，同时还能提高气缸套下部影响摩擦的区域温度，正如图5b所示的那样，它们使气缸套的温度分布更为均匀，这对气缸变形产生了有利的效果。

(a)

(b)

(c)

(d)

图5  气缸体曲轴箱的修改、

气缸壁面温度分布，

珩磨形状图示和成形珩磨的优点

然而，由于气缸中燃烧热量以不均匀的方式传入，在气缸套工作表面整个高度上的温度场是不断变化的，在温度场和局部气缸体曲轴箱刚度的共同作用下，气缸套的变形是随着运行工况点不断变化的，这会明显影响到活塞间隙。由于气缸套朝下止点方向的热膨胀较小，减小了活塞间隙，因此在铝气缸体曲轴箱与铝活塞相配合的情况下，在发动机中可能会出现活塞直径大于气缸套直径的状况，该现象被称之为“胀缸”，通常会随着活塞组摩擦急剧增大而发生。防止该现象出现的一个有效的措施是使气缸套直径朝下止点方向对称扩大（图5c），从而就能有效地避免此类“胀缸”现象，并可降低噪声。图5d示出了采用和不采用旋转对称成形珩磨的气缸套与活塞组之间的摩擦曲线。这些用浮动缸套测量系统查明的结果表明，在下止点范围内，其摩擦明显减小。

根据运行工况点的不同，对称成形珩磨获得了不同数量级的摩擦优势。随着功率的增大及活塞温度的升高，其优势逐渐凸显，降低了燃油耗，同样在对行驶试验循环具有重要意义的特性曲线场范围内也显示出明显的优势，例如在WLTP试验循环中相同的工况点上，整机摩擦也降低了好几个百分点。

6带有整体式歧管的气缸盖

除了上述介绍的采用新技术的模块化标准部件之外，同时也为发动机进一步开发了能提升其性能的部件，不仅在3缸机上配备了铝涡轮壳，而且在4缸机上也将排气歧管集成在气缸盖中。

作为整个热管理的组成部分，大面积的冷却水套包围着集成的排气歧管（图6a）。将排气热能传入冷却系统，一方面降低了排气温度，扩大了以化学计量比混合气运行的范围，另一方面也加速了发动机暖机过程，由于降低了壁面热损失以及提高了发动机机油和零件的温度，从而有效降低了摩擦，使燃油耗得以改善。此外，气缸盖集成排气歧管与发动机机油-水热交换器相组合，使得在绝大多数摩擦部位聚集的热量可迅速有效地散发。

(a)

(b)

图6  集成在气缸盖中的分缸歧管和涡轮壳与之匹配的废气涡轮增压器

7增压器机组的进一步开发

在集成了歧管的气缸盖优化过程中，3缸及4缸机的增压器机组已与系统分界面部位和法兰位置相匹配（图6b），而且进一步的开发过程还必须考虑到由RDE废气排放法规和更高的发动机动力性要求。为了使4缸机和双流道涡轮增压器技术能承受当前的排气温度，采用1.4849耐高温铸钢作为涡轮壳材料，而MAR高温合金材料则用于涡轮叶轮,同时涡轮增压器的质量减轻了1.6 kg。为了获得更高的发动机功率和达到RDE废气排放法规的要求，必须降低涡轮进口压力。通过重新设计和调整，在加速响应性不受影响的情况下达到了该要求。此外，为了优化功率和舒适性方面的行驶性能，采用了电动废气放气阀执行器，再加上催化转化器靠近发动机布置，并且废气放气阀具有较大的开启横截面积，从而有效地降低了废气排放，而废气放气阀机构中的阻尼弹簧元件则又大大改善了声学性能。另外，在4缸机的涡轮增压器中采用了一个整体式废气放气阀。

8质量优化的曲轴

在开发曲柄连杆机构时，除了使用强度和质量之外，对其声学性能的设计过程也提出了更高的要求。常规的计算方法在方案设计阶段后就能评估对声学性能具有重要意义的参数，但是因评定目标性能的费用较为昂贵，因此对目标要求进行声学性能的优化在一定程度上受到了限制。

目前，已为曲轴设计制定了一个全新的方案，该方案根据指示在早期设计阶段就能对质量和声学性能进行有针对性的优化，其中借助于多体模拟就能对曲轴的动态性能进行时间疲劳分析和评价，其优点在于可将复杂的整体和局部的振动特性压缩到相应的最佳数值。通过将振动激励降低到最小程度，就能在减轻质量的同时改善声学性能。图7示出了在同一的时间点时，气缸体曲轴箱表面振动速度的优化方案及最终结果。尽管曲轴的质量得以显著减轻，但是对气缸体曲轴箱结构的激励却有所减小。该方法已应用于所有的曲轴标准部件，并且其应用效果已在试验中得到证实，从而可与3缸机平衡轴传动机构采取的措施相适应，使3缸机及4缸机的质量减轻达1kg。

图7  新机型和原机型发动机气缸体曲轴箱表面的相对振动速度及其曲轴

9发动机特性参数

目前所有改进方案和各项技术的共同效果，可使采用新一代模块化标准部件的发动机达到了表1所示的性能和重要特性参数。

表1  当前采用新一代模块化标准部件的横置式发动机方案及其特性参数

特   性   参   数	3缸机	4缸机 中等功率	4缸机 高功率
最大功率/kW	55～105	140～145	170～180
最大扭矩/(N·m)	150～240	280～300	320～380
最高转速/（r·min-1）	6 000	6 500
升功率/kW	37～70	70～72.5	85～90
升扭矩/（N·m）	100～160	140～150	160～190
最大比功/（kJ·L-1）	1.25～2.00	1.75～1.88	1.00～2.38
排量/L	1.499	1．998
气缸直径/mm	82	82
活塞行程/mm	94.6	94.6
行程/缸径	1.15	1.15
单缸排量/L	0.4996	0.4996
连杆长度/mm	148.2	148.2
连杆曲柄比	0.319	0.319
缸心距/mm	91	91
压缩高度/mm	33.2	33.2
火力岸高度/mm	7.0～7.8	7.0～7.8
直径/mm	22	22
长度/mm	55	55
进/排气气门直径/mm	30.1/28.5	30.1/28.5
进/排气气门杆直径/mm	5.0/6.0	5.0/6.0
压缩比	11.0	11.0	10.2

10质量

与原机型相比，采用新一代模块化标准部件的发动机的质量最多减轻了7 kg。热管理模块和分开式冷却对质量存在一定的影响，通过对新开发部件采取的各项措施得到了充分的补偿，因此总体效果反而使整机质量得以显著减轻。

11颗粒排放

通过更高的喷油压力与分开式冷却，获得了更高的气缸壁面温度，并可降低整个特性曲线场中的颗粒排放。图8上图通过4缸高功率机型与原机型相比，表明了新一代结构系列在颗粒数排放方面具有明显的优势，在最大功率范围内颗粒数排放降低了2～3倍。

稳态运行的优势能转换到动态运行中。图8示出了在整个WLTP循环中的累积颗粒数排放。即使在动态运行中，降低的贯穿距离及其所导致的燃油润湿现象，对于颗粒数排放的减少也起到了主导作用。与喷油压力为20 MPa的原机型相比，喷油压力为35 MPa的新机型的累积颗粒数排放也降低了50%以上。

图8  新老机型颗粒数的比较以及20 MPa和

35MPa喷油压力发动机在WLTP试验循环中的颗粒数

12燃油耗

与原机型相比，新机型通过暖机、摩擦和热力学等方面的优化降低了燃油耗。图9示出了各单项措施在总结果中的节油效果，例如在配备有中等功率4缸机型的情况下，采用新一代模块化标准部件的车辆在新欧洲行驶循环（NEDC）中的CO2排放降低了5%。

图9  按照中等功率4缸机CO2排放计算的NEDC行驶循环燃油耗优势

13结论

通过在新一代模块化标准部件的进一步改进，新一代发动机的性能得到了全面改善，不仅降低了CO2排放，而且降低了颗粒数和颗粒质量等有害物排放，使得发动机能达到未来RED和WLTP法规的要求，提高了功率和扭矩，改善了声学性能和减轻了质量，再加上该机型应用废气后处理和电气化方面其他技术的能力，新一代模块化标准部件为BMW集团未来的发动机动力装置奠定了基础。其中，新一代横置式3和4缸机型仅仅是一个开端，紧接着以模块化标准部件为基础，并继续推出具备更高升功率的新型纵置式机型。