关于直列6缸直喷式汽油机性能分析

新型6缸汽油机和柴油机同时进行量产，使BMW集团第一代通用标准模块化部件发动机系列达到了其技术巅峰，并利用标准模块化部件不断衍生出新机型。新型直列6缸汽油机不仅减轻了质量，而且在效率、运转平顺性、转动平衡性，以及功率和扭矩的建立等方面再次得到优化。       2015年7月，新型6缸汽油机搭载于新型BMW 7系列轿车、改进型3系列高级轿车和3系列旅游轿车上，并将进一步衍生出其他车型。这款机型以240 kW功率，使得从1933年开始生产的BMW直列6缸汽油机发展成为最新一代的机型。

新型直列6缸汽油机开发的主要目标是在提高功率和扭矩的同时，通过降低燃油耗进一步提高效率、减轻质量和提高运转的平顺性，并在保持最低转速下建立优异的扭矩（低速扭矩），进一步提高转动平衡性。除此之外，还必须满足全球最严厉的废气排放标准，并纵置搭载于所有BMW汽车系列，同时，可以集成到现有产品网络中。

2 设计方案

除了从3缸和4缸模块化横置式发动机不断地衍生出新机型，发展模块化发动机的下一个目标则是从2015年春季开始开发纵置式模块化发动机。纵置式模块化发动机保持了单个气缸结构的基本设计，并采用通用的气门机构部件，其开发目标主要是通过优化换气系统来消除集成在进气装置中的增压空气冷却器的流动节流，进一步开发热管理模块（WMM）中的热管理系统，并降低各种摩擦。

3 基础发动机

与原机型相比，新型6缸汽油机（图1和图2）是以量产的3缸或4缸模块化发动机为基础，重新进行设计的。气缸体曲轴箱采用深裙型金属模铝铸件结构型式，铸造工艺与6缸柴油机相同,并采用其泥芯设计及其相关的工艺。气缸工作表面采用电弧金属丝喷镀（LDS）铁基合金涂层。并对发动机原有曲轴进行优化，减轻了质量，再次改善了平衡效果。曲轴主轴承采用可靠的多层材料轴承，连杆轴承杆身侧采用聚合物涂层轴瓦，而连杆盖侧仍为传统的双层轴瓦。

图1  BMW公司新型直列6缸直喷式汽油机

 图2  新型6缸直喷式汽油机

曲柄连杆机构继承了标准模块化部件的行程/缸径比,连杆也采用通用件。与原机型相比，压缩比从10.2提高到11.0，而活塞为标准模块化部件。为了降低气缸工作表面摩擦，采用了LDS涂层，并再次优化了活塞环切向力。图3示出了气缸体曲轴箱和曲柄连杆机构，表1汇总了该发动机的主要技术规格数据。

 图3  气缸体曲轴箱和曲柄连杆机构

表1  新型6缸汽油机的主要技术规格

气缸盖的基本尺寸来自于横置式发动机的标准模块化部件，可变凸轮轴正时控制系统（Vanos）位于变速器一端，并通过两级链传动机构驱动，该链传动机构在柴油机上用于驱动高压燃油泵，而在汽油机上，为了降低链条噪声，中间链轮涂有橡胶涂层。与其他的模块化发动机相似，新型直列6缸汽油机也装备了具有紧凑外形尺寸的最新一代“Valvetronic”全可变气门机构。

采用1个链传动的体积流量可调的摆动滑阀式机油泵供应机油，并与真空泵同轴串联，这是1种结构紧凑和质量优化的组合方案，并被安装在油底壳油池中。安装在曲轴箱中并按特性曲线场调节的控制阀用于调节机油泵的体积流量，而机油压力作为调节的主导参数，由主油道中的传感器来测量。通过机油压力调节，当暖机运行期间机油压力低于0.35 MPa时，按特性曲线场调节的活塞机油冷却喷嘴就被切断，降低了颗粒物排放，并减少了机油泵的驱动功率，从而就能在许多特性曲线场范围内获得节油效果。由于汽车结构的标准化，从3~7系列采用标准传动系统的派生车型可使用统一的油底壳，运行时机油液面通过1个封装式超声波传感器（Puls）自动无接触地进行测量。与柴油机通用的机油滤清器模块由滤清器和机油水热交换器组成，直接安装在曲轴箱上。

由于使用了曲轴箱主动通风系统，可减少发动机机油中冷凝物，以及燃油和燃烧残留物的数量。机油分离器中配置了贮存器，加大了通风体积流量，可明显提高部分负荷时的分离效率。经过净化的曲轴箱通风气体，在部分负荷时无需外部管道在气缸盖罩内部被直接导入进气道，而在增压运行时则要通过1根位于压气机前的外部管加热。

为了优化暖机运转期间的燃油耗，并能快速调节冷却液温度，改进了冷却液循环回路，并使用WMM来替代节温器进行调节。图4示出了包括WMM在内的气缸体曲轴箱和气缸盖中的冷却液循环回路。

图4  包括WMM在内的气缸体曲轴箱和气缸盖冷却液循环回路

缸内直喷式汽油机采用了第二代高精度中央电磁阀式喷油器，并由排气凸轮轴上的3面凸轮驱动的高压燃油泵产生20 MPa的最大系统压力。新型6缸汽油机采用了直接共轨，由于喷油器通过支撑接管直接与共轨连接，无需附加管道和连接元件，并采取模块化方式使用2根3缸汽油机使用的共轨。这种喷油系统与中央布置的火花塞相结合方式为新型6缸汽油机达到功能目标打下重要基础。

 

4  辅助设备和发动机电控系统

在所有的衍生机型上,包括进气消音器和空气滤清器在内的新鲜空气进气装置都布置在排气侧,因而废气涡轮增压器的进气管路较短。所有衍生机型空气滤清器的清洁空气管和曲轴箱通风气体引入管都统一布置在发动机前端直接接入节气门，所有的纵置式发动机节气门是通用件，并且由于清洁空气要在进气装置中进行冷却，所以进气空气被设定在较高的温度。为了让所有的结构系列都具有合适的紧凑外形尺寸，并降低进气系统中额外的压力损失，采用了间接式增压空气冷却器，并集成在进气装置中。新开发的间接式增压空气冷却器从后端插入塑料进气装置。进气装置和增压空气冷却器结构设计长度较长，但无需附加内部密封。图5示出了增压空气冷却器在进气装置中的布置状况以及空气的流动路径，其中增压空气的冷却是由1个电动水泵供应冷却液的低温冷却循环回路实现的。

图5  带有整体式增压空气冷却器的进气装置

发电机、水泵和空调压缩机由1条6筋皮带驱动。由于张紧器布置在发电机上，皮带系统以降低的预紧力就能够确保其正常工作，因此提高了节油潜力，并且所有的纵置式发动机采用1根统一的皮带就能实现开发目标。

发动机电控系统应用了新的开发平台，并首次使用了多芯处理器，这种电控系统与合适的装备一起使用能控制包括柴油机在内的3～12缸发动机。为了能更好的适应汽车结构的更高要求，新的电控单元以1个具有多芯结构的处理器（2×300 MHz、1×200 MHz、8MB Flasch）为基础，为FlexRay、CAN、LIN和SENT提供所有的标准接口进行通讯。按照模块化部件逻辑，使用了统一的接插件系统（254针）、可选用空气和水冷却的电控单元外壳，以及区域性软件模块直至单元程序状态。

为了满足发动机电控系统内部越来越高的复杂性和多样性的应用需求，平台的开发减少了以往复杂的发动机专用的个别功能，从而无论是应用在汽油机、柴油机或者混合动力车上，在复杂性、可应用性，以及整个发动机电控系统的可测试性等方面都更胜一筹。

5  增压

图6所示的新开发的双流道涡轮增压器设计成包括增压器壳体，以及第3缸和第4缸排气歧管在内的整体式结构形式，而第1缸和第2缸，以及第5缸和第6缸排气歧管则设计成单独铸件，并与中央整体式结构件固定连接。这种结构型式不仅简化了接口，而且还能选择配备排气歧管的冷却。为了确保具有良好的加速响应特性，第一组（第1缸和第3缸）和第二组（第4缸和第6缸）的废气流被分别相继引导至涡轮。排气歧管的固定采用了在模块化部件中所创造的夹紧/滑动压板方案。为了优化催化转化器的加热功能，电动废气放气阀的最大开启角度可达54°。因采取了应用方面的措施，无需安装倒拖循环空气阀。直接连接在废气涡轮增压器后面的近发动机催化转化器被设计成可用于所有派生机型的通用件，这种布置型式可使催化转化器非常快速的达到正常运行温度，这样就能够取消布置在汽车地板下的1个催化转化器。

图6  发动机排气歧管及废气涡轮增压器和废气后处理装置

6  热管理

智能化热管理的应用可以在测试循环和用户实际行驶运行中，使发动机达到最低的燃油耗。新型直列6缸发动机是采用以下措施来达到降低油耗的目的。

冷却液通过用法兰直接安装在气缸体曲轴箱上的冷却水泵进入发动机冷却水套，首先在排气侧纵向流经气缸体曲轴箱，紧接着进入气缸盖，并借助横向流动，按规定的方向被分配到气缸盖中热负荷最大的区域，之后冷却液返回到气缸体曲轴箱的进气侧，再被导入WMM，其中有1个电动球阀具有不同的接通位置（例如关闭发动机暖机期间的加热循环回路）。这种冷却方案能够获得总体上均匀的温度分布，并降低气缸盖中零件的最高温度。

皮带驱动的冷却水泵具有1个闭锁装置和流量精确调整的旁通道，并与1个高效的发动机油水热交换器相结合，在发动机暖机阶段使热量在结构和流体中达到最佳的分配，从而将摩擦损失降到最低。同时，在暖机阶段发动机油水热交换器机油侧的全流量能够获得最大的热回收，而且在高负荷行驶运行时能达到较低的机油温度。通过使用粘度等级为0W20的最新的发动机机油能够大幅度地降低摩擦，特别是在发动机机油温度较低的情况下效果显著。排气道周围尺寸较大的冷却水套在发动机暖机期间能吸收更多的散热，这有助于在整个特性曲线场范围内实现化学计量比燃烧。

使用1个布置于气缸盖排气道附近的零件温度传感器，并与1个布置在发动机出口的冷却液温度传感器相结合，就能实现优化运行方式的温度调节，从而对摩擦和燃油耗产生有利的影响。

另外，由于用法兰安装在发动机冷却液出口处的WMM能快速地调节冷却液温度，并缩短反应时间，因而能提高正常行驶运行时的冷却液温度，降低摩擦力，将冷却的提前量减小到所必需的最低值。

7  燃烧过程

新型直列6缸汽油机的燃烧过程以原机型的双涡轮增压燃烧过程为基础，气缸直径减小了2 mm变为82 mm，压缩比提高到11.0，从而提高了效率。缸径减小后,行程/缸径比提高到1.15，使热力学和摩擦达到了最佳效果。火花塞的火花位置可从燃烧室内缩进约2 mm，这就明显降低了火花塞的热负荷。

与原机型的燃烧过程相比，尽管气缸直径减小了，但是活塞顶燃烧室凹坑形状明显加宽，并通过减小多孔喷油器流量而加宽喷束的设计，大大改善了混合气的均质化程度，同时通过有针对性地优化进气道加强了充量运动，使燃烧明显加快。

为了能满足废气排放法规加严的要求，对多孔喷油器的主要特性进行了优化，其流量的减小大大缩短了喷束的贯穿深度，同样通过各个喷孔喷油量和喷束方向的分配优化了喷束形状，使催化转化器加热（分层能力）和运行热状态两方面要求达到了非常良好的折中，尤其是将燃油润湿活塞和气缸套壁面，以及进气门的现象减少到了最低程度。第二代可控阀动作（CVO）喷油器的功能利用了喷油器特性曲线额外的最小喷油量范围。总体而言，这些措施对减少整个特性曲线场范围颗粒数获得了极为有利的效果。

图7示出了在2 000r/min转速时各种指示负荷下的指示比燃油耗特性曲线。从图中可以清楚地看到，通过改善燃烧过程，能够在更宽广的范围内降低燃油耗。在标准环境边界条件下，这种新型模块化汽油机在额定功率范围内以化学计量比混合气运行。

图7  新型双涡轮增压汽油机与原机型指示燃油耗的比较

8  整车

通过搭载新型6缸汽油机，并与汽车和动力传动方面的措施相结合，达到了舒适性、动力性和效率等方面的高要求，而发动机与汽车之间的统一接口，确保这种模块化发动机能够集成到BMW集团生产的所有重要车型系列上。

9  燃油耗

通过暖机运行、摩擦和热力学等方面的措施，这种汽油机的燃油耗能比原机型降低6%，并与汽车方面的措施相结合，可使740i轿车的NEDC工况燃油耗降低16%，达到百公里6.6 L，从而使CO2排放量降低到154 g/km。图8示出了新型740i轿车燃油耗和行驶性能与原车型和竞争车型的比较。

 

图8  BMW740i轿车燃油耗和行驶性能与竞争车型的比较

10  功率和扭矩

与原机型相比，新型6缸汽油机的功率适度提高到240kW。丰满的功率曲线和扭矩特性曲线使发动机的转动平衡性得到了进一步的提高。在5 500～6 500 r/min转速范围内达到最大功率，而最大转速可达到7 000 r/min。从1 380 r/min转速起就可提供450 N·m最大扭矩，而采用改进型8档自动变速器则能在低转速范围内为高效动力性能提供基础。图9示出了原机型与新型直列6缸汽油机的功率和扭矩特性曲线。

图9  新机型全负荷特性曲线与原机型的比较

11  废气排放

新型直列6缸汽油机满足欧6废气排放标准和ULEV70的美国废气排放标准，必要时可采用所介绍的方案达到SULEV70废气排放标准的要求。

12  声学性能

再次改善直列6缸汽油机声学性能的基础是带有良好质量平衡机构的钢曲轴和主轴承盖框架底座，后者与曲轴箱紧固连接使基础发动机具有高的总体刚度。尽管提高了功率和扭矩，但是这种内部型号为B58的新机型，从4 000 r/min的运转噪声比原机型低，因此这种直列6缸汽油机的运转平稳性再次得到了改善，更突出了BMW典型的重要特点。图10示出了新型直列6缸机全负荷空气传声辐射与原机型的比较。

图10  新机型与原机型左侧全负荷时的空气传声对比情况

为了改善整车噪声和热平衡，还采用了靠近发动机的罩盖。通过这种靠近噪声源的噪声屏蔽，优化了汽车的声学性能从而进一步降低了汽车的总质量。

13  轻量化

新型直列6缸汽油机尽管提高了功率、改善了声学性能，以及满足了集成或模块化的要求，但是其质量仍比原机型减轻了约2 kg，主要原因在于气缸体曲轴箱、气缸盖和曲柄连杆机构等的轻量化设计，以及紧固件和支承件的灵巧设计。

14  结语

BMW公司新型6缸双涡轮增压汽油机是从标准模块化部件派生而来的，完全满足了设计任务书中对BMW第二代直列6缸发动机所提出的更高要求。采用标准模块化部件方式达到了新机型所设置的重要的开发目标，例如在提高功率和扭矩的同时显著降低燃油耗，满足全球废气排放法规，以及在优化质量的同时改善声学性能等。

采用“Valvetronic”全可变气门机构的新型6缸双涡轮增压汽油机与汽车方面的措施相结合，使740i轿车的NEDC工况燃油耗降低16%，达到百公里6.6 L，从而使CO2排放量降低到154 g/km。新型直列6缸汽油机满足欧6和ULEVⅡ废气排放法规，并于2015年7月搭载于改进型3系列高级轿车和3系列旅游轿车，并且成功地投入量产。因此，这种最新一代6缸汽油机既提高驾驶乐趣，又满足了高效动力学的要求。