BMW公司為直列式發(fā)動機開發(fā)了新的標(biāo)準(zhǔn)部件，在汽油機和柴油機上具有很高的通用性。介紹3缸和4缸轎車柴油機的開發(fā)情況，它們被配裝于Mini和BMW X3轎車上。

1標(biāo)準(zhǔn)部件理念的不斷發(fā)展

自1991年起，BMW公司不斷在柴油機上貫徹標(biāo)準(zhǔn)部件理念。為了應(yīng)對未來越來越高的要求，并將資源集中于開發(fā)高效的內(nèi)燃機，BMW公司現(xiàn)在設(shè)計了汽油機和柴油機通用的標(biāo)準(zhǔn)部件[1,2]，并最終將其擴展成包括所有3缸、4缸和6缸汽油機與柴油機在內(nèi)的全新的發(fā)動機系列，其開發(fā)目標(biāo)是所有直列式發(fā)動機都建立在相同的基礎(chǔ)發(fā)動機平臺和統(tǒng)一的發(fā)動機外圍設(shè)備基礎(chǔ)上。

最初為轎車柴油機開發(fā)了2種3缸機型，分別配裝于70 kW和85 kW的Mini轎車，而新型4缸機則首先配裝于新型BMW X3型轎車，功率比老機型提高5 kW，即140 kW，成為中等功率等級車型。今后將有不同的功率等級機型配裝于更多的車型。

2目標(biāo)設(shè)定

新型汽油機和柴油機的開發(fā)目標(biāo)是：開發(fā)更高效、更緊湊、更輕巧且功率更強勁的發(fā)動機，并能滿足未來更嚴(yán)格的法規(guī)要求。汽油機和柴油機的開發(fā)目標(biāo)僅有略微差異，可參見文獻[3]，因而柴油機的設(shè)計任務(wù)書規(guī)定：⑴頂級機型的升功率高于80 kW/L；⑵從略微超過怠速轉(zhuǎn)速起就具有豐滿的扭矩特性曲線；⑶具有明顯改善的瞬態(tài)響應(yīng)特性；⑷在用戶實際使用和法定行駛循環(huán)中具有低燃油耗；⑸具有滿足全球最嚴(yán)格廢氣排放法規(guī)限值要求的潛力；⑹采用鋁氣缸體曲軸箱的輕型結(jié)構(gòu)型式；⑺優(yōu)化基礎(chǔ)發(fā)動機設(shè)計，使摩擦損失最小；⑵采用質(zhì)量平衡機構(gòu)，使3缸和4缸機型均具有高的運轉(zhuǎn)平穩(wěn)性。

此外，通用的汽油機和柴油機系列可達(dá)到如下的效果：⑴在多個生產(chǎn)基地靈活地組織生產(chǎn)（3缸、4缸和6缸汽油機與柴油機）；⑵在相同的基礎(chǔ)發(fā)動機平臺上簡單且迅速地推出不同的技術(shù)方案；⑶快速推出變型機；⑷所有的變型機與汽車具有統(tǒng)一的接口。

其他方面的挑戰(zhàn)是，即使具有最大的通用化程度，各種變型機都要達(dá)到最佳的性能設(shè)計，以確保在競爭中各自的頂尖地位。

表1 3缸和4缸柴油機的主要技術(shù)規(guī)格

3設(shè)計方案

新型3缸和4缸柴油機（圖1）的結(jié)構(gòu)遵循2007年柴油機可靠的結(jié)構(gòu)型式，并沿用BMW公司多年來發(fā)動機傳統(tǒng)的缸心距，單缸排量為0.5 L，由氣缸數(shù)覆蓋所需的排量跨度（表1）。集成平衡軸的氣缸體曲軸箱和位于油底殼內(nèi)的組合式機油泵和真空泵是緊湊輕型結(jié)構(gòu)發(fā)動機的基礎(chǔ)，鏈傳動機構(gòu)被布置在發(fā)動機后端，使輔助設(shè)備能布置在進氣側(cè)，因此，排氣側(cè)能完全用于自由地布置增壓和近發(fā)動機后處理裝置。圖2示出了柴油機的縱橫剖視圖。

圖1--BMW公司新型轎車柴油機

圖2--新型3缸柴油機縱橫剖視圖

4結(jié)構(gòu)型式—基礎(chǔ)發(fā)動機

鋁氣缸體曲軸箱采用金屬模鑄造并經(jīng)熱處理，由目前的柴油機系列演變而來，繼續(xù)沿用變速器側(cè)剛性連接的高壓泵法蘭，以及預(yù)鑄的冷卻液和機油通道等久經(jīng)考驗的可靠的結(jié)構(gòu)設(shè)計特點（圖3）。并在BMW公司的柴油機上首次應(yīng)用氣缸套工作表面激光金屬線材噴鍍（LDS）涂層，厚度僅0.3 mm，極其耐磨，與傳統(tǒng)的灰鑄鐵氣缸套相比，具有明顯更好的散熱性能。這種解決方案是建立在BMW公司汽油機制造工藝和產(chǎn)品開發(fā)方面所累積的經(jīng)驗基礎(chǔ)上的。

圖3--3缸柴油機的氣缸體曲軸箱

為了不斷降低摩擦，采用不同的連桿軸頸直徑，最高燃燒壓力超過16 MPa的變型機選用50 mm的連桿軸頸直徑，而最高燃燒壓力較低的機型則選用45 mm的連桿軸頸直，均采用較長的連桿來降低活塞摩擦。同時，特別注重優(yōu)化氣缸-活塞摩擦副的設(shè)計，因氣缸孔具有非常剛性的結(jié)構(gòu)型式，因此能進一步降低3道活塞環(huán)的張力。3缸和4缸機的鍛鋼曲軸各有4個平衡塊。噴油泵和凸輪軸以可靠的方式由振動小的曲軸后端的鏈輪驅(qū)動（圖4）。2種機型的滾動軸承平衡軸均由齒輪驅(qū)動，而4缸機的2根高置平衡軸由熱壓配合、在最后一個曲柄臂位置上的齒輪驅(qū)動。3缸機的一階自由慣性力矩由支承在氣缸體曲軸箱中的鍛鋼平衡軸來平衡，由曲軸前端的整體式齒輪驅(qū)動。為了改善聲學(xué)性能，柴油機也應(yīng)用張緊直齒輪，并加裝了彈簧，轉(zhuǎn)動時齒面嚙合轉(zhuǎn)換平穩(wěn)，消除了怠速運轉(zhuǎn)范圍內(nèi)齒輪嚙合時發(fā)出的響聲。

圖4--3缸柴油機的曲軸與平衡軸

與BMW公司所有柴油機一樣，鏈傳動機構(gòu)由3部分組成，在鏈條平面上形成連套的緊湊的結(jié)構(gòu)型式。系統(tǒng)中的大多數(shù)部件都是可用于其他標(biāo)準(zhǔn)部件發(fā)動機的通用件。在量產(chǎn)中首次應(yīng)用了采用物理汽相沉積涂層鉚釘?shù)逆湕l，這種涂層幾乎完全消除了鏈條在被炭黑污染的發(fā)動機機油中對磨損的敏感性。

油底殼中的組合式機油泵和真空泵的設(shè)計方案是在目前量產(chǎn)柴油機的基礎(chǔ)上演變而來的，而全可變滑片式機油泵則是全新開發(fā)的，帶有1個調(diào)節(jié)閥，其體積流量在整個特性曲線場范圍內(nèi)可以進行調(diào)節(jié)，這種調(diào)節(jié)方式允許發(fā)動機在寬廣的特性曲線場范圍內(nèi)以很低的機油壓力運行，而機油噴嘴能在不同的壓力水平上打開或關(guān)閉，從而獲得顯著的節(jié)油效果（圖5）。

圖5--可調(diào)式機油泵和可開關(guān)式機油噴嘴

5增壓和噴油

柴油機的產(chǎn)品性能主要取決于增壓系統(tǒng)和噴油系統(tǒng)，相應(yīng)的創(chuàng)新技術(shù)已被用于量產(chǎn)中。BMW公司在這種新型3缸柴油機上應(yīng)用了型號為VTG 35的可變渦輪截面（VTG）增壓器，通過新開發(fā)的壓氣機葉輪，以及與渦輪非常精確協(xié)調(diào)的渦輪導(dǎo)向葉片流通截面的幾何形狀，獲得了突出的熱力學(xué)性能。可變渦輪導(dǎo)向葉片可精確且迅速地進行電動調(diào)節(jié)，從而使增壓壓力以極小的滯后達(dá)到最佳調(diào)節(jié)。

BMW公司首次在新型4缸柴油機上裝備了由滾動軸承支承的GT 7型VTG增壓器，新開發(fā)的渦輪與壓氣機葉輪相組合，在效率、瞬態(tài)響應(yīng)和加速性方面創(chuàng)造了最佳記錄。這種新型的轉(zhuǎn)子支承方式降低了摩擦，并獲得了較高的總效率。在開發(fā)這些新技術(shù)時，除了熱力學(xué)目標(biāo)之外，還特別注重提高可靠性和聲學(xué)性能。

無論在3缸機還是4缸機上柴油機都配裝了新一代高壓共軌噴油系統(tǒng)。該噴油系統(tǒng)具有以下性能：⑴最高系統(tǒng)壓力提高到200 MPa；⑵更高的系統(tǒng)動態(tài)性能；⑶燃燒室中更好的燃油準(zhǔn)備。在系統(tǒng)壓力和動態(tài)性能方面滿足具有競爭性要求的關(guān)鍵因素是開關(guān)閥技術(shù)，以及新一代CRI 2.20型電磁閥式噴油器的壓力補償功能。噴油器的設(shè)計與提高的系統(tǒng)壓力和燃燒方面的特殊要求相匹配，而靠近座面的針閥導(dǎo)向明顯改善了噴束品質(zhì)。

6燃燒過程

開發(fā)燃燒過程的重點是改善低轉(zhuǎn)速和中等轉(zhuǎn)速時部分負(fù)荷區(qū)域的性能，其主要的影響因素是：⑴渦輪導(dǎo)向葉片關(guān)閉時的渦輪效率；⑵應(yīng)用具有較小流量的噴油嘴（QH 370/7孔）；⑶系統(tǒng)壓力為200 MPa的電磁閥式噴油器。

改善采用標(biāo)準(zhǔn)部件發(fā)動機的燃燒過程，4缸機上主要表現(xiàn)在發(fā)動機轉(zhuǎn)速1 500 r/min時的負(fù)荷截面上（圖6）。噴油壓力高達(dá)200 MPa的噴油系統(tǒng)，以及經(jīng)優(yōu)化的噴油器、噴油嘴和增壓使得即使功率提高了5 kW，噴油嘴的流量仍可減小25 %，從而降低了燃油耗和碳煙排放，并改善了燃燒噪聲。

圖6--進一步開發(fā)的燃燒室過程

BMW公司在4缸柴油機上首次應(yīng)用的燃燒壓力傳感器有助于改善燃燒過程。最初，這種傳感器被用于調(diào)節(jié)燃燒重心位置，已燃質(zhì)量分?jǐn)?shù)50%的采集和調(diào)節(jié)能明顯減弱進氣空氣質(zhì)量采集誤差的影響，至今已能滿足廢氣排放限值要求，而不會對廢氣排放穩(wěn)定性和駕駛機動性產(chǎn)生不良影響，而且燃燒壓力傳感器又為對燃燒過程施加影響開啟了眾多其他可能性。

7廢氣系統(tǒng)

一直以來，BMW公司將氧化催化轉(zhuǎn)化器（DOC）和吸附式氮氧化物催化轉(zhuǎn)化器（NSC）安裝在同一個殼體中的方案用于柴油汽車，現(xiàn)在這種對性能和成本均有利的結(jié)構(gòu)布置型式也被用于橫置式發(fā)動機車型上（圖7），因此與布置在汽車地板下的選擇性催化還原（SCR）催化轉(zhuǎn)化器相結(jié)合形成1個模塊化裝置，以滿足全球所有可預(yù)見的廢氣排放法規(guī)要求。

圖7--廢氣裝置的熱端（NSC和SCR）

柴油顆粒捕集器（DPF）采用經(jīng)試驗證實有效且具有催化涂層的SiC結(jié)構(gòu)型式。為了減少噪聲和熱輻射，其外殼用帶刺不銹鋼薄板包裹的厚度為10 mm的硅酸鹽纖維護板遮蓋。

排氣后處理系統(tǒng)中的傳感器包括DPF前后的壓差傳感器、催化轉(zhuǎn)化器前后的溫度傳感器，以及DPF后的過量空氣系數(shù)λ傳感器。這種緊湊的結(jié)構(gòu)型式對系統(tǒng)部件應(yīng)用的流動造型及其熱力-機械設(shè)計提出了很高的要求，例如由渦輪增壓器渦旋引起的催化轉(zhuǎn)化器基質(zhì)載體中的不均勻流動需要通過進口喇叭口中的流動整流器得以改善。除了用于歐5或歐6的氧化催化轉(zhuǎn)化器或NSC結(jié)構(gòu)型式之外，圖7還示出了SCR方案，它被用于高負(fù)荷譜車型和美國市場。而AdBlue尿素水溶液計量模塊在上述方案中被作為分離部件使用。

8燃油耗

通過在發(fā)動機摩擦、熱力學(xué)和暖機運轉(zhuǎn)性能等方面的不斷開發(fā)，與老機型相比，新機型相比老機型具有明顯的節(jié)油效果。此外，在3缸機上，通過小型化效果進一步顯示出了通用標(biāo)準(zhǔn)部件的優(yōu)越性。下文將詳細(xì)探討幾種降低CO2排放的措施[1]。

其中，非常注重活塞組的設(shè)計，其主要措施包括：⑴活塞間隙增大40 %；⑵活塞中心線偏移量減小20 %；⑶活塞裙部采用減少摩擦功率的涂層；⑷將活塞環(huán)高度減小到1.5 mm；⑸活塞環(huán)切向力減小25 %。這種活塞組能使新歐洲行駛循環(huán)（NEDC）中的CO2排放量最多降低1 %，并且不會使活塞噪聲和機油消耗量惡化。

通過采用可調(diào)式滑片機油泵還能進一步降低CO2排放，與可開關(guān)的機油噴嘴和減少機油泄漏的主軸承相結(jié)合，能明顯降低部分負(fù)荷運行工況的機油壓力水平，低機油壓力水平可達(dá)0.13 MPa，從而使NEDC中的CO2排放量最多降低2 %。

4缸柴油機采用新型滾動軸承廢氣渦輪增壓器，通過改善效率可使部分負(fù)荷范圍內(nèi)的燃油耗降低1%～2 %。此外，與新型噴油系統(tǒng)相互作用，快速建立增壓壓力，并顯著改善了瞬態(tài)響應(yīng)特性。

3缸柴油機通過優(yōu)化摩擦和熱力學(xué)，為降低CO2排放提供了額外的自由空間，除了從減小排量和改善熱力學(xué)性能所獲得的優(yōu)勢之外，通過縮短暖機運轉(zhuǎn)時間減少了摩擦損失和軸承部位數(shù)目，以及縮小了機油泵。此外，取消了預(yù)熱塞，并減少了預(yù)熱電流的需求量，與2.0 L老機型相比，燃油耗降低9 %,而與1.6 L 4缸柴油機相比，燃油耗降低約5 %。

9功率和扭矩

圖8示出了新型3缸和4缸柴油機的全負(fù)荷特性曲線。所有采用標(biāo)準(zhǔn)部件的機型均在寬廣的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)具有非常豐滿的扭矩特性曲線，從而在2 000 r/min的轉(zhuǎn)速跨度范圍內(nèi)具有90 %的最大扭矩可供使用。

圖8--新型3和4缸柴油機的全負(fù)荷特性曲線

3缸柴油機以70 kW或85 kW功率及220 N·m或279 N·m扭矩覆蓋低功率區(qū)段車型，而4缸柴油機的高功率機型目前已投入量產(chǎn)，相比老機型功率增大5 kW，達(dá)到140 kW，扭矩增大20 N·m，達(dá)到400 N·m。未來，通過向下和向上擴展功率變型充實該柴油機系列。上述情況使在降低CO2排放量高達(dá)9 %的同時顯著改善了車輛的行駛性能（表2）。

表2 配裝3缸和4缸柴油機車型的行駛性能和燃油耗

10聲學(xué)性能

通常，柴油機具有較高的升功率和升扭矩，以及較豐滿的全負(fù)荷特性曲線，因而對聲學(xué)性能提出了特別的要求。特別是在低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi),氣缸數(shù)的減少及增大扭矩所需的增壓壓力的提高增強了運轉(zhuǎn)平穩(wěn)性和空氣流動脈沖的持續(xù)性。額定功率與部分負(fù)荷之間的跨度增大又提出了額外挑戰(zhàn)，而且必須采用固定的噴油嘴尺寸來滿足這種要求。驅(qū)動齒輪中裝有張緊彈簧的平衡軸、進氣空氣管路中的寬帶諧振器，以及內(nèi)襯吸音泡沫材料的進氣罩殼中的阻尼器從力學(xué)和空氣導(dǎo)向上明顯抑制了空氣脈沖的持續(xù)性。

持續(xù)不斷的開發(fā)燃燒過程也對降低燃燒噪聲產(chǎn)生了非常有利的效果。采用工作能力更強的噴油系統(tǒng)使能夠應(yīng)用液力流量減小的噴油嘴，并優(yōu)化了噴射最小噴油量的能力，更好的混合氣準(zhǔn)備使著火滯后縮短，從而獲得了較小的燃燒壓力升高率。

與老機型相比，BMW公司新型3缸和4缸柴油機具有較輕的噪聲，并大幅降低了空氣流動脈沖的持續(xù)性（圖9）。

圖9--聲學(xué)性能的改善（AGD=進氣噪聲阻尼器）

11廢氣排放

通過不斷開發(fā)燃燒過程，新機型的原始排放相比老機型明顯降低，此外，結(jié)合NSC和DPF在內(nèi)的非常有效的近發(fā)動機排氣后處理，廢氣排放以較可靠的差距處于歐6限值以下。同時，新型模塊化排氣后處理系統(tǒng)提供了進一步滿足美國，以及歐洲未來排放限值要求的潛力。

12結(jié)語

為了應(yīng)對未來更嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，BMW公司為其直列式汽油機和柴油機開發(fā)了具有重要意義的標(biāo)準(zhǔn)部件。這些新型動力總成的結(jié)構(gòu)是建立在當(dāng)前柴油機久經(jīng)考驗的可靠的設(shè)計方案基礎(chǔ)之上的，并通過最新的系統(tǒng)開發(fā)充實成1個持久的技術(shù)平臺。新型3缸柴油機以低燃油耗而備受青睞。

作為新發(fā)動機系列中的首批機型，3缸機的2種功率變型和4缸機的高功率機型已投放市場，與老機型相比，新機型的動力性能顯著提高，同時大幅降低了燃油耗，所有目標(biāo)車型的廢氣排放明顯低于未來的歐6限值，此外，配裝新型標(biāo)準(zhǔn)部件柴油機的車型具有良好的聲學(xué)性能。