BMW公司新型高效动力学发动机系列

【奥】 F.Steinparzer D.Hiemesch 【德】 N.Ardey W.Mattes

1 标准组合部件的拓展

BMW公司动力总成的标准组合部件历经以往几代发动机的持续开发。就直列式发动机而言，其通用化率已远超60%，并且，水平标准组合部件在燃烧过程（汽油机或柴油机）中处于重要地位。因此，根据进一步开发的边界条件，向在汽油机和柴油机领域占明显较大范围的垂直标准组合部件拓展是新一代发动机的主要开发目标。

制造、开发和采购是推动这方面工作进展的主要因素，当然，首先要确保的是品质，其中包括：（1）通过汽油机和柴油机通用的基础发动机平台，进行协同开发与制造；（2）在多个生产基地实现生产灵活性（3缸、4缸和6缸汽油机或柴油机）；（3）获得越来越多的变型机方案；（4）统 一汽车接口；（5）缩短推出新变型机的周期；（6）通过减少方案和零件多样化提高品质，并提供更多的保障；（7）提高采购集约化和工业化程度；（8）为满足目前和未来的燃油耗和废气排放要求奠定基础。

即使汽油机与柴油机达到最大的通用化程度，BMW公司的研究人员确定，开发新型标准组合驱动部件的前提和挑战是按照汽油机和柴油机各自的燃烧原理，达到最佳性能设计，以确保在同类机型竞争中处于顶尖地位。

2 标准组合部件的构建

新型柴油机和汽油机标准组合部件定位于单缸排量为0.5L的3缸、4缸和6缸机型，可获得1.5L、2.0L和3.0L3种排量。2014年春季，新一代3缸和4缸发动机配装于新型Mini轿车。作为发动机统一结构的基础，柴油机和汽油机均采用布置在燃烧室中央的喷油器和废气涡轮增压。按照“更多共性、按需差异”的原则，BMW公司持续贯彻柴油机和汽油机普遍适用的标准组合部件策略。除了缸心距、气缸体曲轴箱结构高度、气缸盖和主轴承螺栓间距、平衡轴，以及汽车接口等基本尺寸外，全铝结构型式也属于共性配置，而且所有发动机都在相同的生产线上进行加工和装配。

标准组合部件的核心是单缸排量为0.5L的最佳气缸单元（图1），具有统一的91mm缸心距，缸径和行程可毫无折中地用于柴油机或汽油机的燃烧过程（汽油机：缸径82.0mm，行程94.6mm；柴油机：缸径84mm，行程90mm）（图2）。新型发动机系列的3缸和4缸机型能在不同汽车结构中横向或纵向布置，6缸机型只能纵向布置。对于BMW公司的车型而言，从各方面而言，0.5L都是最佳的单缸排量。通常，单缸排量越小，振动就越小，并且声学性能更好，摩擦更小，热力学效率更高。因此，在考虑必要的转速范围、循环燃油耗和实际使用燃油耗，以及废气排放的情况下，选择0.5L作为柴油机和汽油机的最佳单缸排量。

在不需要燃烧过程特有结构型式的系统中，必须实现柴油机与汽油机之间的部件通用化。例如，将发动机传动端的正时传动机构设计成两部分的链传动，用于机油和真空回路的串联泵用单根链条传动，并布置在油底壳中。

柴油机与汽油机之间的零件通用化率为30%～40%，结构设计相同的零件数量也较多，而柴油机或汽油机本身的零件通用化率则达到60%（图3）。在柴油机或汽油机内部，气门传动机构的零件是相同的，链传动机构则可作为结构设计相同的系统实例，它在发动机接口方面是统一的，但在汽油机和柴油机上，已对其承载能力进行仔细匹配。

须特别注意柴油机或汽油机与汽车接口的统一设计（图4），并且在2种发动机上的安装位置和角度必须是相同的。包括用于原始空气、冷却、汽车电缆束、发动机支架、变速器及空调管路等连接点在内，安装在汽车上的发动机共有10个接口，均由标准组合部件连接，可减少汽车装配车间中的变型数量，从而使装配具有很大的灵活性。

要实现内容丰富的标准组合部件，在开发初期，产品开发、采购和生产之间就必须紧密配合，并且详细列出对部件和系统的要求，并在整个工艺链中严格地实施转化，以实现构建标准组合部件的有利效果。除了相应的标准组合部件之外，同时还确定了生产中所使用的汽油机及柴油机标准组合部件工艺，并首次在生产中普遍实施。

3 发动机标准组合部件概要

除通用件之外，BMW公司新型高效动力学发动机系列的标准组合部件还包括许多结构设计相同的构件。下面将分别介绍汽油机与柴油机的系统和部件实例，例如气缸体曲轴箱、机油滤清器模块、油底壳和齿轮传动室罩盖等通用件（图5），而结构设计相同的构件有机油-真空泵、皮带传动、冷却液泵和平衡轴等（图6）。

4 气缸体曲轴箱

作为BMW公司新型柴油机和汽油机系列的重要基础，按照开发目标对气缸体曲轴箱确定统一的结构特点，使目前应用的结构达到整体优化。具体来讲，就是利用目前汽油机的保留技术（涂层气缸工作表面），以及目前只用于柴油机的技术（高强度轴承和热处理、深裙和顶面封闭式气缸体曲轴箱结构，以及整体式平衡轴）。

开发气缸体曲轴箱的挑战在于，能够利用所有发动机变型（纵置式和横置式汽油机或柴油机）的相同接口发挥更多的协同作用，同时又在具备性能优势的部位有所差别。在3缸汽油机和柴油机上，采用复式金属模制造的整体式铸铝毛坯来应对这种挑战。首先在制造加工方面有所区别，此外，须设计相同的基础发动机介质流动通路，与机油滤清器模块、机油泵、冷却液泵、变速器、发动机支架、起动马达的接口，以及用于加工和装配的紧固方案，这样就能在相同的生产线上实现汽油机和柴油机变型的柔性生产，而在缸径、主轴承座孔直径和轴承盖方面则又有所区别。

5 机油滤清器模块

整体式气缸体曲轴箱的特点是能够应用统一的机油滤清器模块，这是纵置式和横置式3缸、4缸汽油机或柴油机的通用件。这种塑料结构的机油模块将机油滤清器与机油冷却器组合成紧凑的整体型式，由发动机机油-冷却液热交换器的模块化结构尺寸来满足不同的冷却要求。

6 油底壳

对于标准组合部件发动机而言，其在汽车上的安装位置是统一的。对于汽油机和柴油机的安装要求而言，因与气缸体曲轴箱、发动机支架和变速器的接口是相同的，因此，这两种发动机的油底壳毛坯在各自车型和驱动方式（前驱、后驱或全驱）下都是统一的，通过制造加工，就能满足不同要求（例如传感器的安装）。标准组合部件发动机的油底壳均由铝压铸而成，因变速器连接在油底壳上，这种工艺方法具有对发动机-变速器联结的加固作用，针对在发动机横向布置时（3缸、4缸发动机）摆动支承的连接，以及全驱时前桥变速器的连接，则提出了进一步的强度要求。

7 齿轮传动室罩盖

用于3缸、4缸汽油机和柴油机的齿轮传动室罩盖也是通用件。这种塑料结构的罩盖被安装在发动机前端，盖住平衡轴-齿轮传动机构，其中既包括曲轴径向密封圈，也包含与气缸体曲轴箱和油底壳的静态密封。这种方案的优点是质量轻，并具备整体式密封和预装配连接构件，从而能简化装配工作。

8 机油-真空泵

BMW公司新型标准组合部件发动机的机油泵与真空泵被组合成1个整体式单元结构，它与发动机的接口在汽油机或柴油机中是相同的，这样就能统一机油-真空泵方案，而汽油机和柴油机对机油压力及体积流量的不同需求则通过调整机油泵内的齿轮组尺寸予以满足。因机油泵的设计方案相同，机油进油管、特性曲线场调节阀和紧固螺栓等都可使用统一的零件。若将机油泵设计成全可变滑片泵，那么，其体积流量则能借助于特性曲线场调节阀进行按需调节。安装在同一根驱动轴上的真空泵位于机油泵后，也是结构设计相同的部件。

9 皮带传动

结构设计统一的气缸体曲轴箱还能使3缸、4缸和6缸汽油机与柴油机上的皮带传动也成为标准组合部件。根据特定的组装要求，只有专门用于横置式和纵置式发动机的2种不同皮带传动布置型式，可根据配套车型的要求分别应用。发动机辅助设备统一布置在进气侧，以便使燃烧过程专用的增压和排气后处理在排气侧获得尽可能大的自由空间。皮带传动与发电机、冷却液泵、空调压缩机和曲轴皮带盘具有统一的接口，为各辅助设备留出足够宽度，因而降低了连接的复杂程度，使开发、采购和制造的整个过程链更为协调。通过预紧力和皮带曲线，使所有发动机都获得摩擦优化的单皮带传动。汽油机和柴油机上的皮带传动所有皮带盘尺寸都是统一的，而皮带张紧轮、转向轮、发电机和空调压缩机也都是通用件。此外，在皮带传动设计中，由发电机（起动机-发电机系统）来承担发动机的起动功能。

10 冷却液泵

标准组合部件发动机的机械式冷却液泵是由发动机传动的部件。与用于纵置式和横置式发动机变型的2种不同皮带传动类似，冷却液泵也有2种不同集成方案。在基本结构设计中，即使汽油机和柴油机对冷却液的需求量不同，但仍达到了很高的通用化程度。在相同的壳体零件、皮带盘、轴承，以及统一的辅助设备支架条件下，通过叶轮变化和动态压缩设计来满足柴油机和汽油机的特殊要求，并且，在冷却液泵的基本设计方案中，已考虑了冷却液需求量可变和可开关的可能性。在横置式发动机上，冷却液循环回路中的节温器调节被设置在冷却液泵单元中，可根据使用情况，应用传统的或由特性曲线场调节的节温器。

11 平衡轴

汽油机和柴油机平衡轴单元的布置和传动在结构设计上是相同的。在3缸和4缸发动机上，平衡轴被集成在气缸体曲轴箱中，并通过齿轮机构由曲轴驱动。在发动机设计方面，2种机型的差别在于，平衡自由惯性力和惯性力矩所需的质量比，以及在传动齿轮细节设计时有关隔离或夹紧的方式。因此，要考虑燃烧基本条件不同的转换瞬间，确保齿轮传动最佳的声学性能。

12 降低CO2排放的措施

按照BMW公司高效动力学的理念，新一代的柴油机和汽油机应具有尽可能小的摩擦损失和最好的热力学效率。BMW公司的汽油机采用高效的双动力涡轮增压技术运行，并与缸内汽油直喷、全可变进气门控制和双涡道废气涡轮增压相结合；柴油机则应用双动力涡轮增压技术与共轨高压直喷和新型可变截面涡轮增压器相结合的技术方案（图7）。

首次推出的3缸1.5L柴油机和汽油机具有明显降低CO2排放的潜力，这应归功于较为有利的暖机运转性能、较小的摩擦功率、较小的排量，以及运行工况点向高效率特性曲线场范围的移动。发动机燃油耗在其功率范围内处于顶尖位置，因此，与传统1.6L4缸汽油机相比，3缸汽油机的CO2排放量降低6.2%。在动力性能方面，高升功率的3缸发动机也具有相应潜力，该发动机系列覆盖了55～100kW的功率型谱，而在新型BMW i8轿车上则配装170kW的汽油机机型。

通过应用不断优化的基础发动机、昂贵的热管理系统、按需调节的辅助设备、按特性曲线场调节体积流量的机油泵、低黏度机油，以及起动-停机自动控制系统等一系列节油技术，新型柴油机和汽油机达到最低的CO2排放值，并能满足已生效的欧6排放法规要求，采用相应的排气后处理系统后，还能达到特超低排放车标准的限值要求。

13 结语

BMW公司在直列式发动机上采用新型紧凑的标准组合部件，重新调整了发动机开发策略。3缸、4缸和6缸汽油机与柴油机之间具有较高的通用化程度，在产品开发、汽车集成和生产中达到了高度协调。沿用了BMW公司久经考验的发动机核心技术，又进行进一步优化，使其性能更佳。所有发动机均采用喷油器中置的直接喷射方式和废气涡轮增压。这是BMW公司高效动力学策略的重要成果，既显著提高了动力性能，又对进一步降低公司平均燃油耗作出了重要贡献。