BMW公司新型3缸和4缸轿车柴油机



BMW公司新型3缸和4缸轿车柴油机

【德】N.Ardey【奥】W.StützD.HiemeschM.Kaufmann

摘要：BMW公司为直列式发动机开发的新标准部件在汽油机和柴油机上具有很高的通用性。简单介绍3缸和4缸轿车柴油机的开发过程，它们已被配装于Mini和BMW X3车型。

关键词：柴油机燃油耗CO2排放

1标准部件理念的不断发展

自1991年起，BMW公司不断在柴油机上贯彻标准部件理念。为了应对未来越来越高的要求，并将资源集中于开发高效内燃机，BMW公司设计了汽油机和柴油机通用的标准部件[1,2]，并最终将其扩展成包括所有3缸、4缸和6缸汽油机与柴油机在内的全新发动机系列，开发目标是所有直列式发动机都建立在相同的基础发动机平台和统一的发动机外围设备基础上。

最初开发了2种3缸轿车柴油机，分别配装于功率为70kW和85kW的Mini车型。新型4缸机首先配装于新型BMW X3车型，功率比老机型提高5kW，达140kW，为中等功率等级。今后将有不同功率等级的机型配装于更多的车型。

2目标设定

新型汽油机和柴油机的开发目标如下： 开发更高效、更紧凑、更轻巧且功率更强劲的发动机，并能满足未来更严格的法规要求。汽油机和柴油机的开发目标仅有细微差异[3]，柴油机的设计任务书规定： (1)顶级机型的升功率高于80kW；(2)从略微超过怠速转速起,就具有丰满的扭矩特性曲线；(3)具有明显改善的瞬态响应特性；(4)在用户实际使用和法定行驶循环中具有低燃油耗的特点；(5)具有满足全球最严格废气排放法规限值要求的潜力；(6)采用铝气缸体曲轴箱的轻型结构型式；(7)优化基础发动机设计，使摩擦损失最小；(8)采用质量平衡机构，使3缸和4缸机型均具有较高的运转平稳性。

此外，通用的汽油机和柴油机系列具有以下特点: (1)可在多个生产基地柔性生产(3缸、4缸和6缸汽油机与柴油机)；(2)在相同的基础发动机平台上迅速推出不同技术方案；(3)快速推出变型机；(4)所有的变型机与整车具有统一的接口。

面临的其他挑战是，即使具有最大的通用化程度，各种变型机都要达到最佳的性能设计，以确保在竞争中的顶尖地位。

3设计方案

新型3缸和4缸柴油机结构沿用2007年款柴油机的可靠结构型式，并采用BMW公司多年来传统的发动机缸心距，单缸排量为0.5L，由气缸数覆盖所需的排量跨度(表1)。集成平衡轴的气缸体曲轴箱,以及位于油底壳内的组合式机油泵和真空泵是紧凑轻型结构发动机的基础，链传动机构被布置在发动机后端，辅助设备布置在进气侧，因此，可将增压和近发动机后处理装置自由地布置在排气侧。图1为BMW公司新型轿车柴油机的外观，图2为新型3缸柴油机的纵向剖视图。

表1　3缸和4缸柴油机的主要技术规格

4基础发动机结构型式

铝气缸体曲轴箱由目前的柴油机系列演变而来，采用金属模铸造并经过热处理，沿用变速器侧刚性连接的高压泵法兰，以及预浇铸的冷却液和机油通道等可靠的结构设计特点(图3)。在BMW公司的柴油机上首次采用气缸套工作表面激光直接成型(LDS)喷镀涂层，LDS涂层厚度仅0.3mm，与传统的灰铸铁气缸套相比，具有更好的散热性和耐磨性。这种解决方案是建立在BMW公司汽油机制造工艺和产品开发经验基础上的。

为了不断降低摩擦，采用不同的连杆轴承直径。最高燃烧压力超过16MPa的变型机选用50mm的连杆轴承直径，最高燃烧压力较低的机型则选用45mm的连杆轴承直径，均采用较长的连杆来降低活塞摩擦。同时，特别注重优化气缸-活塞摩擦副的设计，因气缸孔具有刚性的结构型式，因此能进一步降低3道活塞环的张力。3缸和4缸机的锻钢曲轴各有4个平衡块。喷油泵和凸轮轴由低振动的曲轴后端链轮驱动(图4)。2种机型的滚动轴承平衡轴均由齿轮驱动，4缸机的2根高置平衡轴由热压配合在最后一个曲柄臂位置上的齿轮驱动。3缸机的一阶自由惯性力矩由支承在气缸体曲轴箱中的锻钢平衡轴来平衡，由曲轴前端的整体式齿轮驱动。为了改善声学性能，柴油机应用张紧直齿轮，并加装弹簧，转动时齿面啮合转换平稳，消除了怠速运转时齿轮啮合的异响。

与BMW公司所有柴油机一样，链传动机构由3部分组成，在链条平面上形成连套的紧凑结构型式。系统中的大多数部件都是可用于其他标准部件发动机的通用件。在量产时首次应用具有物理汽相沉积涂层铆钉的链条，这种涂层可消除链条在被积炭污染的发动机机油中对磨损的敏感性。

油底壳中组合式机油泵和真空泵的设计方案是在现有量产柴油机的基础上演变而来的。全可变滑片式机油泵则是全新开发的，带有1个调节阀，其体积流量可在整个特性曲线场范围内进行调节。这种调节方式允许发动机在宽广的特性曲线场范围内以低机油压力运行，而机油喷嘴能以不同的压力水平打开或关闭，从而获得显著的节油效果(图5)。

5增压和喷油

柴油机的产品性能主要取决于增压系统和喷油系统，相应的创新技术已被用于量产。BMW公司在新型3缸柴油机上应用型号为“VTG 35”的可变涡轮截面(VTG)增压器，通过新开发的压气机叶轮，以及与涡轮精确协调的涡轮导向叶片流通截面几何形状，获得突出的热力学性能。可变涡轮导向叶片可精确、迅速地进行电动调节，从而以极小的滞后实现最佳的增压压力调节。

BMW公司首次在新型4缸柴油机上装配由滚动轴承支承的GT 7型VTG增压器，新开发的涡轮与压气机叶轮相结合，在效率、瞬态响应和加速性能方面创造了最佳记录。这种新型的转子支承方式能降低摩擦，并具有较高的总效率。在开发这些新技术时，除热力学目标外，还特别注重提高可靠性和声学性能。

在3缸和4缸柴油机上都配装了新一代高压共轨喷油系统，该喷油系统具有以下特性： (1)最高系统压力提高到200MPa；(2)更高的系统动态性能；(3)燃烧室中更好的燃油准备。在系统压力和动态性能方面具有竞争性要求的关键因素是开关阀技术，以及新一代CRI 2.20型电磁阀式喷油器的压力补偿功能。喷油器的设计能与提高的系统压力和燃烧方面的特殊要求相匹配，同时，靠近座面的针阀导向明显改善了燃油喷束品质。

6燃烧过程

开发燃烧过程的重点是改善低转速和中等转速时部分负荷区域的性能，其主要的影响因素包括： (1)关闭涡轮导向叶片时的涡轮效率；(2)应用具有较小流量的喷油嘴(QH 370，7孔)；(3)系统压力为200MPa的电磁阀式喷油器。

标准部件发动机燃烧过程的改善主要表现在4缸发动机转速1500r/min时的负荷截面上(图6)。喷油压力高达200MPa的喷油系统，以及经优化的喷油器、喷油嘴和增压使功率提高5kW，喷油嘴流量减小25%，从而降低了燃油耗和碳烟排放，并改善了燃烧噪声。

BMW公司在4缸柴油机上首次应用的燃烧压力传感器有助于改善燃烧过程。最初，这种传感器被用于调节燃烧重心位置，50%已燃质量百分数(MFB-50)点的采集和调节能明显减弱进气空气质量采集误差的影响，满足废气排放限值要求，而不会对废气排放稳定性和驾驶机动性产生不良影响。而且，燃烧压力传感器又为对燃烧过程施加影响开启了其他可能性。

7排气后处理系统

一直以来，BMW公司都将氧化催化转化器(DOC)和吸附式氮氧化物催化转化器(NSC)集成于同一壳体的方案用于柴油车，现在，这种对性能和成本均有利的结构布置型式也被用于横置式发动机车型(图7)，并与布置在汽车地板下的选择性催化还原(SCR)转化器相结合，形成1个模块化装置，以满足可预见的全球废气排放法规要求。

柴油机颗粒捕集器(DPF)采用经试验证实有效的具有催化剂涂层的SiC结构型式。为了减少噪声和热辐射，其外壳用带刺不锈钢薄板包裹的厚度为10mm的硅酸盐纤维护板遮盖。

排气后处理系统的传感器包括DPF前后的压差传感器、催化转化器前后的温度传感器，以及DPF后的过量空气系数λ传感器。这种紧凑的结构型式对系统部件的流动造型及其热力-机械设计提出很高的要求，例如，由涡轮增压器涡旋引起的催化转化器基质载体中的不均匀流动必须通过喇叭形进口中的流动整流器加以改善。除了用于欧5或欧6的DOC或NSC结构型式外，图7还示出了SCR方案，它被用于高功率车型并投放美国市场。AdBlue尿素溶液计量模块在上述方案中作为被分离部件使用。

8燃油耗

通过在发动机摩擦、热力学和暖机运转性能等方面的不断开发，与老机型相比，新机型具有明显的节油效果。此外，在3缸机上，通过小型化措施，进一步展示出通用标准部件的优越性。下文将详细探讨几种降低CO2排放的措施[1]。

其中，活塞组的主要设计措施包括： (1)活塞间隙增大40%；(2)活塞中心线偏移量减小20%；(3)活塞裙部采用能降低摩擦功率的涂层；(4)活塞环高度缩小到1.5mm；(5)活塞环切向力减小25%。这种活塞组能使新欧洲行驶循环(NEDC)下的CO2排放量最多降低1%，并且不会影响活塞噪声和机油消耗量。

通过采用可调式滑片机油泵，还能进一步降低CO2排放，与可开关的机油喷嘴和可减少机油泄漏的主轴承相结合，能明显降低部分负荷运行工况的机油压力水平，机油压力可低至0.13MPa，从而使NEDC的CO2排放量最多降低2%。

4缸柴油机采用新型滚动轴承废气涡轮增压器，通过改善效率，可使部分负荷工况燃油耗降低1%～2%。此外，与新型喷油系统相结合，还能快速建立增压压力，显著改善瞬态响应特性。

通过优化摩擦和热力学，为降低3缸柴油机的CO2排放提供了额外的自由空间，除来自缩小排量和改善热力学性能的优势外，还采取通过缩短暖机运转时间减少摩擦损失，以及减少轴承数、缩小机油泵等措施。此外，还取消预热塞，并减少预热电流的需求量，最终，与2.0L老机型相比，燃油耗降低9%,与1.6L 4缸柴油机相比，燃油耗降低约5%。

9功率和扭矩

图8示出了新型3缸和4缸柴油机的全负荷特性曲线。所有采用标准部件的机型均在宽广的转速范围内具有丰满的扭矩特性曲线，从而可在2000r/min的转速跨度范围内提供90%的最大扭矩。

3缸柴油机以70kW功率、220N·m扭矩或85kW功率、270N·m扭矩覆盖低功率车型；4缸柴油机的高功率机型目前已投入量产，相比老机型功率增加5kW，达140kW，扭矩增加20N·m，达400N·m。未来，还将通过向下和向上扩展功率变型,充实该柴油机系列。此次开发的结果是CO2排放量降低9%，同时显著改善了车辆的行驶性能(表2)。

表2　3缸和4缸柴油机车型的行驶性能和燃油耗

10声学性能

通常，柴油机具有较高的升功率和升扭矩，以及较丰满的全负荷特性曲线，因而对声学性能提出特殊要求。特别是在低转速区域,气缸数的减少及增大扭矩所需的增压压力升高增强了运转平稳性和空气流动脉冲的持续性。额定功率与部分负荷之间的跨度增大又提出新挑战，而且必须采用固定的喷油嘴尺寸来满足这种要求。驱动齿轮中装有张紧弹簧的平衡轴、进气空气管路中的宽带谐振器，以及内衬吸音泡沫材料的进气罩壳中的阻尼器，都在力学和空气导向方面明显抑制了空气脉冲的持续性。

持续改进燃烧过程也对降低燃烧噪声产生了非常有利的效果。采用工作能力更强的喷油系统，使其能够应用液力流量较小的喷油嘴，并优化最小喷油量的喷射能力，更好的混合气准备使着火滞后缩短，从而获得较小的燃烧压力升高率。

与旧机型相比，BMW公司新型3缸和4缸柴油机具有较低的噪声，并大幅降低了空气流动脉冲的持续性(图9)。

11废气排放

通过不断开发燃烧过程，新机型的原始排放相比老机型明显降低。此外，结合NSC和DPF等近发动机排气后处理装置，新车型的废气排放以较可靠的差距处于欧6限值以下。同时，新型模块化排气后处理系统具有进一步满足美国和欧洲未来排放限值要求的潜力。

12结语

为了应对未来更严峻的挑战，BMW公司为直列

式汽油机和柴油机开发了具有重要意义的标准部件。这些新型动力总成的结构是建立在当前柴油机的可靠设计方案基础之上的，并通过最新的系统开发构建了一个持久的技术平台。新型3缸柴油机以低燃油耗而倍受青睐。

作为新发动机系列的首批机型，3缸机的2种功率变型和4缸机的高功率机型已投放市场。与旧机型相比，新机型的动力性能显著提高，同时大幅降低了燃油耗，所有目标车型的废气排放明显低于未来的欧6限值。此外，配装新型标准部件柴油机的车型还具有良好的声学性能。

参考文献

[1] Ardey N, Wichtl R, Steinmayr T, u.a. Die neuen BMW 3-und 4-Zylinder dieselmotoren mit twin-power turbo technologie[C].35. Internationales Wiener Motorensymposium, 2014.

[2] Steinparzer F, Ardey N, Mattes W, u.a. Die neue efficient-dynamics-motorenfamilie von BMW[J]. MTZ, 2014,75(5).

[3] Steinparzer F, Schwarz Ch, Rülicke M, u.a. Die neuen drei-und vierzylinder-ottomotoren von BMW[J]. MTZ, 2014,75(6).

范明强译自MTZ， 2014， 75(7/8)

张慰编辑

收稿日期：( 2014-11-19)