BMW公司320d型轿车用双功率涡轮增压柴油机

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1 轿车用柴油机

现代汽车面对的最重要课题是减少CO2排放，为此正在进行各种开发研究。柴油机由于燃烧循环特性，热效率比汽油机高，作为减少CO2排放的有效技术，再次引起人们的关注。

近25年间，由于多种原因，配装柴油机的轿车销售比例正快速上升。尤其是欧洲汽车工业协会(ACEA)为实现流动性社会的可持续发展，规定了每家汽车制造商的CO2平均排放量的最大目标值。

由于废气排放及CO2等法规限值的收紧，汽油机除了采用直喷技术、增压技术外，也要采用各种可变机构，相比于柴油机，汽油机正在失去结构零件简单、成本低的优越性。

另一方面，随着燃油喷射技术及增压技术的提高，柴油机曾经的缺点，如比功率低、噪声大，以及冒黑烟的问题已得到改善，达到可与汽油机相匹敌的水平。

目前，柴油机与汽油机应用的涵盖范围有较大的重叠，从其目标性能来看，排放达到法规限值之后，设定更高的扭矩与输出功率目标，从而要求超过目前水平的优异的燃油经济性能，并进一步降低CO2排放。

1.1 BMW公司轿车用柴油机

BMW公司1983年以M20型6缸汽油机为基础，开发轿车专用M21型柴油机，并配装到BMW公司524td型轿车上。该发动机采用了当时的小型柴油机上使用较多的过流室式直接喷射(IDI)的燃烧方式，该车型以接近汽油车的动力性能与良好的燃油经济性，受到长途驾驶用户的欢迎。

随着6缸汽油机逐渐被更新为M51型柴油机，为了持续对燃烧室进行改进，中间冷却器的采用等目标，在1991年实现了轿车用柴油机的高性能化与轻量化。

1998年，第三代M47型柴油机面市(图1)。这款4缸柴油机采用BMW公司的首例缸内直喷技术，随后开发了6缸(M57)及8缸(M67)柴油机，并配装到740d型轿车(排量3.9 L，功率175 kW，扭矩560 N·m)和745d型轿车(2006年款，排量4.4 L，功率242 kW，扭矩750 N·m)上。

图1 M47型发动机外观

1.2 发动机性能的变迁

图2示出了1983—2012年的BMW柴油机(以6缸发动机为例)的性能变迁。从配装于524td型轿车的2.4 L发动机，到配装于M550d型轿车上装有3个涡轮增压器的3.0 L发动机，扭矩增加了352%，功率提高了329%，燃油耗改善了11%。其排放性能满足欧6排放法规限值要求。

图2 1983—2012年发动机性能变迁

1.3 面向高性能化的途径

自从轿车用柴油机上引入直喷系统以来，其发动机性能的提高出现显著的变化。

随着直喷化技术的应用，喷油器在气缸中央进行布置，使得4个进、排气门的布置成为可能，推进了兼顾高填充效率与适合于燃烧的进气流动的进排气系统的设计。

燃油喷射系统利用共轨喷油系统，以及压电式/电磁阀式喷油器，在发动机宽广的转速范围与负荷工况下实现高的效率，使清洁燃烧成为可能。

对实现上述目标作出较大的贡献的是高压燃油喷射，喷油器动作控制的精确化和多样化。为了实现燃油稳定地雾化和喷射，开发具备更高喷油压力及更高喷油响应性的燃油喷射系统。

为了产生更高比功率和比扭矩，需要将更多的空气供给发动机。目前正在引进的技术有：涡轮增压器的高效化、提高中冷器的冷却性能和应用可变喷嘴涡轮增压器，并采用了多级增压等增压技术。尤其在轿车方面，利用对负荷变化的高响应性，在同样宽广的发动机转速范围内，能获得较高的增压压力。

为提高车辆性能，发动机的轻量化也较为重要。为了满足发动机排放法规要求，以及实现发动机高性能化，应用了各类机构和零件，性能增多，质量增加，这对发动机轻量化带来了更大困难。首先，将发动机单件质量最高的机体材质由铸铁转换为铝合金铸件。为确保机体刚度，从结构上进行重新评价，以及加强轴承部件的结合刚度，气缸部采用铸铁缸套，而且同时引进缸套喷镀处理等技术。

图3表示机体的材料与质量的变迁(以6缸发动机为实例)。

图3 发动机机体材料和质量的演变

①为了符合原著本意，本文仍沿用原著中的非法定单位——编注。

1.4 排放法规

发动机的废气排放法规限值逐年在收紧(图4)。由于CO2排放量相对较少，而在引起人们关注的柴油机排放气体中，尤其要把削减氮氧化物(NOx)与颗粒物(PM)的排放作为重要课题进行研究。

图4 柴油机排放法规

图5表示BMW公司削减柴油机有害气体排放的路线图。

图5 BMW公司的柴油机排气后处理技术

2 新型320d轿车用发动机

最新的BMW 3系(F30型)轿车自2012年开始投放市场，在日本销售的初期，成为320d型轿车系列的柴油车型成员。配装到320d型轿车上的发动机机型，是型号为N47D2001的4缸柴油机。

在BMW公司，采用了以下所述发动机开发理念。使用涡轮增压时，与可变机构组合，使涡轮增压器发挥更好效果。汽油机采用了全可变气门机构与涡轮增压技术，平行双涡轮及双入口涡轮等；柴油机则采用两级涡轮增压及电子控制电动可变喷嘴涡轮与新一代共轨喷油系统的组合，将这些组合总称为“双功率涡轮”汽油机/柴油机。

以往，配装柴油机的轿车在日本市场普及率不高，由于引入了320d型轿车，装用柴油机的车型(320d型轿车)占了系列车型销量的30%左右。而且，在日本来自其他公司的替代车辆不多，高性能的柴油车的需求量较大。

表1列出了发动机的技术规格，并且与汽油机的对比情况。2种发动机都采用BMW公司缸心距91 mm的基本型发动机，并采用铸造铝合金机体。

320d型轿车JC08工况下的燃油耗为19.4 kW/L，汽油车320i型轿车为16.6 km/L，柴油车燃油耗相对降低了17%。

2.1 基本结构

N47型发动机采用了与N20型4缸汽油机通用的铝合金铸造机体，利用1对平衡轴以抵消二次旋转振动。该平衡轴的轴承采用滚针轴承以降低摩擦损失。另外，该平衡轴驱动中还使用了零齿隙齿轮。

表1 320d和320i发动机技术规格

在铝合金机体的设计中使用了仿生工程学。图6表示在机体的设计中，仿生学应用的实例。在合理的机体结构中实现轻量化的同时，也改善了发动机的噪声和振动。

图6 铝合金机体仿生学设计

运用最新的流体力学的解析与设计技术，从新鲜空气引进口到排气管出口进行了重新评价。要求合理应对多样化的发动机规格进行改进。由于进、排气设置空间的制约条件较多，在有限的空间中进行了最佳的通道设计。图7为涡轮增压器压气机入口部的设计实例。相比于传统的压气机入口存在流动偏差，导致压气机实际效率降低，新型压气机入口设计要求形成均匀的流动。随着压气机入口的压力损失减少，提高了效率。

图7 压气机入口的流动

关于机构部分，由于分别进行详细的分析，推进了发动机轻量化的实施。图8示出了连杆大、小头部的设计。连杆杆身部变更为减轻质量后的形状，在实现轻量化的同时，使轴承承载负荷均匀化。并使其最大值分别削减30%左右，降低了摩擦损失。

图8 发动机连杆小头部

2.2 燃油喷射系统

该机型燃油喷射系统采用第三代共轨燃油系统，使用180 MPa喷油压力的电磁阀式喷油器进行喷油。

为喷油泵供给燃油的供油泵变更动态控制喷油泵所需要的燃油量及压力。由于这种控制的变更，燃油经济性提高了约1%(图9)。

在高功率版本发动机中(功率160 kW，扭矩450 N·m)，采用200 MPa燃油压力的压电式喷油器。

图9 燃油压力控制

2.3 增压系统

BMW公司以带可变喷嘴的涡轮增压器(VNG)为核心，尝试运用机械式增压器、电动式增压器、两级涡轮增压器，平行双涡轮增压器、组合了平行双涡轮与两级增压器的装备3个涡轮的增压器等各种增压方式。根据必要的扭矩特性及发动机尺寸，采用了最佳的增压系统。在320d型轿车上，采用了常见的VNG。高性能规格车辆上，采用着两级增压系统，即低压级使用大型涡轮，高压级使用小型VNG。

正如前文所述，进、排气系统的通道设计对填充效率及涡轮增压器效率有较大的影响，所以，不是按单件涡轮进行设计，而是将涡轮与前后的通道进行整体设计。

设定以可变喷嘴为首的涡轮控制因素，采用电子控制，利用前馈控制方式使过渡性能、燃油耗及排放性能实现较高水平的平衡。

2.4 发动机性能

图10表示发动机性能曲线，在1 500～3 700 r/min的宽广转速范围内可以产生90%左右的最大扭矩。

图10 N47D2001发动机功率特性

最高输出功率与汽油机相同，最大扭矩高达140%，高速行驶时，无需换档减速，即可实现强劲的加速。

2.5 排气后处理

按照图5所示的BMW公司削减废气排放路线图，在320d型轿车上用DPF进行PM的处理，用氧化催化器处理CO与HC，用PM NSC进行NOx的后处理，其排放性能满足欧6标准要求。

为了满足欧6标准要求，首要目的是控制基本的发动机本体的排放，利用燃油喷射定时、喷油量、喷雾(燃油雾化)特性与燃烧室结构，确保基本燃烧特性。使CO、HC及PM达到最小限度之后，利用充分冷却的大流量EGR，降低NOx排放。

用DPF捕集PM，用氧化催化器使HC、CO氧化，进行无害化处理。在较轻整备质量的BMW 3系列车型上，采用NSC。在发动机排气部—涡轮后方设置NSC与DPF，正常运转时吸附NOx与PM，使吸附到一定数量排放物的发动机按短时间再生模式进行运转，还原无害化处理后进行排放(图11)。

图11 NSC系统

2.6 削减CO2排放

按照行驶(试验)工况的燃油耗进行比较，在很宽的转速范围内，320d型轿车相比于320i汽油机轿车的燃油耗改善了20%～25%(图12)。因此320d型轿车在欧洲的销售业绩良好。以此为据，企业为达到削减CO2排放量的目标也作出了贡献。

3 今后的展望

今后的CO2排放法规限值将会进一步收紧，有必要为进一步改善燃油耗进行开发。因此，期待以下各种新技术的引进与应用：先进燃烧技术、增压技术，降低燃油耗，以及利用比功率增加，置换为小排量及气缸数少的发动机，实现发动机小型化。同时，引进与电动驱动组合的混合动力系统，热量回收技术等。

为了发动机小型化，使气缸数减少，发动机的振动情况会恶化，所以必须采用平衡装置。通过零部件的精制、装配等技术改进，以降低振动，也是一项重要的课题。另外，利用消声、隔噪、音质的调谐等技术，避免降低整车舒适性，致力于进一步提高舒适性的研究也是迫在眉睫。

进行新技术开发需要巨大的开发经费，所以，BMW公司设定1个气缸的基本排量为500 mL，并以此为基础研发了各种排量、气缸数的发动机，并采用通用的燃油喷射技术。另外，模块化也是进行柴油机与汽油机的通用化手段之一，目前，研发人员正在致力于发动机结构更详细的合理化设计。