關(guān)于BMW公司新型高效動(dòng)力學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)系列性能分析

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

摘要:通過(guò)正在開(kāi)發(fā)的高效動(dòng)力學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)系列，BMW首次跨越汽油機(jī)和柴油機(jī)動(dòng)力總成，致力于打造其獨(dú)特的動(dòng)力總成標(biāo)準(zhǔn)組合部件方案。通過(guò)采用縱置式和橫置式安裝方式，以及用氣缸數(shù)改變排量，覆蓋現(xiàn)有發(fā)動(dòng)機(jī)型譜，并且通過(guò)對(duì)性能具有重要意義的結(jié)構(gòu)方面的差異獲得了最佳的發(fā)動(dòng)機(jī)系列。

1標(biāo)準(zhǔn)組合部件的拓展

BMW公司動(dòng)力總成的標(biāo)準(zhǔn)組合部件歷經(jīng)了以往幾代發(fā)動(dòng)機(jī)的持續(xù)開(kāi)發(fā)，就直列式發(fā)動(dòng)機(jī)而言，其通用化率已遠(yuǎn)超過(guò)60 %，并且，水平標(biāo)準(zhǔn)組合部件在燃燒過(guò)程（汽油機(jī)或柴油機(jī)）中處于重要地位，因此根據(jù)進(jìn)一步開(kāi)發(fā)的邊界條件，向在汽油機(jī)和柴油機(jī)中占有明顯較大范圍的垂直標(biāo)準(zhǔn)組合部件方向拓展是新一代發(fā)動(dòng)機(jī)的主要開(kāi)發(fā)目標(biāo)。

制造、開(kāi)發(fā)和采購(gòu)是推動(dòng)這方面工作進(jìn)展的因素，當(dāng)然，首先要確保的是品質(zhì)（圖1），其中包括：⑴通過(guò)汽油機(jī)和柴油機(jī)通用的基礎(chǔ)發(fā)動(dòng)機(jī)平臺(tái)來(lái)協(xié)同開(kāi)發(fā)與制造；⑵由多個(gè)生產(chǎn)基地實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)靈活性（3缸、4缸和6缸汽油機(jī)或柴油機(jī)）；⑶掌控越來(lái)越多的變型機(jī)；⑷汽車(chē)接口的統(tǒng)一；⑸縮短推出新變型機(jī)的時(shí)間間隔；⑹通過(guò)減少方案和零件多樣化提高品質(zhì)，并提供更多的保障；⑺提高采購(gòu)集約化和工業(yè)化程度；⑻為滿足目前和未來(lái)的燃油耗和廢氣排放要求奠定基礎(chǔ)。即使汽油機(jī)與柴油機(jī)達(dá)到最大的通用化程度，BMW公司確定新型標(biāo)準(zhǔn)組合驅(qū)動(dòng)部件的前提和挑戰(zhàn)是按照汽油機(jī)和柴油機(jī)各自燃燒原理達(dá)到最佳性能設(shè)計(jì)，以確保在同類(lèi)機(jī)型競(jìng)爭(zhēng)中處于頂尖地位。

2標(biāo)準(zhǔn)組合部件的構(gòu)建

新型柴油機(jī)和汽油機(jī)標(biāo)準(zhǔn)組合部件定位于單缸排量為0.5 L的3缸、4缸和6缸機(jī)型，從而可獲得1.5 L、2.0L和3.0 L 排量。2014年春季，將新一代發(fā)動(dòng)機(jī)3缸和4缸發(fā)動(dòng)機(jī)（圖2）配裝于新型Mini轎車(chē)。柴油機(jī)和汽油機(jī)均采用布置在燃燒室中央的噴油器和廢氣渦輪增壓作為發(fā)動(dòng)機(jī)統(tǒng)一結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。按照“更多共性，按需差異”的原則，BMW公司首次持續(xù)貫徹柴油機(jī)和汽油機(jī)普遍適用的標(biāo)準(zhǔn)組合部件。除了缸心距、氣缸體曲軸箱結(jié)構(gòu)高度、氣缸蓋和主軸承螺栓間距、平衡軸，以及與汽車(chē)的接口等基本尺寸之外，全鋁結(jié)構(gòu)型式也屬于發(fā)動(dòng)機(jī)共性，而且這些發(fā)動(dòng)機(jī)都在相同的生產(chǎn)線上進(jìn)行加工和裝配。

標(biāo)準(zhǔn)組合部件的核心是用于柴油機(jī)和汽油機(jī)單缸排量為0.5 L的最佳氣缸單元（圖1），它們具有統(tǒng)一的91 mm缸心距，缸徑和行程可毫無(wú)折中地用于各自的燃燒過(guò)程（汽油機(jī)：缸徑82 .0 mm，行程94.6 mm；柴油機(jī)：缸徑84 mm，行程90 mm）（圖2）。新型發(fā)動(dòng)機(jī)系列的3缸和4缸機(jī)型能在不同的汽車(chē)結(jié)構(gòu)中橫向和縱向布置，而6缸機(jī)型只能縱向布置。對(duì)于BMW公司的車(chē)型而言，0.5 L從各方面而言都是最佳的單缸排量。通常，較小的單缸排量使得振動(dòng)較小，并具有較為良好的聲學(xué)性能，特別是摩擦較小和熱力學(xué)效率較高。因此，在考慮到必要的轉(zhuǎn)速范圍、循環(huán)燃油耗和實(shí)際使用燃油耗，以及廢氣排放的情況下，選擇0.5 L作為柴油機(jī)和汽油機(jī)的最佳單缸排量。

在無(wú)需燃燒過(guò)程特有結(jié)構(gòu)型式的部件和系統(tǒng)中，必須使柴油機(jī)與汽油機(jī)之間盡可能通用。例如，將發(fā)動(dòng)機(jī)傳動(dòng)端的正時(shí)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)成2部分的鏈傳動(dòng)，用于機(jī)油和真空回路的串聯(lián)泵用單根鏈條傳動(dòng)并布置在油底殼中。

柴油機(jī)與汽油機(jī)之間零件的通用化率為30%～40 %，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相同的零件數(shù)量也明顯較多，而柴油機(jī)或汽油機(jī)本身的零件通用化率則達(dá)到60%（圖3）。在柴油機(jī)或汽油機(jī)內(nèi)部，氣門(mén)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的零件總是相同的，鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu)則可作為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相同的系統(tǒng)實(shí)例，而它在發(fā)動(dòng)機(jī)接口方面是統(tǒng)一的，但在汽油機(jī)和柴油機(jī)上已對(duì)其承載能力進(jìn)行了仔細(xì)匹配。

特別注意到柴油機(jī)和汽油機(jī)與汽車(chē)接口的統(tǒng)一設(shè)計(jì)（圖4），而且在2種發(fā)動(dòng)機(jī)上的安裝位置和角度是相同的。包括用于原始空氣、冷卻、汽車(chē)電纜束、發(fā)動(dòng)機(jī)支架、變速器或空調(diào)管路等連接點(diǎn)在內(nèi)，安裝在汽車(chē)上的發(fā)動(dòng)機(jī)共有10個(gè)接口，均由標(biāo)準(zhǔn)組合部件連接，這樣可減少汽車(chē)裝配車(chē)間中變型的數(shù)目，從而使裝配具有很大的靈活性。

要實(shí)現(xiàn)內(nèi)容豐富的標(biāo)準(zhǔn)組合部件，在開(kāi)發(fā)初期，產(chǎn)品開(kāi)發(fā)、采購(gòu)和生產(chǎn)之間就必須緊密配合，而且必須詳細(xì)列出對(duì)部件和系統(tǒng)的要求，并在整個(gè)工藝鏈中嚴(yán)格地予以實(shí)施轉(zhuǎn)化，以實(shí)現(xiàn)構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)組合部件的有利效果。除了相應(yīng)的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)組合部件之外，同時(shí)還確定了生產(chǎn)中所使用的汽油機(jī)-柴油機(jī)工藝標(biāo)準(zhǔn)組合部件，并首次在生產(chǎn)中普遍實(shí)施。

3發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)準(zhǔn)組合部件簡(jiǎn)介

除了通用件之外，BMW公司新型高效動(dòng)力學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)系列的標(biāo)準(zhǔn)組合部件還包括許多結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相同的構(gòu)件。下面將分別介紹這兩種類(lèi)型發(fā)動(dòng)機(jī)的系統(tǒng)和部件實(shí)例，例如氣缸體曲軸箱、機(jī)油濾清器模塊、油底殼和齒輪傳動(dòng)室罩蓋等通用件（圖5），而結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相同的構(gòu)件有機(jī)油-真空泵、皮帶傳動(dòng)、冷卻液泵和平衡軸等（圖6）。

4氣缸體曲軸箱

作為BMW公司新型柴油機(jī)和汽油機(jī)系列的重要基礎(chǔ)，氣缸體曲軸箱按照開(kāi)發(fā)目標(biāo)確定了統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，使目前應(yīng)用的結(jié)構(gòu)達(dá)到了整體優(yōu)化。它利用目前汽油機(jī)所保留的技術(shù)（涂層氣缸工作表面），以及目前僅柴油機(jī)應(yīng)用的技術(shù)（高強(qiáng)度軸承和熱處理、深裙和頂面封閉式氣缸體曲軸箱結(jié)構(gòu)，以及整體式平衡軸）。

開(kāi)發(fā)氣缸體曲軸箱的挑戰(zhàn)在于，一方面能夠利用所有發(fā)動(dòng)機(jī)變型（縱置式和橫置式汽油機(jī)或柴油機(jī)）相同的接口發(fā)揮更多的協(xié)同作用，另一方面在能形成性能優(yōu)勢(shì)的部位又要有所差別。在3缸汽油機(jī)和柴油機(jī)上， 采用復(fù)式金屬模制造的整體式鑄鋁毛坯形狀來(lái)應(yīng)對(duì)這種挑戰(zhàn)的。首先在制造加工方面要有所區(qū)別，此外,則要設(shè)計(jì)相同的基礎(chǔ)發(fā)動(dòng)機(jī)介質(zhì)流動(dòng)通路，與機(jī)油濾清器模塊、機(jī)油泵、冷卻液泵、變速器、發(fā)動(dòng)機(jī)支架和起動(dòng)馬達(dá)的接口，以及用于加工和裝配的緊固方案，這樣就能在相同的生產(chǎn)線上實(shí)現(xiàn)汽油機(jī)和柴油機(jī)變型的柔性生產(chǎn)，而在缸徑、主軸承座孔直徑和軸承蓋方面則又有所區(qū)別。

5機(jī)油濾清器模塊

整體式氣缸體曲軸箱的特點(diǎn)是能夠應(yīng)用統(tǒng)一的機(jī)油濾清器模塊，是縱置式和橫置式3缸、4缸汽油機(jī)和柴油機(jī)的通用件。這種塑料結(jié)構(gòu)型式的機(jī)油模塊將機(jī)油濾清器與機(jī)油冷卻器組合成1個(gè)緊湊的整體型式，由發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油-冷卻液熱交換器的模塊化結(jié)構(gòu)尺寸來(lái)滿足不同的冷卻要求。

6油底殼

對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)組合部件發(fā)動(dòng)機(jī)而言, 發(fā)動(dòng)機(jī)在汽車(chē)上的安裝位置是統(tǒng)一的。無(wú)論考慮到汽油機(jī)還是柴油機(jī)的要求，因與氣缸體曲軸箱、發(fā)動(dòng)機(jī)支架和變速器的接口是相同的，因此,用于這兩種類(lèi)型發(fā)動(dòng)機(jī)的油底殼毛坯在各自車(chē)型和驅(qū)動(dòng)方式（前驅(qū)動(dòng)、后驅(qū)動(dòng)和全驅(qū)動(dòng)）下都是統(tǒng)一的，通過(guò)制造加工就能滿足不同要求（例如傳感器的安裝）。標(biāo)準(zhǔn)組合部件發(fā)動(dòng)機(jī)的油底殼均采用鋁壓鑄而成，因變速器連接在油底殼上，這種工藝方法起到了對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)-變速器聯(lián)結(jié)的加固作用，對(duì)在發(fā)動(dòng)機(jī)橫向布置時(shí)（3缸、4缸發(fā)動(dòng)機(jī)）擺動(dòng)支承的連接，以及全驅(qū)動(dòng)時(shí)前橋變速器的連接，則提出了進(jìn)一步的強(qiáng)度要求。

7齒輪傳動(dòng)室罩蓋

用于3缸、4缸汽油機(jī)和柴油機(jī)的齒輪傳動(dòng)室罩蓋也是通用件。這種塑料結(jié)構(gòu)型式的罩蓋被安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)前端，蓋住平衡軸-齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，它既包括曲軸徑向密封圈，也包含有與氣缸體曲軸箱和油底殼的靜態(tài)密封。這種方案的優(yōu)點(diǎn)是質(zhì)量輕、整體式密封和預(yù)裝配連接構(gòu)件，簡(jiǎn)化了裝配工作。

8機(jī)油/真空泵

BMW公司的新型標(biāo)準(zhǔn)組合部件發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)油泵與真空泵組合成1個(gè)整體式單元結(jié)構(gòu)，它與發(fā)動(dòng)機(jī)的連接接口對(duì)于汽油機(jī)和柴油機(jī)動(dòng)力總成是相同的，這樣就能采用統(tǒng)一的機(jī)油/真空泵方案，而汽油機(jī)和柴油機(jī)對(duì)機(jī)油壓力及其體積流量的不同需求則通過(guò)調(diào)整機(jī)油泵內(nèi)齒輪組尺寸予以滿足。因機(jī)油泵的設(shè)計(jì)方案相同，諸如機(jī)油進(jìn)油管、特性曲線場(chǎng)調(diào)節(jié)閥和緊固螺栓都可使用統(tǒng)一的零件。若將機(jī)油泵設(shè)計(jì)成全可變滑片泵，那么，其體積流量則能借助于特性曲線場(chǎng)調(diào)節(jié)閥按需進(jìn)行調(diào)節(jié)。安裝在同一根驅(qū)動(dòng)軸上位于機(jī)油泵后的真空泵也是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相同的部件。

9皮帶傳動(dòng)

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)統(tǒng)一的氣缸體曲軸箱還能使3缸、4缸和6缸汽油機(jī)與柴油機(jī)上的皮帶傳動(dòng)也成為標(biāo)準(zhǔn)組合部件。根據(jù)特定的組裝要求，僅有專門(mén)用于橫置式和縱置式發(fā)動(dòng)機(jī)的2種不同的皮帶傳動(dòng)布置形式，可根據(jù)各自配套車(chē)型的要求采用。發(fā)動(dòng)機(jī)輔助設(shè)備統(tǒng)一布置在進(jìn)氣側(cè)，以便使燃燒過(guò)程專用的增壓和排氣后處理在排氣側(cè)能獲得盡可能大的自由空間。皮帶傳動(dòng)與發(fā)電機(jī)、冷卻液泵、空調(diào)壓縮機(jī)和曲軸皮帶盤(pán)具有統(tǒng)一的連接部位，這就為各輔助設(shè)備準(zhǔn)備了足夠大的寬度，因而降低了連接的復(fù)雜程度，使開(kāi)發(fā)、采購(gòu)和制造的整個(gè)過(guò)程鏈非常協(xié)同。通過(guò)預(yù)緊力和皮帶曲線使所有發(fā)動(dòng)機(jī)都獲得了摩擦優(yōu)化的單皮帶傳動(dòng)。皮帶傳動(dòng)中所有的皮帶盤(pán)尺寸在汽油機(jī)和柴油機(jī)上都是統(tǒng)一的，而皮帶張緊輪、轉(zhuǎn)向輪、發(fā)電機(jī)和空調(diào)壓縮機(jī)也都是通用件。此外，在皮帶傳動(dòng)設(shè)計(jì)中也已考慮到了由發(fā)電機(jī)（起動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)系統(tǒng)）來(lái)承擔(dān)發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)功能。

10冷卻液泵

標(biāo)準(zhǔn)組合部件發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械式冷卻液泵是由發(fā)動(dòng)機(jī)傳動(dòng)的部件。與用于縱置式和橫置式發(fā)動(dòng)機(jī)變型的2種不同皮帶傳動(dòng)類(lèi)似，冷卻液泵也有2種不同的集成方案。在基本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，即使汽油機(jī)和柴油機(jī)對(duì)冷卻液的需求量不同，但仍達(dá)到了很高的通用化程度。在相同的殼體零件、皮帶盤(pán)和軸承，以及統(tǒng)一的輔助設(shè)備支架情況下，通過(guò)葉輪變化和動(dòng)態(tài)壓縮設(shè)計(jì)來(lái)滿足柴油機(jī)和汽油機(jī)的特殊要求，并且在冷卻液泵的基本設(shè)計(jì)方案中已考慮了冷卻液需求量可變和可開(kāi)關(guān)的可能性。在橫置式發(fā)動(dòng)機(jī)上，冷卻液循環(huán)回路中的節(jié)溫器調(diào)節(jié)被設(shè)置在冷卻液泵單元中，根據(jù)使用情況應(yīng)用傳統(tǒng)的或特性曲線場(chǎng)調(diào)節(jié)的節(jié)溫器。

11平衡軸

汽油機(jī)和柴油機(jī)平衡軸單元的布置和傳動(dòng)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上是相同的。在3缸和4缸發(fā)動(dòng)機(jī)上，平衡軸被集成在氣缸體曲軸箱中，并通過(guò)齒輪機(jī)構(gòu)由曲軸驅(qū)動(dòng)。在發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)方面，2種機(jī)型的差別在于，平衡自由慣性力和慣性力矩所需的質(zhì)量比，以及傳動(dòng)齒輪仔細(xì)設(shè)計(jì)時(shí)有關(guān)隔離或夾緊的方式，因此要考慮燃燒基本條件不同的轉(zhuǎn)換瞬間以及確保齒輪傳動(dòng)最佳的聲學(xué)性能。

12降低CO2排放的措施

按照BMW公司高效動(dòng)力學(xué)的理念，新一代柴油機(jī)和汽油機(jī)具有盡可能小的摩擦損失和最好的熱力學(xué)效率。BMW公司的汽油機(jī)采用高效的雙渦輪增壓技術(shù)運(yùn)行，并與缸內(nèi)汽油直噴、全可變進(jìn)氣門(mén)控制和雙渦道廢氣渦輪增壓相結(jié)合，而柴油機(jī)將雙渦輪增壓技術(shù)與共軌高壓直噴和新型可變渦輪幾何截面渦輪增壓器相結(jié)合（圖7）。

首次推出的3缸1.5 L柴油機(jī)和汽油機(jī)具有明顯降低CO2排放的潛力，其原因是具有較為有利的暖機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)性能、較小的摩擦功率、較小的排量，以及由此使運(yùn)行工況點(diǎn)向高效率特性曲線場(chǎng)范圍移動(dòng)。發(fā)動(dòng)機(jī)的油耗在其功率范圍內(nèi)處于頂尖的位置，因此，與傳統(tǒng)1.6 L 4缸汽油機(jī)相比，3缸汽油機(jī)的CO2排放降低了6.2 %。而在動(dòng)力性能方面，高升功率的3缸發(fā)動(dòng)機(jī)也具有相應(yīng)潛力，該發(fā)動(dòng)機(jī)系列覆蓋了55～100 kW的功率型譜，而在新型BMWi8轎車(chē)上則配裝了170 kW的汽油機(jī)機(jī)型。

通過(guò)應(yīng)用不斷優(yōu)化的基礎(chǔ)發(fā)動(dòng)機(jī)、昂貴的熱管理系統(tǒng)、按需調(diào)節(jié)的輔助設(shè)備、按特性曲線場(chǎng)調(diào)節(jié)體積流量的機(jī)油泵、低黏度機(jī)油，以及起動(dòng)-停機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)等一系列的節(jié)油技術(shù)，新型柴油機(jī)和汽油機(jī)達(dá)到了最低的CO2排放值，并能滿足已生效的歐6廢氣排放法規(guī)要求，采用相應(yīng)的排氣后處理系統(tǒng)還能達(dá)到特超低排放車(chē)法規(guī)的限值要求。

13結(jié)語(yǔ)

BMW公司在直列式發(fā)動(dòng)機(jī)上采用了用于產(chǎn)品和工藝的新型緊湊的標(biāo)準(zhǔn)組合部件，重新調(diào)整了發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)發(fā)策略。3缸、4缸和6缸汽油機(jī)與柴油機(jī)之間具有高的通用化程度，在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)、汽車(chē)集成和生產(chǎn)中達(dá)到了高度協(xié)同。沿用了現(xiàn)有發(fā)動(dòng)機(jī)久經(jīng)考驗(yàn)的BMW公司獨(dú)特的核心技術(shù)，又進(jìn)行了進(jìn)一步優(yōu)化，使之更為卓越。所有發(fā)動(dòng)機(jī)均采用噴油器中置的直接噴射和廢氣渦輪增壓。這些發(fā)動(dòng)機(jī)是BMW公司高效動(dòng)力學(xué)策略的重要成果，即使顯著提高了動(dòng)力性能，但對(duì)進(jìn)一步降低BMW公司平均燃油耗作出了重要貢獻(xiàn)。

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