关于BMW公司新型高效动力学发动机系列性能分析

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

摘要:通过正在开发的高效动力学发动机系列，BMW首次跨越汽油机和柴油机动力总成，致力于打造其独特的动力总成标准组合部件方案。通过采用纵置式和横置式安装方式，以及用气缸数改变排量，覆盖现有发动机型谱，并且通过对性能具有重要意义的结构方面的差异获得了最佳的发动机系列。

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了以往几代发动机的持续开发，就直列式发动机而言，其通用化率已远超过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中占有明显较大范围的垂直标准组合部件方向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因素，当然，首先要确保的是品质（图1），其中包括：⑴通过汽油机和柴油机通用的基础发动机平台来协同开发与制造；⑵由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）；⑶掌控越来越多的变型机；⑷汽车接口的统一；⑸缩短推出新变型机的时间间隔；⑹通过减少方案和零件多样化提高品质，并提供更多的保障；⑺提高采购集约化和工业化程度；⑻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公司确定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0.5 L的3缸、4缸和6缸机型，从而可获得1.5 L、2.0L和3.0 L 排量。2014年春季，将新一代发动机3缸和4缸发动机（图2）配装于新型Mini轿车。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作为发动机统一结构的基础。按照“更多共性，按需差异”的原则，BMW公司首次持续贯彻柴油机和汽油机普遍适用的标准组合部件。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，以及与汽车的接口等基本尺寸之外，全铝结构型式也属于发动机共性，而且这些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用于柴油机和汽油机单缸排量为0.5 L的最佳气缸单元（图1），它们具有统一的91 mm缸心距，缸径和行程可毫无折中地用于各自的燃烧过程（汽油机：缸径82 .0 mm，行程94.6 mm；柴油机：缸径84 mm，行程90 mm）（图2）。新型发动机系列的3缸和4缸机型能在不同的汽车结构中横向和纵向布置，而6缸机型只能纵向布置。对于BMW公司的车型而言，0.5 L从各方面而言都是最佳的单缸排量。通常，较小的单缸排量使得振动较小，并具有较为良好的声学性能，特别是摩擦较小和热力学效率较高。因此，在考虑到必要的转速范围、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0.5 L作为柴油机和汽油机的最佳单缸排量。

在无需燃烧过程特有结构型式的部件和系统中，必须使柴油机与汽油机之间尽可能通用。例如，将发动机传动端的正时传动机构设计成2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零件的通用化率为30%～40 %，结构设计相同的零件数量也明显较多，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总是相同的，链传动机构则可作为结构设计相同的系统实例，而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了仔细匹配。

特别注意到柴油机和汽油机与汽车接口的统一设计（图4），而且在2种发动机上的安装位置和角度是相同的。包括用于原始空气、冷却、汽车电缆束、发动机支架、变速器或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，这样可减少汽车装配车间中变型的数目，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，而且必须详细列出对部件和系统的要求，并在整个工艺链中严格地予以实施转化，以实现构建标准组合部件的有利效果。除了相应的产品标准组合部件之外，同时还确定了生产中所使用的汽油机-柴油机工艺标准组合部件，并首次在生产中普遍实施。

3发动机标准组合部件简介

除了通用件之外，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。下面将分别介绍这两种类型发动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，气缸体曲轴箱按照开发目标确定了统一的结构特点，使目前应用的结构达到了整体优化。它利用目前汽油机所保留的技术（涂层气缸工作表面），以及目前仅柴油机应用的技术（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，一方面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）相同的接口发挥更多的协同作用，另一方面在能形成性能优势的部位又要有所差别。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形状来应对这种挑战的。首先在制造加工方面要有所区别，此外,则要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、发动机支架和起动马达的接口，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，是纵置式和横置式3缸、4缸汽油机和柴油机的通用件。这种塑料结构型式的机油模块将机油滤清器与机油冷却器组合成1个紧凑的整体型式，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, 发动机在汽车上的安装位置是统一的。无论考虑到汽油机还是柴油机的要求，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,用于这两种类型发动机的油底壳毛坯在各自车型和驱动方式（前驱动、后驱动和全驱动）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采用铝压铸而成，因变速器连接在油底壳上，这种工艺方法起到了对发动机-变速器联结的加固作用，对在发动机横向布置时（3缸、4缸发动机）摆动支承的连接，以及全驱动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。这种塑料结构型式的罩盖被安装在发动机前端，盖住平衡轴-齿轮传动机构，它既包括曲轴径向密封圈，也包含有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、整体式密封和预装配连接构件，简化了装配工作。

8机油/真空泵

BMW公司的新型标准组合部件发动机的机油泵与真空泵组合成1个整体式单元结构，它与发动机的连接接口对于汽油机和柴油机动力总成是相同的，这样就能采用统一的机油/真空泵方案，而汽油机和柴油机对机油压力及其体积流量的不同需求则通过调整机油泵内齿轮组尺寸予以满足。因机油泵的设计方案相同，诸如机油进油管、特性曲线场调节阀和紧固螺栓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按需进行调节。安装在同一根驱动轴上位于机油泵后的真空泵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，仅有专门用于横置式和纵置式发动机的2种不同的皮带传动布置形式，可根据各自配套车型的要求采用。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能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连接部位，这就为各辅助设备准备了足够大的宽度，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非常协同。通过预紧力和皮带曲线使所有发动机都获得了摩擦优化的单皮带传动。皮带传动中所有的皮带盘尺寸在汽油机和柴油机上都是统一的，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，在皮带传动设计中也已考虑到了由发电机（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种不同的集成方案。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、皮带盘和轴承，以及统一的辅助设备支架情况下，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，根据使用情况应用传统的或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，以及传动齿轮仔细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以及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，新一代柴油机和汽油机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，而柴油机将双涡轮增压技术与共轨高压直喷和新型可变涡轮几何截面涡轮增压器相结合（图7）。

首次推出的3缸1.5 L柴油机和汽油机具有明显降低CO2排放的潜力，其原因是具有较为有利的暖机运转性能、较小的摩擦功率、较小的排量，以及由此使运行工况点向高效率特性曲线场范围移动。发动机的油耗在其功率范围内处于顶尖的位置，因此，与传统1.6 L 4缸汽油机相比，3缸汽油机的CO2排放降低了6.2 %。而在动力性能方面，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55～100 kW的功率型谱，而在新型BMWi8轿车上则配装了170 kW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的节油技术，新型柴油机和汽油机达到了最低的CO2排放值，并能满足已生效的欧6废气排放法规要求，采用相应的排气后处理系统还能达到特超低排放车法规的限值要求。

13结语

BMW公司在直列式发动机上采用了用于产品和工艺的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同。沿用了现有发动机久经考验的BMW公司独特的核心技术，又进行了进一步优化，使之更为卓越。所有发动机均采用喷油器中置的直接喷射和废气涡轮增压。这些发动机是BMW公司高效动力学策略的重要成果，即使显著提高了动力性能，但对进一步降低BMW公司平均燃油耗作出了重要贡献。

如果您对发动机技术感兴趣，可发送您的真实姓名+单位+邮寄地址+联系电话至微信平台，您将有机会免费获得《国外内燃机》2015年全年纸质版本。