BMW公司新型高效動(dòng)力學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)系列

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

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)以往幾代發(fā)動(dòng)機(jī)的持續(xù)開發(fā)。就直列式發(fā)動(dòng)機(jī)而言，其通用化率已遠(yuǎn)超60%，并且，水平標(biāo)準(zhǔn)組合部件在燃燒過程（汽油機(jī)或柴油機(jī)）中處于重要地位。因此，根據(jù)進(jìn)一步開發(fā)的邊界條件，向在汽油機(jī)和柴油機(jī)領(lǐng)域占明顯較大范圍的垂直標(biāo)準(zhǔn)組合部件拓展是新一代發(fā)動(dòng)機(jī)的主要開發(fā)目標(biāo)。

制造、開發(fā)和采購(gòu)是推動(dòng)這方面工作進(jìn)展的主要因素，當(dāng)然，首先要確保的是品質(zhì)，其中包括：（1）通過汽油機(jī)和柴油機(jī)通用的基礎(chǔ)發(fā)動(dòng)機(jī)平臺(tái)，進(jìn)行協(xié)同開發(fā)與制造；（2）在多個(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)）；（3）獲得越來(lái)越多的變型機(jī)方案；（4）統(tǒng) 一汽車接口；（5）縮短推出新變型機(jī)的周期；（6）通過減少方案和零件多樣化提高品質(zhì)，并提供更多的保障；（7）提高采購(gòu)集約化和工業(yè)化程度；（8）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公司的研究人員確定，開發(fā)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)各自的燃燒原理，達(dá)到最佳性能設(shè)計(jì)，以確保在同類機(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0.5L的3缸、4缸和6缸機(jī)型，可獲得1.5L、2.0L和3.0L3種排量。2014年春季，新一代3缸和4缸發(fā)動(dòng)機(jī)配裝于新型Mini轎車。作為發(fā)動(dòng)機(jī)統(tǒng)一結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，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。按照“更多共性、按需差異”的原則，BMW公司持續(xù)貫徹柴油機(jī)和汽油機(jī)普遍適用的標(biāo)準(zhǔn)組合部件策略。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，以及汽車接口等基本尺寸外，全鋁結(jié)構(gòu)型式也屬于共性配置，而且所有發(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)組合部件的核心是單缸排量為0.5L的最佳氣缸單元（圖1），具有統(tǒng)一的91mm缸心距，缸徑和行程可毫無(wú)折中地用于柴油機(jī)或汽油機(jī)的燃燒過程（汽油機(jī)：缸徑82.0mm，行程94.6mm；柴油機(jī)：缸徑84mm，行程90mm）（圖2）。新型發(fā)動(dòng)機(jī)系列的3缸和4缸機(jī)型能在不同汽車結(jié)構(gòu)中橫向或縱向布置，6缸機(jī)型只能縱向布置。對(duì)于BMW公司的車型而言，從各方面而言，0.5L都是最佳的單缸排量。通常，單缸排量越小，振動(dòng)就越小，并且聲學(xué)性能更好，摩擦更小，熱力學(xué)效率更高。因此，在考慮必要的轉(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0.5L作為柴油機(jī)和汽油機(jī)的最佳單缸排量。

在不需要燃燒過程特有結(jié)構(gòu)型式的系統(tǒng)中，必須實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)與汽油機(jī)之間的部件通用化。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)成兩部分的鏈傳動(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)之間的零件通用化率為30%～40%，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相同的零件數(shù)量也較多，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，氣門傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的零件是相同的，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，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)行仔細(xì)匹配。

須特別注意柴油機(jī)或汽油機(jī)與汽車接口的統(tǒng)一設(shè)計(jì)（圖4），并且在2種發(fā)動(dòng)機(jī)上的安裝位置和角度必須是相同的。包括用于原始空氣、冷卻、汽車電纜束、發(fā)動(dòng)機(jī)支架、變速器及空調(diào)管路等連接點(diǎn)在內(nèi)，安裝在汽車上的發(fā)動(dòng)機(jī)共有10個(gè)接口，均由標(biāo)準(zhǔn)組合部件連接，可減少汽車裝配車間中的變型數(shù)量，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，在開發(fā)初期，產(chǎn)品開發(fā)、采購(gòu)和生產(chǎn)之間就必須緊密配合，并且詳細(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)及柴油機(jī)標(biāo)準(zhǔn)組合部件工藝，并首次在生產(chǎn)中普遍實(shí)施。

3 發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)準(zhǔn)組合部件概要

除通用件之外，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。下面將分別介紹汽油機(jī)與柴油機(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)，按照開發(fā)目標(biāo)對(duì)氣缸體曲軸箱確定統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，使目前應(yīng)用的結(jié)構(gòu)達(dá)到整體優(yōu)化。具體來(lái)講，就是利用目前汽油機(jī)的保留技術(shù)（涂層氣缸工作表面），以及目前只用于柴油機(jī)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）。

開發(fā)氣缸體曲軸箱的挑戰(zhàn)在于，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)）的相同接口發(fā)揮更多的協(xié)同作用，同時(shí)又在具備性能優(yōu)勢(shì)的部位有所差別。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來(lái)應(yīng)對(duì)這種挑戰(zhàn)。首先在制造加工方面有所區(qū)別，此外，須設(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、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，這是縱置式和橫置式3缸、4缸汽油機(jī)或柴油機(jī)的通用件。這種塑料結(jié)構(gòu)的機(jī)油模塊將機(jī)油濾清器與機(jī)油冷卻器組合成緊湊的整體型式，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，其在汽車上的安裝位置是統(tǒng)一的。對(duì)于汽油機(jī)和柴油機(jī)的安裝要求而言，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，這兩種發(fā)動(dòng)機(jī)的油底殼毛坯在各自車型和驅(qū)動(dòng)方式（前驅(qū)、后驅(qū)或全驅(qū)）下都是統(tǒng)一的，通過制造加工，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)的油底殼均由鋁壓鑄而成，因變速器連接在油底殼上，這種工藝方法具有對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)-變速器聯(lián)結(jié)的加固作用，針對(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)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)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)，其中既包括曲軸徑向密封圈，也包含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，并具備整體式密封和預(yù)裝配連接構(gòu)件，從而能簡(jiǎn)化裝配工作。

8 機(jī)油-真空泵

BMW公司新型標(biāo)準(zhǔn)組合部件發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)油泵與真空泵被組合成1個(gè)整體式單元結(jié)構(gòu)，它與發(fā)動(dòng)機(jī)的接口在汽油機(jī)或柴油機(jī)中是相同的，這樣就能統(tǒng)一機(jī)油-真空泵方案，而汽油機(jī)和柴油機(jī)對(duì)機(jī)油壓力及體積流量的不同需求則通過調(diào)整機(jī)油泵內(nèi)的齒輪組尺寸予以滿足。因機(jī)油泵的設(shè)計(jì)方案相同，機(jī)油進(jìn)油管、特性曲線場(chǎng)調(diào)節(jié)閥和緊固螺栓等都可使用統(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)閥進(jìn)行按需調(diào)節(jié)。安裝在同一根驅(qū)動(dòng)軸上的真空泵位于機(jī)油泵后，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，只有專門用于橫置式和縱置式發(fā)動(dòng)機(jī)的2種不同皮帶傳動(dòng)布置型式，可根據(jù)配套車型的要求分別應(yīng)用。發(fā)動(dòng)機(jī)輔助設(shè)備統(tǒng)一布置在進(jìn)氣側(cè)，以便使燃燒過程專用的增壓和排氣后處理在排氣側(cè)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)和曲軸皮帶盤具有統(tǒng)一的接口，為各輔助設(shè)備留出足夠?qū)挾?，因而降低了連接的復(fù)雜程度，使開發(fā)、采購(gòu)和制造的整個(gè)過程鏈更為協(xié)調(diào)。通過預(yù)緊力和皮帶曲線，使所有發(fā)動(dòng)機(jī)都獲得摩擦優(yōu)化的單皮帶傳動(dòng)。汽油機(jī)和柴油機(jī)上的皮帶傳動(dòng)所有皮帶盤尺寸都是統(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，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)類似，冷卻液泵也有2種不同集成方案。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、軸承，以及統(tǒng)一的輔助設(shè)備支架條件下，通過葉輪變化和動(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，可根據(jù)使用情況，應(yīng)用傳統(tǒng)的或由特性曲線場(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，以及在傳動(dòng)齒輪細(xì)節(jié)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，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，新一代的柴油機(jī)和汽油機(jī)應(yīng)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)采用高效的雙動(dòng)力渦輪增壓技術(shù)運(yùn)行，并與缸內(nèi)汽油直噴、全可變進(jìn)氣門控制和雙渦道廢氣渦輪增壓相結(jié)合；柴油機(jī)則應(yīng)用雙動(dòng)力渦輪增壓技術(shù)與共軌高壓直噴和新型可變截面渦輪增壓器相結(jié)合的技術(shù)方案（圖7）。

首次推出的3缸1.5L柴油機(jī)和汽油機(jī)具有明顯降低CO2排放的潛力，這應(yīng)歸功于較為有利的暖機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)性能、較小的摩擦功率、較小的排量，以及運(yùn)行工況點(diǎn)向高效率特性曲線場(chǎng)范圍的移動(dòng)。發(fā)動(dòng)機(jī)燃油耗在其功率范圍內(nèi)處于頂尖位置，因此，與傳統(tǒng)1.6L4缸汽油機(jī)相比，3缸汽油機(jī)的CO2排放量降低6.2%。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55～100kW的功率型譜，而在新型BMW i8轎車上則配裝170kW的汽油機(jī)機(jī)型。

通過應(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)等一系列節(jié)油技術(shù)，新型柴油機(jī)和汽油機(jī)達(dá)到最低的CO2排放值，并能滿足已生效的歐6排放法規(guī)要求，采用相應(yīng)的排氣后處理系統(tǒng)后，還能達(dá)到特超低排放車標(biāo)準(zhǔn)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)開發(fā)策略。3缸、4缸和6缸汽油機(jī)與柴油機(jī)之間具有較高的通用化程度，在產(chǎn)品開發(fā)、汽車集成和生產(chǎn)中達(dá)到了高度協(xié)調(diào)。沿用了BMW公司久經(jīng)考驗(yàn)的發(fā)動(dòng)機(jī)核心技術(shù)，又進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，使其性能更佳。所有發(fā)動(dòng)機(jī)均采用噴油器中置的直接噴射方式和廢氣渦輪增壓。這是BMW公司高效動(dòng)力學(xué)策略的重要成果，既顯著提高了動(dòng)力性能，又對(duì)進(jìn)一步降低公司平均燃油耗作出了重要貢獻(xiàn)。