BMW與PSA聯(lián)合開發(fā)的四缸汽油發(fā)動機技術介紹(三)

◆文/浙江 范明強

范明強 (本刊編委會委員)

教授級高級工程師，參加過陜西汽車制造總廠的籌建工作，主管柴油機的產(chǎn)品開發(fā)；1984年調往機械工業(yè)部無錫油泵油嘴研究所，曾任一汽無錫柴油機廠、第一汽車集團公司無錫研究所高級技術顧問、湖南奔騰動力科技有限公司總工程師。

(接2017年第10期)

2.128kW標定功率機型

(1)動態(tài)性能

搭載標定功率為128kW，5000 r/m in機型的M in iCoope rS級轎車是目前頂級功率的車型。即使其具有80kW/L較高的升功率，但是在1 600r/m in轉速時就已達到了240Nm最大扭矩，因此該車以其低速范圍內的強勁動力和駕駛靈活性令人折服。由于其具有足夠的動力儲備，在日常行駛時即使在環(huán)境溫度高和燃油品質較差時仍能確保必要的動力性能，這使得M in iCoope rS級轎車更顯示出其優(yōu)勢。

應用雙渦道廢氣渦輪增壓器、短的進排氣門配氣相位、單個進氣凸輪軸相位調節(jié)器與低速時有利的掃氣策略相結合以及不易爆震的穩(wěn)定的燃燒過程是達到開發(fā)目標的重要因素。短的排氣門配氣相位與排氣質量流量通過雙通道導入渦輪相結合提高了渦輪效率，明顯有助于提高其響應特性。進氣相位的設計與四缸排氣分成兩組進入渦輪相結合使得自然吸氣發(fā)動機獲得了較高的基礎扭矩，并加快了增壓器轉速的提升。借助于缸內直接噴射，低速時汽缸前后的正掃氣壓差能夠轉化成化學計量成分的廢氣，廢氣質量流量也相應增大，使得增壓器在低速時就能夠建立起增壓壓力，從而在1600 r/m in時就達到了240Nm最大扭矩，同時駕駛員在1700～5000 r/m in范圍內能夠利用增壓器的超增壓功能來提高動態(tài)性能，使得扭矩在短時間內能提高20Nm(圖19)，圖19中彩色粗線條示出了與其他發(fā)動機相比所顯示出的優(yōu)勢，特別是低速時的穩(wěn)態(tài)扭矩。

(2)效率

與功率相同的自然吸氣發(fā)動機相比，增壓機型在平常運行時總是將運行工況推移到低速較高的負荷，因此設計任務書要求在獲得高的動態(tài)性能的同時，不僅要具有非常出色的部分負荷燃油耗，而且也要具備適當?shù)呢摵扇加秃摹?/p>

圖19 128 kW機型全負荷性能與同類競爭機型的比較

在部分負荷時，以下一系列措施起到了決定性的作用：基于所應用的燃燒過程具有高的抗爆震性，選擇了10.5:1的壓縮比，同時直接在進氣門前面進氣道下部配備了導流板，并減小進氣道上部的容積，由此所產(chǎn)生的宏觀充量運動在點火時刻前不久轉化成渦流，使得混合汽均質化并快速燃燒，相應就能應用進氣凸輪軸相位調節(jié)器來實現(xiàn)較多的內部廢氣再循環(huán)并減少換氣功。燃燒室設計的目標在于盡可能減少燃燒室頂部的容積，從而能避免重新設計活塞。

同時，對于噴油器頂端區(qū)域給予了特別的關注，因為噴射油束區(qū)域內的濕壁現(xiàn)象將給燃油耗和廢氣排放帶來不利的影響?；鸹ㄈx擇了一種具有細中心電極的空氣火花塞，這種火花塞在殘余廢氣相容性、全負荷時的爆震敏感性和催化器加熱時的燃燒穩(wěn)定性等方面顯示出了最佳的效果。

在全負荷時，燃燒過程的高抗爆震性、低轉速時正的掃氣壓差使得殘余廢氣最少、相對較短的進排氣配氣相位、選用排氣背壓較小的廢氣渦輪以及降低外圍設備部件的摩擦損失等方面的措施對獲得低的燃油消耗水平起到了決定性的作用。

此外，增壓機型還從基礎發(fā)動機和冷卻系統(tǒng)諸如盡可能降低所有零部件中的摩擦、可調式機油泵以及按特性曲線場控制的節(jié)溫器等方面的措施得到了好處。

最佳運行工況點燃油消耗與競爭機型的比較時，128kW增壓機型的最低燃油耗明顯處于分布帶的低端，而且突出的特點是其特性曲線場中接近最佳點燃油耗的范圍寬廣(圖20)。n=2 000r/m in和W e=0.2kJ/L運行工況點的燃油耗處于非常好的水平，與競爭的增壓機型相比其燃油耗值是最低的。

M iniCooperS級轎車的歐洲試驗循環(huán)燃油耗為6.2L/100km，這就意味著比老機型改善了28%，而且整個特性曲線場都得到了明顯的改善。

圖20 128 kW機型有效比燃油耗與同類競爭機型的比較

(3)排放

M iniCooperS級轎車還在全球銷售，當然滿足必要的廢氣排放限值(歐4，JLEV2005，LEVⅡ)。達到廢氣排放目標的關鍵是在催化器加熱期間實現(xiàn)部分分層運行(均質分段噴射，HSP)與合適的進氣凸輪軸相位調節(jié)(早進氣)相結合。此時，在正常的進氣階段，以上止點前約300°曲軸轉角的噴油始點僅噴入60%的噴油量，而其余的40%噴油量則到上止點前約70°曲軸轉角時才噴入汽缸，同時采用化學計量比或者略稀薄的空燃比，上止點后15～20°曲軸轉角的點火角以及約1 100r/m in的怠速轉速，這樣就能達到高效的催化器加熱效果，從而獲得非常低的原始排放。

獲得可靠的部分分層運行(均質分段噴射，HSP)能力的前提條件是優(yōu)化燃油噴霧以及相應的活塞頂燃燒室?guī)缀涡螤畹脑O計，使得噴射油束能被活塞頂燃燒室導向火花塞，同時多孔噴油器已經(jīng)優(yōu)化，一方面使得在低負荷時可提供足夠的動量，油霧能夠可靠地抵達火花塞，另一方面使得有足夠的空氣輸送到油束中，以供油滴的快速蒸發(fā)和均質化，防止特別是在低速高負荷運行工況下產(chǎn)生高的碳煙顆粒排放。降低形成碳煙顆粒的其他重要因素是基于強烈充量運動的良好均質化、初始噴射油束中油滴尺寸的最佳分布、燃油濕潤零件表面的減少以及噴油策略的仔細確定等。同樣，減少燃油濕潤汽缸壁面還防止了危及發(fā)動機可靠性的機油稀釋。

128kW增壓機型配備了一個分級的催化轉化器，其總體積為1.67L，并顯現(xiàn)出起燃性能與低背壓之間的最佳折中。與自然吸氣機型一樣使用了一個線性λ傳感器，并為在美國使用的車型的地板下附加配備了一個催化器。

四、電控系統(tǒng)

這種汽油機系列應用了新一代的電控單元，它配備了工作能力強大的3芯微處理器，這種基本的電控單元構成使得兩種機型能夠應用于合作雙方制造商眾多的車型平臺及其適合各地的車型上。

五、第1代機型的成果

綜上所述，BMW公司與PSA公司合作雙方自始至終貫徹了BMW公司制定的“高效動力學”開發(fā)目標和PSA公司制定的“按成本進行設計”原則，充分運用了合作雙方的技術秘訣，使得所開發(fā)的新的小型4缸汽油機系列為小型和緊湊型汽車車型樹立了新標桿。無論在技術方面還是在動力性、經(jīng)濟性和耐久性方面，這兩種不同的機型(全可變氣門機構進氣道噴射自然吸氣汽油機和缸內直接噴射增壓汽油機)都是其同等級機型的典范(表3)。

表3 BMW公司新老M in i轎車重要特性指標的對比